觀音巖水庫可研階段水工建筑物優化設計研究

摘 要：觀音巖水庫工程可研設計中，對碾壓混凝土雙曲拱壩、泄水建筑物、沖沙兼放空底孔、供水取水口、發電取水口等水工建筑物設計方案進行了詳細優化研究。經優化后的水工建筑物設計方案技術上可行、經濟上優越，節省了工程投資并為工程的順利施工建設提供了重要的技術方案保障。

關鍵詞：觀音巖水庫；水工建筑物；碾壓混凝土雙曲拱壩；泄水表孔

1 工程概況

觀音巖水庫位于貴州水城縣阿嘎鄉、鹽井鄉和勺米鄉三鄉的交界處，壩址位于阿嘎鄉仲河村觀音巖，壩址以上集雨面積為97.2km2。擬建觀音巖水庫工程任務主要以工業供水為主，兼顧人畜飲水、灌溉以及利用棄水發電的綜合利用水庫工程。設計最大壩高為105.0m，正常蓄水位為1430.0m，總庫容為2201萬m3，庫區回水長約5.629km，設計引水流量1.862m3/s，工程規模為Ⅲ等中型水庫樞紐。建設工期37個月，工程總投資為57865.96萬元。

2 壩址地形地質條件

觀音巖水庫工程區位于貴州省西部，地處烏蒙山脈東南坡、黔西高原中山峽谷地帶，地勢總體西高東低、北高南低。一般海拔高程1300～1900m之間，區內最高點高程2451m，最低點高程1000m，相對高差300～1000m，屬中山～低中山地貌。庫區所在河段為小寨至牛場壩上游觀音巖一帶，河流蜿蜒曲折，總體流向為S60°E轉N20～70°E。庫區河段右岸（南面）有巴郎河；左岸（北面）有通仲河發育。建庫河段河谷走向與山脈方向基本一致，地形切割強烈，兩岸山頂高程均大于1900m，河床高程為1330～1430m，相對高程300～700m，為以溶蝕、浸蝕、構造作用為主形成的低中山～中山地貌。

3 樞紐區主要水工建筑物設優化計

3.1 碾壓混凝土雙曲拱壩結構優化設計

大壩為拋物線變厚雙曲拱壩，拱壩中心線方位角為N40.00°E，壩頂高程1434.0m，壩底高程1329.0m，設計壩高105.0m（不含墊座）。拱冠梁處頂厚6.0m，底厚23.5m，壩頂中心弧長210.197m，頂拱中心角82.000°。最大中心角89.911°（1374.0m高程），最小中心角40.600°（1329.0m高程）。大壩主體采用90天齡期三級配C20碾壓混凝土，抗滲標號W8，抗凍標號D50；上游面防滲層采用90天齡期二級配C20變態混凝土和90天齡期二級配C20碾壓混凝土，抗滲標號W10，抗凍標號D100，其中變態混凝土厚度0.5m，碾壓混凝土1390.0m高程以上厚度2.0m，1390.0～1360.0m高程之間厚度3.0m，1360.0m高程以下厚度4.0m。基礎設置2.0m厚的90天齡期二級配C20常態混凝土墊層，抗滲標號W10，抗凍標號D100。下游壩面采用厚度為0.5m的90天齡期三級配C20變態混凝土，抗滲標號W8，抗凍標號D100。大壩壩身設4條誘導縫，樁號分別為0+036.000、0+075.000、0+122.000、0+165.625，將壩體分為5個壩段，誘導縫上游面設置兩道銅片止水，縫內安裝重復灌漿系統。

3.2 泄水建筑物優化設計

壩頂表孔前緣凈寬15m，堰頂高程1425.0m，分3孔，分別設5.0×5.5m的弧形鋼閘門。溢流堰為WES型實用堰，由上游面曲線、下游面曲線和下游反弧挑流消能段組成，總長17.669m。其中上游堰面曲線采用的橢圓曲線方程為x2/1.702+（y-1.00）2/1.002=1；下游面曲線方程為y=0.109029x1.85；下游采用挑流消能，反弧半徑為6.0m，挑射角為15.0°，挑流鼻坎頂高程1418.75m。表孔溢流面、閘墩、導墻、溢流頭均采取C20混凝土，閘墩頂部設C20混凝土交通橋連接大壩兩端。根據規范采用挑流消能時，下游反弧段半徑R可采用反弧最低點最大水深h的4～10倍。擬定反弧半徑為6m，挑射角為15°。為保護壩腳免受小流量洪水沖刷，決定在大壩下游設置鋼筋混凝土護坦，護坦緊接拱壩混凝土墊層，順河向長30m，橫河向寬28～18m，厚2.0m，護坦頂部高程1331.00m。為了減小或消除護坦下的滲透壓力，在底部鋪筑排水反選層，并在水平段后半部設置排水孔。為保證護坦的抗浮穩定，護坦底部與基巖采用Φ25錨桿連接，錨桿深入基巖5m，呈梅花型布置，間排距均為2.5m。

