貴州省仁懷市石壩河水庫(kù)規(guī)劃與大壩設(shè)計(jì)分析

孟春見

（仁懷市水務(wù)局 貴州仁懷 564500）

0 引言

仁懷市位于貴州省西北部，大婁山脈西段北側(cè)，屬于云貴高原向四川盆地過渡的山地地帶，是黔北經(jīng)濟(jì)區(qū)與川南經(jīng)濟(jì)區(qū)的連接點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)特別是茅臺(tái)鎮(zhèn)釀酒工業(yè)發(fā)達(dá)，有“中國(guó)酒都”之稱。釀造用水是釀酒的重要生產(chǎn)資源，受石壩河徑流量年際變化較大、年內(nèi)分配嚴(yán)重不均、供水水源工程建設(shè)滯后影響，茅臺(tái)鎮(zhèn)河西片區(qū)上坪村、椿樹村及元木巖村等區(qū)域工程性缺水問題突出。在此背景下，擬在石壩河上規(guī)劃建設(shè)石壩河水庫(kù)，為區(qū)域建設(shè)提供基礎(chǔ)性資源保障。

1 流域概況

石壩河發(fā)源于古藺縣丹桂鎮(zhèn)白良村混元山，河源高程1 432.00 m，自西北向東南流經(jīng)塔山、河壩、筲箕塘、下白巖等地，于袁半坡匯入石壩河溝，是赤水河左岸一級(jí)支流，河長(zhǎng)12.7 km，流域面積34.91 km2，多年平均徑流量1 530 萬m3。擬建石壩河水庫(kù)壩址位于茅臺(tái)鎮(zhèn)上坪村境內(nèi)，壩址以上流域面積22.6 km2，其中明流區(qū)流域面積15.2 km2，閉流區(qū)流域面積7.4 km2，主河道河長(zhǎng)8.65 km，主河道平均比降7.67%，流域形狀系數(shù)0.207。

經(jīng)水文地質(zhì)勘察核實(shí)，石壩河流域西北部廟林村為一巖溶閉流區(qū)，地表徑流進(jìn)入巖溶后經(jīng)地下巖溶通道于龍洞廟洞口出露地表，閉流區(qū)全區(qū)位于壩址斷面以上。受臨近煤礦開采影響，出露泉水鐵、錳超標(biāo)，硫酸鹽、COD 臨近Ⅲ類下限，水質(zhì)渾濁有肉眼可見懸浮物。在水庫(kù)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案中，以管道將其引出，處理后排放至下游河道，溶洞出水不入庫(kù)、不參與壩址徑流和泥沙計(jì)算[1]。

2 氣象水文

水庫(kù)所在河流流域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，四季分明，氣候溫和濕潤(rùn)，光水熱同季，多年平均降水量873.8 mm，降雨多發(fā)生在5-8 月，占全年降水量的61.1%；多年平均氣溫15.6℃；多年平均日照29%；多年平均相對(duì)濕度78%；多年平均風(fēng)速1.3 m/s，主要災(zāi)害性天氣有干旱、倒春寒、暴雨等。

根據(jù)1953-2015 年實(shí)測(cè)徑流資料計(jì)算分析，石壩河水庫(kù)壩址處多年平均徑流量491 萬m3，Cv=0.33，Cs=2Cv，枯季（11-4 月）徑流量113 萬m3，占全年的23.0%，設(shè)計(jì)徑流成果如表1 所示。設(shè)計(jì)暴雨H24=80 mm，Cv=0.45，Cs=3.5Cv，相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果如表2 所示。閉流區(qū)泥沙通過新建引水管道引出庫(kù)外，因此只計(jì)算明流區(qū)泥沙，懸移質(zhì)泥沙按照流域多年平均輸沙模數(shù)200 t/km2計(jì)算，懸移質(zhì)年輸沙量為2 338 m3；推移質(zhì)按懸移質(zhì)20%考慮入庫(kù)，為468 m3[2]。

表1 石壩河水庫(kù)設(shè)計(jì)徑流成果表

表2 石壩河水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水成果表

3 工程總體規(guī)劃

3.1 工程規(guī)模與可供水量

石壩河水庫(kù)主要承擔(dān)茅臺(tái)鎮(zhèn)上坪村、椿樹村及元木巖村生活用水及425 家釀酒企業(yè)工業(yè)用水，設(shè)計(jì)年供水量219 萬m3，供水保證率為95%。水庫(kù)壩址以上流域面積15.2 km2，水庫(kù)死水位540.00 m，死庫(kù)容21 萬m3；正常蓄水位568.00 m，興利庫(kù)容127 萬m3；校核洪水位568.03 m，水庫(kù)總庫(kù)容149 萬m3。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300 年一遇，水庫(kù)屬?、裥?，工程等別為Ⅳ等。

