刁口水庫泄水建筑物泄洪消能設(shè)計(jì)

任衍紅

（臨汾市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 山西 臨汾 041000）

1 工程概況

蒲縣刁口水庫位于臨汾市蒲縣城南約8km處棗林鎮(zhèn)屯里村，是黃河流域昕水河水系一級(jí)支流南川河支流的屯里溝河上的小（一）型水庫，是一座以城鎮(zhèn)生活和工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼有防洪等綜合利用的水利樞紐工程。刁口水庫是山西省大水網(wǎng)中部黃蒲縣供水工程配套的調(diào)蓄水庫，已列入《山西省黃河流域小型水庫更新建設(shè)規(guī)劃（2011-2015年）》。

壩址位于屯里溝口上游3.18km處，河谷寬約80m，河槽寬8m～13m，河底高程1097.1m～1098.7m，河床及左、右兩岸基巖裸露，上部為黃土覆蓋。左岸岸坡較陡，右岸較緩，右岸有階地分布。主河槽壩基以厚層砂巖、礫巖為主，夾薄層、微薄層泥巖、砂質(zhì)泥巖。左、右壩肩岸坡為厚層砂巖、薄層砂質(zhì)泥巖、泥巖，巖層較緩，巖層傾角4°～11°，巖層傾向左岸偏下游，節(jié)理裂隙發(fā)育。

水庫壩址以上控制流域面積55.6km2，多年平均徑流量為145.79萬m3，200年一遇洪峰270.56m3/s，100年一遇洪峰213.1 m3/s，50年一遇洪峰 156.3m3/s，30年一遇洪峰150.1m3/s，5年一遇洪峰94.1m3/s。

刁口水庫為自密實(shí)砼堆石重力壩，工程樞紐建筑物分為四個(gè)壩段，自左向右依次為左岸擋水壩段、灌溉輸水洞壩段、泄洪排沙洞壩段、右岸擋水壩段。大壩為自密實(shí)砼堆石重力壩，最大壩高40.5m，壩頂寬9.0m，壩頂全長(zhǎng)165m。水庫總庫容184.67萬m3，工程等別為Ⅳ等，規(guī)模為小(1)型。大壩洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇設(shè)計(jì)，為200年一遇校核。

2 泄洪方案選擇

大壩采用自密實(shí)砼堆石重力壩，可利用壩身布孔或壩頂溢流解決水庫防洪問題，且可在主河槽壩段設(shè)置泄洪排沙底孔，利用異重流排沙、蓄清排渾等運(yùn)行方式有效解決山區(qū)多沙河流上洪水大、泥沙多、淤積嚴(yán)重、正常使用年限短等問題。

2.1 洪水調(diào)節(jié)原則

水庫洪水調(diào)節(jié)的起調(diào)水位為汛限水位，本水庫的汛限水位與正常蓄水位相同為1131.0m。由于水庫下游沒有防洪要求，水庫洪水調(diào)節(jié)不設(shè)限制泄量，為保障水庫的正常蓄水位，當(dāng)汛期有洪水入庫時(shí)，開啟泄洪洞閘門開始泄洪，洪水起漲初期階段，應(yīng)使庫水位保持在汛限水位，隨著庫水位的逐漸升高，閘門開啟度根據(jù)水庫水位決定。當(dāng)庫水位達(dá)到汛限水位以上0.5m時(shí)，泄洪洞閘門開啟三分之一；當(dāng)庫水位達(dá)到汛限水位以上1.0m時(shí)，泄洪洞閘門開啟三分之二；當(dāng)庫水位達(dá)到汛限水位以上1.5m時(shí)，泄洪洞閘門全部開啟。洪峰過后，水庫水位開始回落，調(diào)整閘門開啟度，當(dāng)庫水位下降到汛限水位以下1.5m時(shí)，泄洪洞閘門關(guān)閉三分之一；當(dāng)庫水位下降到汛限水位以下1.0m時(shí)，泄洪洞閘門關(guān)閉三分之二；當(dāng)庫水位下降到汛限水位以下0.5m時(shí)，泄洪洞閘門逐漸關(guān)閉，直到水庫水位回落到汛限水位，洪水結(jié)束，閘門全部關(guān)閉。

2.2 泄洪方案比較

表1 閘門調(diào)洪比較成果表

表2 閘門方案投資比較表

根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件，泄洪方案確定在大壩河槽處布置泄洪排沙洞，進(jìn)口底高程根據(jù)壩體灌漿排水廊道布置、壩前淤積高程、有利于排沙及施工導(dǎo)流方案綜合考慮，從而確定進(jìn)口洞底高程為1104.0m。根據(jù)水庫的調(diào)度方式進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，孔口尺寸按 4.5m×4.5m、3.6m×3.6m、3.0m×3.0m三個(gè)方案進(jìn)行調(diào)洪，比較成果見表1。