3.3 沖沙兼放空底孔優化設計

底孔布置于右壩段非溢流壩體內，中心線樁號為0+094.635m。進口底板高程擬定為1360.00m，低于淤沙高程14.5m。進口為喇叭型，孔口尺寸為4.9×5.2m，孔身為2.5×3.5m的矩形斷面，出口段設壓坡段，出口孔口尺寸為2.5×3.0m。出口采用挑流消能，挑流鼻坎高程1360.18m，反弧半徑R=10m，挑射角10°。底孔總長40.00m。進口設置2.5×3.5m的事故平板檢修閘門，啟閉平臺高程1442.00m；出口設置3.0×2.5m的弧形工作閘門，啟閉平臺高程1371.40m。底孔的設計工況為在庫水位處于死水位的情況下運行時，孔口出口流速為18.01m/s；同時汛末要沖沙，此時庫水位一般在正常蓄水位附近運行，孔口出口流速為33.62m/s。根據《水工混凝土抗沖磨防空蝕技術規范》（DL/T 5207-2005）[1]的相關規定，底孔孔身、導墻及底板迎水面均采用C40鋼釬維混凝土、厚1.0m，出口亦為C40鋼釬維混凝土邊墻，底孔檢修閘門井為C20鋼筋混凝土，啟閉機室為C20鋼筋混凝土。

3.4 供水取水口優化設計

水庫水溫為穩定分層型，采用水科院朱伯芳公式對水庫垂向水溫進行初步分析，水庫正常蓄水位為1430.0m，灌溉及壩后生態機組取水口高程為1382.5m，根據水庫的調度運行，則在庫下25～45m區間取水，初步分析取水溫度在12℃～17℃之間，初步分析，水溫對灌區農作物生長及壩下魚類的產卵繁殖及生長產生影響不大，本階段按不分層取水方式設計，下階段根據環評專題的最終分析結果，考慮是否設置分層取水方式。供水取水口布置于右壩段非溢流壩體內，中心線樁號為0+075.213m。取水口進口底板高程為1376.00m，高于淤沙高程1374.50m。進口為三面收縮的喇叭型，孔口尺寸為3.0×3.5m（寬×高）；攔污柵后設置1扇檢修閘門，孔口尺寸為1.5×1.5m；閘門后接φ1500的壓力鋼管，鋼管中心線高程1376.75m，管長14.00m，引水至大壩下游，與輸水鋼管相連。

3.5 發電取水口

發電引水線路布置在右岸，取水口的布置根據大壩右岸地形、地質條件，在盡量減小施工干擾和運行管理便利的前提下[2]，應盡可能靠近底孔，使取水口“門前清”并縮短引水線路長度，故將取水口布置在大壩右岸非溢流壩段。由于該處地形較陡，為方便取水和便于施工，取水口采用塔式鋼筋混凝土結構。為保證不形成有害漩渦，取水口底板高程需滿足淹沒深度要求，且應高于水庫淤沙高程。取水口進口段由喇叭口和閘門井組成。喇叭口采用三面收縮，底板水平，頂部及左右側為曲面。喇叭口前部設一扇活動式攔污柵，孔口尺寸為3.5×3m（b×h）。喇叭口后接閘門井，閘門井形式為井筒式結構，設置一道平板檢修門，孔口尺寸為1.5×1.5m（b×h），其后設800×1000mm的通氣孔兼進人孔。

4 結束語

興建觀音巖水庫，可以保障當地經濟社會發展用水安全，支撐當地經濟社會快速發展，有效解決工程性缺水問題。可研階段推薦采用碾壓混凝土雙曲拱壩方案，其樞紐建筑物主要包括擋水壩、壩頂設閘溢流表孔、沖沙兼放空底孔、供水取水口等。水工建筑物優化設計方案經評審，技術上可行，經濟上優越，已通過相關主管部門批準建設。

參考文獻

[1]呂朝陽，劉建，黃桂江.平班水電站水工建筑物設計優化[J].紅水河，2007（01）：37-39.

[2]胥畢遠.水工建筑物結構設計關鍵問題初探[J].河南水利與南水北調，2013（02）：8，11.

作者簡介：吳偵輝（1986，4-），男，陜西安康，大學本科，助理工程師，主要從事水利水電工程水工設計工作。