曲靖市麒麟區新建發脈水庫樞紐工程設計

尹 蕾

(云南省曲靖市水務局 655000)

1 發脈水庫概況

發脈水庫位于曲靖市東南方向，東山鎮石頭寨村委會境內，距曲靖市80km，距東山鎮25km，地處珠江流域西江水系南盤江支流篆長河上游，徑流面積2.9km2，總庫容111.70萬 m3，興利庫容89.84萬 m3，死庫容1.2萬m3，主要解決下游石頭寨村委會5611人的生活用水和412.4hm2的耕地灌溉任務，保護下游村莊、耕地、道路，是一座以人飲和灌溉為主，兼顧防洪的小(1)型水庫。工程等別為四等，大壩、輸水隧洞、溢洪道為4級建筑物，次要建筑物和臨時建筑物為5級建筑物。設計洪水標準按30年一遇洪水設計(水位2020.18m)，300年一遇洪水校核(水位2020.89m)，施工導流洪水按5年一遇設計，下游消能防沖設施洪水按20年一遇洪水設計，渡汛洪水標準按20年一遇洪水設計。灌溉設計保證率P=75%，人飲供水保證率P=95%。

2 樞紐工程設計

2.1 樞紐工程總體布置

發脈水庫大壩為黏土心墻堆石壩，樞紐工程由大壩、輸水隧洞和溢洪道組成。壩軸線布置在距老壩軸線下游140m處，壩址呈“U”形河谷，地層連續，兩岸山體寬厚。壩基及左、右壩肩出露巖層為砂、粉砂巖，清除上部殘坡積層及風化破碎帶后，能滿足壩體對壩基的抗滑、承載力等要求。溢洪道布置在大壩右岸，為開敞式正槽溢洪道，校核洪水位為2020.89m，設計洪水位為2020.18m，相應下泄流量分別為19.7m3/s和12.39m3/s，全長189m。渠底采用C20混凝土、鋼筋混凝土澆筑，厚0.3m，邊墻采用M7.5漿砌石支砌，頂寬0.5m，底寬0.74～1.70m，高0.5～2.7m;輸水隧洞布置在大壩右岸，為直墻圓拱形鋼筋混凝土無壓隧洞，斷面尺寸(寬×高 ×拱矢 =1.5m×1.05m×0.75m)，全長203m，并設0.8m×0.8m平板鋼閘門工作閘和檢修閘各一道，允許最大過流 6.43m3/s，設計流量為0.5m3/s。

2.2 大壩設計

2.2.1 壩頂高程及壩高確定

大壩正常超高0.5m，非常超高0.3m。吹程D=0.4km;風向與壩軸線夾角α=20°;上游干砌塊石護坡壩坡粗糙系數K=0.75。采用官廳水庫公式計算:波浪高度，2hc=0.0166Uf5/4D1/3(m);波浪爬高，hB=3.2k(2hc)tanα(m);正常應用風速采用平均最大風速的1.5倍，V=15×1.5=22.5m/s;非常應用風速取平均最大風速15m/s。

經計算，正常應用工況下波浪爬高為0.84m;非常應用工況下波浪爬高為0.53m;正常蓄水位壩頂高程為2018.22+0.84+0.5=2019.56m;設計洪水位壩頂高程為2020.18+0.84+0.5=2021.52m;校核洪水位壩頂高程為2020.89+0.53+0.3=2021.72m;壩頂高程確定為 2021.44m，防浪墻高 0.9m，墻頂高程2022.34m。

大壩為黏土心墻堆石壩，壩高44.14m，壩頂高程2021.44m，壩軸線長154.12m，壩頂寬度5.0m，壩頂為泥結石路面。

2.2.2 大壩斷面尺寸及壩體填筑材料

上游壩面在2010.00m高程以上至坡頂坡比為1∶1.7，在2010.0m高程以下至1991.0m高程以上坡比為 1∶1.8，在 1991.0m 高程以下坡比為 1∶1.9，在1991m處設寬1.5m的戧臺;下游壩面在2010.00m高程以上至坡頂坡比為1∶1.5，在2010.00m高程以下至1991.0m高程以上坡比為1∶1.6，在1991.0m高程以下坡比為1∶1.7，在1991m、2010m處分別設寬1.5m的馬道各1條，上、下游壩坡為干砌石護坡。心墻頂寬3m，心墻軸線位于壩軸線偏向上游0.5m處，心墻上、下邊坡比為1∶0.2，底部做混凝土蓋板，厚0.35m，截槽上、下游為1∶0.5的邊坡，底部伸入基巖1.5m，底寬隨高程的變化改變，最少不小于3m，最大底寬16m。

大壩設計為黏土心墻堆石壩，心墻采用黏土料填筑，上下游壩殼采用堆石料填筑，堆石料設計干容重20kN/m3，滲透系數 K1=1.0 ×10－2cm/s。過渡料滲透系數K2=1.0×10－2cm/s，反濾料滲透系數K3=1.0×10－3cm/s。心墻底部基礎面沿軸線做16m寬，0.35m厚的混凝土墊層，其余基礎面用C20混凝土補平。心墻防滲料設計干容重19kN/m3，滲透系數K4=3.77×10－6cm/s。填筑材料級配曲線如下圖所示。

