白歲河水庫(kù)泄洪建筑物布置與設(shè)計(jì)計(jì)算

摘" 要：泄洪建筑物作為汛期大壩攔蓄洪水和泄洪消能的核心構(gòu)建物，其設(shè)計(jì)合理性直接影響到大壩運(yùn)行的安全穩(wěn)定乃至整個(gè)工程的成敗。針對(duì)白歲河水庫(kù)右岸坡地形為順向坡、開(kāi)挖邊坡較高等問(wèn)題，經(jīng)泄洪建筑軸線(xiàn)、結(jié)構(gòu)型式和布置形式的對(duì)比分析，設(shè)計(jì)優(yōu)選左岸岸坡側(cè)槽溢洪道方案，并對(duì)溢洪道關(guān)聯(lián)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算論證。分析成果表明，優(yōu)選的凈寬8 m的開(kāi)敞式溢洪道方案與工程特性具有較好的匹配性，溢洪道結(jié)構(gòu)參數(shù)及抗滑穩(wěn)定等特性參數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。設(shè)計(jì)成果可為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)和施工提供方法和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

關(guān)鍵詞：泄洪建筑物；溢洪道；WES堰面；白歲河水庫(kù)；結(jié)構(gòu)參數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TV653" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）17-0119-04

Abstract： As the core structure of flood storage， flood discharge and energy dissipation of the dam in flood season， the rationality of its design directly affects the safety and stability of the dam operation and the success or failure of the whole project. Aiming at the problem that the topography of the right bank slope of Baisuihe Reservoir is a forward slope and the excavated slope is higher， through the comparative analysis of the axis， structure type and layout form of the flood discharge building， the spillway scheme of the left bank slope is designed and optimized， and the related technical parameters of the spillway are calculated and demonstrated in detail. The analysis results show that the optimized open spillway scheme with a net width of 8 meters has a good match with the engineering characteristics， and the structural parameters and anti-sliding stability of the spillway meet the requirements of the code. The design results can provide some methods and experience for the design and construction of similar projects.

Keywords： flood discharge structure; spillway; WES Weir surface; Baisuihe Reservoir; structural parameters

山區(qū)水庫(kù)設(shè)計(jì)流域內(nèi)洪水受暴雨影響較大，洪水呈現(xiàn)洪峰量大且短時(shí)集中、陡漲陡落等特點(diǎn)[1]。水庫(kù)工程規(guī)劃建設(shè)中，泄洪建筑物能否可靠攔蓄洪水和泄洪消能，直接影響到工程質(zhì)量、防洪度汛及水資源調(diào)配的經(jīng)濟(jì)可靠性，甚至關(guān)系到整個(gè)工程的成敗[2-3]。白歲河水庫(kù)采用混凝土面板堆石壩壩型，結(jié)合壩址左右兩岸地形條件及河道走向，開(kāi)展泄水建筑物軸線(xiàn)、結(jié)構(gòu)型式和布置形式等方面的研究，以解決好水庫(kù)大壩汛期洪水的可靠泄洪、充分消能和降低下游沖刷破壞等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，確保工程高效優(yōu)質(zhì)施工建設(shè)。

1" 工程概況

白歲河水庫(kù)地處松桃苗族自治縣甘龍鎮(zhèn)大水溪中游，距甘龍鎮(zhèn)約7 km。壩址以上控制流域面積3.18 km²，多年平均徑流量229萬(wàn)m³，多年平均流量0.073 m³/s。水庫(kù)校核洪水位691.72 m，正常蓄水位690.00 m，死水位668.00 m，總庫(kù)容137萬(wàn)m³，興利庫(kù)容114.47萬(wàn)m³。工程任務(wù)是鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村人畜供水和灌溉供水，年供水總量155.1萬(wàn)m³，為Ⅳ等小（1）型工程。水庫(kù)是松桃縣重要的水源工程之一，其建設(shè)可解決甘龍鎮(zhèn)24 152人的安全飲水及800畝（1畝約等于667 m²）水田的灌溉用水，對(duì)解決當(dāng)?shù)毓こ绦匀彼退Y源供需矛盾，提高農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)能力和促進(jìn)當(dāng)?shù)孛撠氈赂唬哂蟹浅Ｖ匾淖饔谩?/p>