石壩河水庫(kù)正常蓄水位相應(yīng)庫(kù)容148 萬m3，興利庫(kù)容127 萬m3，庫(kù)容系數(shù)25.9%，具備多年調(diào)節(jié)性能，水庫(kù)多年平均供水量219 萬m3/a，水量利用率44.7%；下游生態(tài)用水量54.1 萬m3/a，占天然入庫(kù)徑流量的10.0%。

3.2 供水配置分析

供水范圍內(nèi)現(xiàn)狀農(nóng)村人口1.19 萬人，按農(nóng)村增長(zhǎng)人口與轉(zhuǎn)移至城鎮(zhèn)人口數(shù)量基本持平考慮，至設(shè)計(jì)水平年人口規(guī)模保持不變。按最高日居民生活用水定額120 L/人·d，公共建筑用水按10%，管網(wǎng)漏失水量和未預(yù)見水量按15%，水廠自用水量按5%，石壩河水庫(kù)至水廠輸水損失按4%計(jì)，日變化系數(shù)取1.3，三村日平均需水量1 517 m3/d、年需水量55.4 萬m3/a。供水范圍內(nèi)三村分別有221、147、57 家酒廠（作坊），共計(jì)10 154個(gè)窖坑，單坑產(chǎn)能8 t/a，釀酒用水定額根據(jù)實(shí)際工藝取50 m3/t，則三村釀酒工業(yè)需水量為407 萬m3/a。

合計(jì)至設(shè)計(jì)水平年2030 年時(shí)，三村總需水量462.4 萬m3/a。目前區(qū)域內(nèi)共有5 處引提水工程，總供水量244 萬m3/a，供水水源為赤水河和石壩河，水量穩(wěn)定、水質(zhì)達(dá)標(biāo)，納入?yún)^(qū)域供水配置方案。擬建石壩河水庫(kù)設(shè)計(jì)年供水量219 萬m3/a，合計(jì)總供水量達(dá)到463 萬m3/a，滿足區(qū)域生活和釀酒工業(yè)需求[3]。

3.3 壩線選擇

石壩河陡崖以上至焦巖河段庫(kù)盤狹小、兩岸坡地陡峭，河段河床比降達(dá)12%以上，建庫(kù)水位抬高較大，易引發(fā)岸坡堆積體滑坡；匯口以下為開闊緩坡谷底；陡崖至匯口河段兩岸山體延續(xù)，巖層總體傾向上游微偏右岸，2 號(hào)沖溝以上兩岸為對(duì)稱V 形橫向河谷，邊坡穩(wěn)定，適合建庫(kù)。據(jù)此選定2 號(hào)沖溝以下、匯口以上約490 m 處為建壩場(chǎng)址。

壩址河段兩岸山體延續(xù)良好，壩區(qū)右岸有一處凸出山體發(fā)育，總體走向與河床走向斜交并向下游逐漸收斂，河流流向受山體影響為S65°E-S47°W-S25°E，壩址河段平均比降約4.2%，枯水期水面寬3～6 m、水深0.2～0.8 m。壩址區(qū)沖溝發(fā)育，除4 號(hào)沖溝以上左壩肩岸坡段較緩?fù)?，其它岸坡陡峭，出露地層巖性以泥質(zhì)粉砂巖、砂巖、石英砂巖和泥巖為主，多在兩岸坡地陡峭段及河床邊出露。壩區(qū)周邊天然建筑材料以石料為主，土料分布較少，且開采條件一般，開挖后易形成高陡邊坡。壩址巖體均一性和抗變形能力一般，壩肩持力層較差，不適宜修建拱壩，土石壩推薦混凝土面板堆石壩、重力壩推薦堆石混凝土壩進(jìn)行比選[4]。

3.4 壩型比選

兩壩型控制流域面積、水文條件及充分利用水資源程度、水庫(kù)淹沒基本相同，主要從地質(zhì)、施工、投資等方面進(jìn)行比選。1）從地形條件分析，由于兩岸地形不對(duì)稱、河床較狹窄、右岸坡及左岸坡中下部總體陡峭，堆石混凝土壩基礎(chǔ)基坑呈槽狀開挖，采取分層臺(tái)階開挖和邊坡支護(hù)，基坑兩側(cè)覆蓋層邊坡穩(wěn)定問題較突出；而混凝土面板堆石壩體型較大，開挖范圍和填筑方量均大于前者，且上游趾板基礎(chǔ)開挖形成高陡邊坡，穩(wěn)定問題難以解決。2）從樞紐布置角度分析，堆石混凝土壩開挖工程量較小，取水建筑物布置簡(jiǎn)單緊湊，且采用壩頂溢流，可降低泄水建筑物布置難度。3）從施工導(dǎo)流及度汛角度分析，由于水庫(kù)周邊釀酒工業(yè)發(fā)達(dá)，導(dǎo)流及度汛要求較高，混凝土面板堆石壩為土石結(jié)構(gòu)，搶筑壩體度汛高程難度很大，導(dǎo)流工程規(guī)模較大耗資很高，堆石混凝土壩可采用導(dǎo)流底孔降低度汛難度，同比導(dǎo)流工程規(guī)模較小節(jié)省投資。4）從工程投資角度，堆石混凝土壩較混凝土面板堆石壩節(jié)省約10%，合計(jì)約1.2 億元。綜上分析，確定堆石混凝土重力壩為推薦壩型[5]。