經(jīng)調(diào)洪計(jì)算，三組閘門均滿足泄洪要求，其泄洪方案的結(jié)構(gòu)布置相差不大，都能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水力設(shè)計(jì)要求。方案一的泄洪排沙洞孔口尺寸較大，泄流能力強(qiáng)，不便于水庫運(yùn)行管理，方案三泄洪排沙洞孔口尺寸較小，泄流能力不夠，且不利于排沙，造成校核洪水位較高。三組閘門泄洪方案投資比較見表2。

經(jīng)綜合比較，選用3.6m×3.6m表孔為該工程泄洪方案。

表3 挑流消能挑距及沖坑深度計(jì)算成果表

3 泄洪排沙洞結(jié)構(gòu)

泄洪排沙洞壩段長(zhǎng)15m，共1孔，位于大壩樁號(hào)0+075～0+090，泄洪排沙洞是樞紐主要的泄洪排沙建筑物，采用有壓短進(jìn)口無壓壩身泄水孔型式。最大泄量233.37m3/s，為單孔洞，洞長(zhǎng)53.2m，孔口尺寸為：檢修閘門3.6m×4.2m（寬×高），工作閘門3.6m×3.6m（寬×高），進(jìn)口底坎高程為1104.0m。

泄洪排沙洞布置在壩段右側(cè)，由進(jìn)口段、壓坡段、明流段組成。采用喇叭形進(jìn)口，進(jìn)口頂部及側(cè)面均采用四分之一橢圓曲線，底部采用半徑為0.5m的1/4圓弧曲線；頂部曲線方程為x2/4.22+y2/1.42=1，其軸線為一水平線，側(cè)面曲線方程為x2/2.72+y2/0.92=1。進(jìn)口段后布置進(jìn)水塔，內(nèi)設(shè)檢修閘門，啟閉機(jī)室設(shè)在壩頂上游側(cè)，啟閉平臺(tái)高程1140.2m，檢修平臺(tái)高程1131.2m；在檢修閘門與工作閘門之間設(shè)壓坡段，工作門為弧形鋼閘門，門鉸設(shè)計(jì)安裝高度4.8m，弧門面板半徑7.2m。啟閉機(jī)房設(shè)在大壩下游側(cè)，啟閉平臺(tái)高程1124.5m。該壩段左側(cè)設(shè)樓梯從壩頂通往工作閘門啟閉平臺(tái)（1135m～1124.5m），啟閉平臺(tái)寬6.5m。從啟閉平臺(tái)再設(shè)樓梯通往1114.0m（1124.5m～1114m）平臺(tái)，平臺(tái)寬8.4m，長(zhǎng)17.9m，與相鄰灌溉洞壩段相通。

按照設(shè)計(jì)工作水頭，閘后底板在0+015.3處與i=1/50的斜線段相接，直到0+035.7處與一圓弧相接至挑流鼻坎，鼻坎頂高程為1105.9m，反弧半徑25m，挑坎角度為25°。

4 消能計(jì)算

泄洪排沙洞采用窄縫式鼻坎挑流消能方式，挑流消能挑距及沖坑深度按有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。

4.1 挑流消能計(jì)算

泄洪排沙孔進(jìn)口底高程為1104.0m，后接水平段和i=1/50緩坡段，挑流鼻坎高程為1105.9m，反弧半徑為25m，挑角25°。

消能計(jì)算考慮設(shè)計(jì)洪水位1131.9m時(shí)，底孔泄量113.14m3/s；校核洪水位1133.7m時(shí)，底孔泄量233.37m3/s。

挑流消能挑距及沖坑深度采用《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中的公式進(jìn)行計(jì)算。

挑流水舌外緣挑距采用下式計(jì)算：

沖刷坑最大水墊深度采用下式計(jì)算：

設(shè)計(jì)洪水和校核洪水情況下挑距及最大沖刷坑深度計(jì)算結(jié)果見表3。

4.2 沖坑對(duì)建筑物的影響

《混凝土重力壩規(guī)范》規(guī)定挑流消能的安全挑距，應(yīng)不影響壩趾基巖穩(wěn)定，沖坑最低點(diǎn)距壩址的距離應(yīng)大于2.5倍坑深。由上表可知兩種情況下計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

晉西高原河流多屬山區(qū)型河流，峽谷地貌，在水庫建設(shè)中，泄洪建筑物在整個(gè)工程投資比重中占有很大比例，如何選擇經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的設(shè)計(jì)，對(duì)于加快骨干工程的建設(shè)有著積極意義。本文對(duì)刁口水庫泄洪排沙洞結(jié)構(gòu)從調(diào)洪結(jié)果和投資兩方面進(jìn)行了比較，最終選用3.6m×3.6m表孔為該工程泄洪方案。消能方式采用挑流消能，并對(duì)挑流消能挑距及沖坑深度進(jìn)行計(jì)算，均滿足規(guī)范要求，確保了工程的安全，提高了工程的效益。陜西水利

[1]SL319-2005混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.