2" 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

壩址區(qū)位于四水塘支溝交匯處下游，距下游黃家村約1.2 km，該壩址壩段長(zhǎng)約200 m，河流總體流向近南北向，自北流向南；壩址段河谷為基本對(duì)稱(chēng)“V”字型谷，河床高程654～661 m，設(shè)計(jì)正常高水位690 m時(shí)，谷口寬84.7 m，寬高比2.6；左、右岸山脊高程大于800 m。壩址兩岸地形相對(duì)單一，總體為山脊地形側(cè)面，左岸坡面較平整，起伏差較小；右岸下部稍有起伏，下游有小型沖溝發(fā)育。兩岸總體地形坡度30～45°。河床寬10～20 m，河流比降約1.41%，總體較平緩，壩軸線(xiàn)下游約114 m有跌坎發(fā)育，跌坎帶比降約12.5%，總高差約16 m。

壩址區(qū)主要出露奧陶系下統(tǒng)地層（O1）、第四系（Q）。巖體較完整，巖層呈單斜產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀為N0°～20°E/SE∠45°～60°，總體傾向左岸，壩址區(qū)未見(jiàn)大的地質(zhì)構(gòu)造形跡，主要發(fā)育3組裂隙。物理地質(zhì)現(xiàn)象主要為巖體風(fēng)化卸荷，左岸覆蓋層厚0～2 m，強(qiáng)風(fēng)化層厚4～6 m，弱風(fēng)化層厚6.5～8.5 m；右岸覆蓋層厚0～2 m，強(qiáng)風(fēng)化層厚4～6 m，弱風(fēng)化層厚6～8 m；河床覆蓋層厚1～6 m，強(qiáng)風(fēng)化層厚3.5～5 m，弱風(fēng)化層厚5～7 m。（O₁d²～O₁d³）碎屑巖夾少量不純碳酸鹽巖地層，屬弱巖溶含水～相對(duì)隔水層，地下水類(lèi)型以基巖裂隙水為主。兩岸山體較雄厚，根據(jù)ZK-4、ZK-5、ZK-6鉆孔地下水位觀測(cè)結(jié)果可知，兩岸地下水補(bǔ)給河床，推測(cè)左岸地下水坡降5%～40%；右岸地下水坡降為15%～40%。根據(jù)壓水資料分析弱風(fēng)化以上巖體透水率較高，一般大于5 Lu，局部注水；微風(fēng)化至新鮮巖體透水率低，一般小于3 Lu。

3" 泄洪建筑物選擇

3.1" 泄水建筑物軸線(xiàn)選擇

從地形地質(zhì)條件上看，兩岸均可布置溢洪道，巖層產(chǎn)狀陡傾向左岸，即左岸為逆向坡，右岸為順向坡，傾角約40～60°，兩岸巖性為泥灰?guī)r、泥巖等較軟巖，覆蓋層較薄，大部分基巖裸露，自然邊坡穩(wěn)定性較好。右岸為順向坡，邊坡開(kāi)挖坡比較左岸大，若溢洪道布置在右岸，引渠和泄槽開(kāi)挖后邊坡問(wèn)題較突出，右岸溢洪道方案開(kāi)挖量較大，投資明顯比左岸溢洪道方案高。另外，溢洪道布置在左岸，溢洪道下泄水流更易歸入河道，同時(shí)還會(huì)避免干擾取水兼放空系統(tǒng)的布置。因此，結(jié)合壩址下游河道走向，從減少工程投資，溢洪道下泄水流能更好地歸入河道的角度出發(fā)，溢洪道選擇布置在左岸更合理。

3.2" 泄水建筑物結(jié)構(gòu)型式比選

根據(jù)面板堆石壩樞紐布置調(diào)洪演算，水庫(kù)最大下泄流量為36.2 m³/s，且最大壩高為42.8 m，采用正槽式溢洪道和側(cè)槽溢洪道均可行。