3.5 樞紐布置

樞紐工程由水庫(kù)大壩、溢洪道、取水兼放空建筑物組成。

大壩為堆石混凝土重力壩，壩軸線方向角為N88.0°E，壩頂高程568.50 m，壩址基建面高程511.50 m，最大壩高57.0 m，最大壩底寬52.9 m，上游壩坡536.00 m以上鉛直、以下1∶0.2；下游壩坡563.20 m 以上鉛直、以下1∶0.8。壩頂寬7.0 m，壩頂長(zhǎng)228.0 m。

大壩壩頂中段設(shè)泄洪表孔，為開敞式設(shè)閘泄洪設(shè)計(jì)，堰頂高程564.00 m，共3 孔，采用平板鋼閘門，閘門尺寸5.0 m×4.0 m，溢流總凈寬15.0 m，孔頂設(shè)4.0 m寬工作橋。溢流堰為WES 型實(shí)用堰，曲線方程為y=0.16x1.85。溢流壩面以半徑10.0m 的反弧段接消力池，池底高程511.50m，消力池全長(zhǎng)22.0 m、寬25.0 m、高6.0 m。

取水兼放空建筑物布置在溢流壩段右側(cè)，采取壩內(nèi)埋管的布置方式，進(jìn)水口底板高程537.50 m，設(shè)1扇1.2 m×1.6 m 攔污柵和1 扇1.2 m×1.2 m 平板事故檢修閘門。壩內(nèi)埋DN800 鋼管，出口設(shè)偏心半球閥，分岔出DN500 取水鋼管和DN200 生態(tài)放水管，取水管沿壩下游右岸進(jìn)閘室公路內(nèi)側(cè)布置，進(jìn)口中心高程537.90 m，出口中心高程519.80 m，取水管總長(zhǎng)174.0 m。

3.6 輸水工程布置

本水庫(kù)輸水工程采用分級(jí)提水方式，其中生活用水采用泵站提水至新建水廠處理后向受水區(qū)供水，釀酒工業(yè)用水利用現(xiàn)有輸水渠道（當(dāng)?shù)胤Q為大堰）供水。

輸水工程一級(jí)泵站布置在大壩下游右岸臺(tái)地上，采用大壩開挖棄料填實(shí)基礎(chǔ)，泵站廠房地面高程519.00 m，廠房沿石壩河左岸設(shè)置擋墻，安裝7 臺(tái)水泵；二級(jí)泵站結(jié)合上水池位置布置，左岸二級(jí)泵站位于桃竹灣緩坡上，地面高程為649.61 m，安裝4 臺(tái)水泵；右岸二級(jí)泵站位于袁半坡臺(tái)地上，地面高程為648.86 m，安裝5 臺(tái)水泵。

輸水管道經(jīng)一級(jí)泵站后分左右岸布置。左岸1#輸水管為生活與工業(yè)用水共用，自一級(jí)泵站接出后，利用進(jìn)場(chǎng)交通橋跨越石壩河下游河床，沿左岸4 號(hào)沖溝邊緣提水至永流上水池，管長(zhǎng)630 m；左岸2# 輸水管自左岸二級(jí)泵站接出后，提水至左岸焦巖上水池，管長(zhǎng)730 m，經(jīng)焦巖大堰供給椿樹村，其中生活用水先通過永流水廠處理后再接入二級(jí)泵站。右岸1# 輸水管為生活與工業(yè)用水共用，自一級(jí)泵站接出后跨越石壩河，提水至東風(fēng)上水池，管長(zhǎng)670 m；右岸2# 輸水管自右岸二級(jí)泵站接出，提水至陳虎屯上水池，管長(zhǎng)760 m，經(jīng)三五大堰供給上坪村和元木巖村，其中生活用水先通過東風(fēng)水廠處理后再接入二級(jí)泵站。各上水池為封閉式鋼筋混凝土矩形水池[6]。