3.2.1" 左岸正槽溢洪道

由引渠段、控制段、泄槽段、消力池段和尾水渠段組成，其中，溢洪道引渠段長(zhǎng)42.087 m；控制段位于引渠段末端，控制段長(zhǎng)2.726 m，溢流凈寬8.0 m，開(kāi)敞式溢流；泄槽段分為樁號(hào)溢0+004.435～溢0+005.958和樁號(hào)溢0+008.609～溢0+078.839，連接段采用拋物線(xiàn)，方程為y=0.1x+0.044x²；溢洪道泄槽與消力池采用圓弧相接，圓弧半徑5.0 m；消力池長(zhǎng)20.0 m，池深1 m，寬6.0 m，邊墻高4.1 m。消力池后用尾水渠將水引入河道，采用臺(tái)階消能形式，臺(tái)階寬0.75 m，高0.25 m。

3.2.2" 左岸側(cè)槽溢洪道

采用開(kāi)敞式溢洪道，由控制段、側(cè)槽段、調(diào)整段、泄槽段、消力池段和尾水渠段組成。其中，控制段為開(kāi)敞式溢流實(shí)用堰，側(cè)堰溢流凈寬8 m，堰頂高程為690.00 m，溢流堰采用WES實(shí)用堰，堰面曲線(xiàn)首段為橢圓曲線(xiàn)；側(cè)槽段首端底寬5.347 m，末端底寬6.0 m，與泄槽同寬；調(diào)整段長(zhǎng)度7.0 m，底板為水平的；調(diào)整段后接泄槽段，泄槽段分為樁號(hào)溢0+015.42～溢0+021.378和樁號(hào)溢0+024.029～溢0+094.258，連接段采用拋物線(xiàn)；溢洪道泄槽與消力池采用圓弧相接，圓弧半徑5.0 m，消能防沖按20年一遇洪水設(shè)計(jì)，Q=21.3 m³/s。消力池長(zhǎng)20.0 m，池深1 m，寬6.0 m，邊墻高4.1 m；消力池后用尾水渠將水引入河道，采用臺(tái)階消能形式，臺(tái)階寬0.75 m，高0.25 m。

3.2.3" 溢洪道結(jié)構(gòu)型式選擇

溢洪道布置于左岸，正槽和側(cè)槽溢洪道軸線(xiàn)基本一致。正、側(cè)槽溢洪道的主要差別在于泄槽前進(jìn)水渠段和調(diào)整段，雖正槽溢洪道水力條件較好，但左岸壩端處地形較平直，為水流平順，布置正槽溢洪道需要設(shè)置較長(zhǎng)引渠段，由于岸坡陡峭，引渠段開(kāi)挖量較大，相應(yīng)的支護(hù)量較大，在其他條件均相當(dāng)?shù)那闆r下，修建側(cè)槽溢洪道，可減少開(kāi)挖和邊坡支護(hù)工程量，減少投資59.46萬(wàn)元。因此，設(shè)計(jì)優(yōu)選側(cè)槽溢洪道作為左岸溢洪道方案。

3.3" 泄水建筑物布置形式比選

壩址區(qū)地形地質(zhì)條件采用岸坡溢洪道與壩頂溢洪道均可行，為優(yōu)選技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)優(yōu)越的泄水建筑物布置形式，從水力條件、工程總布置、工程投資等方面進(jìn)行對(duì)比分析[4]，比選成果見(jiàn)表1。

從表1對(duì)比成果可知，壩頂溢洪道方案雖比岸坡溢洪道方案投資節(jié)省16.8萬(wàn)元，但壩頂溢洪道方案增加了施工難度和干擾，增加了施工工期。另外，面板堆石壩采用壩頂溢洪道，會(huì)受大壩堆石壩結(jié)構(gòu)形變的影響，增加了工程運(yùn)行的隱患和風(fēng)險(xiǎn)。因此，岸坡溢洪道方案要優(yōu)于壩頂溢洪道方案，優(yōu)選岸坡溢洪道方案。