4 大壩設(shè)計(jì)

4.1 高程設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)洪演算成果，水庫(kù)校核洪水位568.03 m，正常蓄水位568.00 m，經(jīng)量算水庫(kù)計(jì)算吹程D=0.25 km，計(jì)算風(fēng)速正常情況為14.6 m/s，校核情況9.7 m/s，壩頂高程按以下兩種工況采用下式計(jì)算，1）正常蓄水位+正常運(yùn)用的壩頂超高；2）校核洪水位+非常運(yùn)用的壩頂超高。

式中：Δh——壩頂距水庫(kù)靜水位高度，m；

h1%——累積頻率為1%的浪高，m；

hz——波浪中心線至水庫(kù)靜水位的高度，m；

Lm——平均波長(zhǎng)，m；

V0——計(jì)算最大風(fēng)速，m/s；

D——風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，m；

H1——壩前水深，m；

hc——安全超高，m。

計(jì)算成果如表3 所示。

表3 壩頂高程計(jì)算成果表

可知，壩頂高程的控制情況為正常運(yùn)用情況，計(jì)算壩頂高程為568.67 m。當(dāng)壩頂上游側(cè)設(shè)有穩(wěn)定、堅(jiān)固且不透水的防浪墻時(shí)，壩頂超高可調(diào)整為對(duì)防浪墻的要求，但需保證正常運(yùn)營(yíng)條件下壩頂高程高出靜水位0.5 m、非常運(yùn)用條件下不低于靜水位。本工程為堆石混凝土重力壩，上游側(cè)青石欄桿欄板兼防浪作用，防浪高程不低于568.67 m，綜合考慮設(shè)備布置、檢修、觀測(cè)方面和安全、經(jīng)濟(jì)、適用原則，確定大壩壩頂高程為568.50 m。

4.2 應(yīng)力計(jì)算

大壩應(yīng)力按下式計(jì)算，按各工況組合考慮壩體自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、大壩上游淤沙壓力、浪壓力和動(dòng)水壓力，各工況荷載組合下應(yīng)力計(jì)算成果如表4 所示。結(jié)果為基本荷載組合情況下最大壓應(yīng)力0.79 MPa，特殊荷載組合情況下最大壓應(yīng)力0.80 MPa，大壩上游面未出現(xiàn)拉應(yīng)力，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果在規(guī)定允許范圍內(nèi)，基巖承載力滿足要求。

表4 應(yīng)力計(jì)算成果表

ΣW——計(jì)算截面上全部垂直力之和，kN；

ΣM——計(jì)算截面上全部垂直力及水平力對(duì)計(jì)算截面形心的力矩之和，kN·m；

T—壩體計(jì)算截面沿上、下游方向的長(zhǎng)度，m。

4.3 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

壩體沿水平壩基面抗滑穩(wěn)定采用抗剪斷強(qiáng)度方法計(jì)算。沿水平壩基面抗滑單寬、整體穩(wěn)定計(jì)算成果如表5、6 所示，結(jié)果為基本荷載組合下最小安全系數(shù)為3.004，大于規(guī)范規(guī)定的K=3.0；特殊荷載組合下最小安全系數(shù)為2.91，大于規(guī)范規(guī)定的K=2.5，單寬、整體穩(wěn)定計(jì)算成果均滿足規(guī)范要求。

表5 沿水平壩基面抗滑單寬穩(wěn)定計(jì)算成果表

表6 沿水平壩基面抗滑整體穩(wěn)定計(jì)算成果表

式中：K′——抗剪斷安全系數(shù)；

∑W、∑P——計(jì)算截面上全部垂直、水平荷載，kN；

A——壩底面積，m2；

f′、c′——抗剪斷系數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)期以來，水利建設(shè)滯后始終是貴州經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的短板，水資源量豐富，但開發(fā)利用率低下。石壩河水庫(kù)是列入《遵義市水利建設(shè)三大會(huì)戰(zhàn)實(shí)施方案》的項(xiàng)目之一，該項(xiàng)目的實(shí)施可為區(qū)域建設(shè)提供基礎(chǔ)性水資源保障，有利于仁懷市經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展。本文針對(duì)石壩河流域特征，根據(jù)流域水文水利計(jì)算成果和地質(zhì)特性，對(duì)區(qū)域進(jìn)行供需水平衡計(jì)算，確定工程規(guī)模、特性和總體布置，并對(duì)大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)計(jì)算。石壩河水庫(kù)已于2021 年通過蓄水階段驗(yàn)收，目前正在實(shí)施配套供水工程建設(shè)，通過水庫(kù)建設(shè)與蓄水運(yùn)行情況來看，該設(shè)計(jì)方案是合理的。