3.4" 消能方式選擇

由于泄流采用不設(shè)閘的自由溢流方式，下泄流量變幅大且具有隨機(jī)性，消力池下游出口尾水較淺，故不適宜選用面流消能和戽流消能。溢洪道尾端基巖為奧陶系下統(tǒng)大灣組第二段（O1d2）紫紅、灰綠色泥灰?guī)r夾泥巖，巖體為軟至較軟巖，抗沖刷能力較差，且泄槽方向與河流方向存在一定的交角，水流歸槽不平順，故不宜選用挑流消能。而底流消能后水流平穩(wěn)，對(duì)河床沖刷影響較小。綜上所述，白歲河水庫(kù)消能方式選擇底流消能更為合理。

3.5" 泄洪方式比選

由于白歲河水庫(kù)工程規(guī)模較小，庫(kù)區(qū)正常水位以上不存在淹沒(méi)制約條件，從方便后期安全運(yùn)行角度考慮，推薦不設(shè)閘方案。根據(jù)工程規(guī)模、洪水標(biāo)準(zhǔn)及洪峰流量，結(jié)合河床寬度，選擇溢流凈寬7、8、9 m共3種方案進(jìn)行比選，其中溢流凈寬7 m工程總投資為4 549.14萬(wàn)元；溢流凈寬8 m工程總投資為4 438.39萬(wàn)元；溢流凈寬9 m工程總投資為4 597.32萬(wàn)元。溢流凈寬8 m方案總投資是3種方案中投資最省的，為4 438.39萬(wàn)元，設(shè)計(jì)開(kāi)敞式溢流凈寬8 m泄洪方式。

4" 泄水建筑物設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1" 堰面曲線(xiàn)確定

4.2" 泄流能力計(jì)算

4.3" 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

溢流堰堰體高3.2 m，底寬8.0 m，堰體材料為C25鋼筋混凝土。抗滑穩(wěn)定按抗剪強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算，成果見(jiàn)表3。

從表3可知，基本組合情況K′gt;3.0，特殊組合1情況K′gt;2.5，堰體抗滑穩(wěn)定滿(mǎn)足規(guī)范要求，溢流堰堰體結(jié)構(gòu)安全可靠。

4.4" 泄槽水面線(xiàn)計(jì)算

溢洪道泄槽邊墻高度按宣泄校核洪水確定，同時(shí)滿(mǎn)足水流摻氣和安全超高要求。邊墻安全超高0.5～1.5 m，根據(jù)能量方程分段求和得各斷面水深及流速成果，見(jiàn)表4。

根據(jù)表4可知，邊墻高度取2.0 m可以滿(mǎn)足水流摻氣和規(guī)范要求的安全超高要求。

4.5nbsp; 底流消能計(jì)算

消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)上游水位為691.21 m，消力池出口下游消能防沖水位為664.25 m，相應(yīng)下泄流量21.3 m³/s。根據(jù)大壩基礎(chǔ)地質(zhì)情況，消力池底板高程取為663.00 m，計(jì)算得自由水躍長(zhǎng)度L=23.6 m，消力池長(zhǎng)度長(zhǎng)：Lk=0.8 L=18.88 m，取Lk=20.0 m。

5" 結(jié)束語(yǔ)

白歲河水庫(kù)是銅仁市甘龍鎮(zhèn)農(nóng)村飲水安全工程重要的水源工程。為確保水庫(kù)大壩汛期攔蓄洪水和泄洪消能等工程正常穩(wěn)定發(fā)揮，設(shè)計(jì)充分考慮壩址區(qū)河道走向、地質(zhì)條件及兩岸地形對(duì)泄洪建筑物結(jié)構(gòu)型式和布置的影響，從溢洪道軸線(xiàn)、結(jié)構(gòu)型式和布置形式等方面對(duì)泄洪建筑物選擇進(jìn)行了詳細(xì)論證分析，并對(duì)溢洪道的堰面曲線(xiàn)、泄流能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等進(jìn)行了計(jì)算。設(shè)計(jì)優(yōu)選的左岸岸坡側(cè)槽溢洪道方案，具有較好地質(zhì)適宜性、布置合理性、邊坡穩(wěn)定性和投資經(jīng)濟(jì)性，可為工程順利優(yōu)質(zhì)施工提供重要的設(shè)計(jì)技術(shù)保障。

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