壩體填筑材料級配曲線圖

2.2.3 防滲帷幕灌漿設計

a.防滲方案。發脈水庫在正常蓄水位以下存在中等透水層，厚度為15.0～25.5m，產生壩基及繞壩滲漏，經計算，壩基滲漏量為4.01萬m3/年，繞壩滲漏量為9.3萬m3/年，總的滲漏量為13.31萬m3/年，占有效庫容的12.1%，需對壩基、壩肩進行防滲處理。

b.壩基帷幕灌漿參數確定及工作量。防滲處理采用直線單排接地式帷幕，帷幕軸線偏向壩軸線上游0.50m，處理范圍為大壩壩基及兩壩肩段，帷幕線總長215m。灌漿孔間距確定為2.0m。帷幕深度5～32.62m。基巖透水率q≤10Lu。共布設帷幕灌漿鉆孔109個，鉆孔總進尺3827m;灌漿總進尺2451.6m，均為基巖;共布置檢查孔11個，鉆探進尺383m。注水試驗49段。

2.2.4 大壩穩定校核

a.大壩滲流穩定計算結果。滲流計算采用河海大學工程力學研究所AutoBank5.5程序計算。計算結果表明，心墻下游滲透水力坡降2.79～9.27，必須設置反濾保護，其余壩基、壩體下游出逸點部位的滲透水力坡降0.02～0.11，滲流穩定，無需設置倒濾體。

b.大壩壩坡穩定計算參數與結果。大壩穩定計算采用河海大學工程力學研究所HH－slope程序有效應力—簡化畢肖普法計算。計算參數見下頁表。在18個工況下，壩坡穩定計算系數均大于規范要求，其中，最小值設計洪水位穩定滲流期+7度地震系數為1.323，大于規范允許值【Kc】=1.10，最大值校核洪水位穩定滲流期系數為2.017，大于規范允許值【Kc】=1.15。

壩坡穩定計算采用的物理力學指標表

2.2.5 壩體沉降計算

壩體沉降變形計算采用分層總和法，沉降公式如式(1)。

式中 St——壩基總沉降量;

n——土層分層數;

eio——第i層的起始孔隙比;

eit——第i層相應于竣工時或最終的豎向有效應力作用下的孔隙比;

hi——第i層的土層厚度。

計算時土層劃分為10層，計算結果:心墻的沉降量為152cm，但大部分沉降約70%在施工期間完成，剩余46cm，按《碾壓式土石壩設計規范》規定，土質防滲體預留沉降量為最大壩高的1%，約44cm，因此，確定壩體預留沉降超高為50cm。

2.3 輸水隧洞設計

2.3.1 泄流量計算

當水深大于閘門開度時采用式(2)計算，當水深小于閘門開度時采用式(3)計算。計算結果，庫水位2020.89m，開度 0.8m，泄流量 6.43m3/s，庫水位1991.00m，開度0.1m，泄流量0.13m3/s。

2.3.2 閘后無壓段水面線計算

無壓段水面線根據能量方程，用分段求和法計算，計算公式見式(4)、式(5)。在校核洪水位情況下，無壓段水深為0.49～1.24m。最大凈空高度0.56m大于規范值0.4m，最小凈空面積大于隧洞斷面積的15%，滿足規范要求。

2.3.3 消能計算

采用等寬矩形斷面下挖式消力池消能，計算結果為消力池池長12m，池深1.5m，池寬2.0m。池深，d=σh2－h1－Δz;m。

消力池尾部出口水面跌落，ΔZ;m。

池長Lr=0.8×h1×9.5(Fr1－1)。

2.3.4 結構計算

a.抗滑穩定安全系數計算。見式(6)，閘室的抗滑穩定安全系數Kc=3.08＞［k］=2.3。

式中 Kc——沿閘室基底面的抗滑穩定安全系數;

∑G——作用在閘室上的全部豎向荷載(包括閘室基礎底面上的揚壓力在內)，kN;

∑H——作用在閘室上的全部水平向荷載，kN;

A——閘室基底面的面積，m2;

f'——閘室基底面與巖石地基之間的抗剪斷摩擦系數;

C'——閘室基底面與巖石地基之間的抗剪斷黏聚力，kPa。

∑G——作用在閘室上的全部豎向荷載，kN;

∑M——作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對于基礎底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m;

A——閘室基底面的面積，m2;

W——閘室基底面對于該底面垂直水流方向水位形心軸的截面矩，m3。

c.巖基上啟閉塔抗傾覆穩定計算。見式(8)，K0=1.39＞［K］=1.3。

式中 K0——塔基抗傾覆穩定安全系數;

∑MV——對塔基前趾的抗傾覆力矩，kN·m;

∑MH——對塔基前趾的傾覆力矩，kN·m。

2.4 溢洪道設計

2.4.1 水力計算

a.泄流流量計算。溢洪道的泄流流量按滿足設計洪水和校核洪水調洪下泄流量確定，校核洪水下泄流量為19.7m3/s，堰上水位為2020.89m;設計洪水下泄流量為12.39m3/s，堰上水位為2020.18m。溢洪道堰頂高程為2018.22m，堰型為寬頂堰，為無閘控制，凈寬3m，其出流量按公式(9)計算。

式中，m——堰的流量系數，取m=0.34。

b.泄槽水力計算。以進口為起點經水面曲線計算求得第一段陡坡末端水深為0.50m，流速14.12m/s;第二段陡坡末端水深為0.49m，流速14.41m/s。

c.消力池尺寸。消力池設計標準按P=5%時的調洪下泄流量進行設計，設計流量為11.09m3/s，底流消能，經計算，躍前水深，h＇=0.30m，躍后水深 h″=2.90m;水躍長，Lj=17.95m;消力池長，Lk=14.36m;消力池深度，σh2=1.05×2.90=3.05m;池后水深，ht=1.5m，Δz=0.22m;消力池挖深，S=3.05－1.5－0.22=1.35m。消力池長取15m，池深取2m。

2.4.2 穩定復核

a.邊墻穩定計算。邊墻抗滑穩定系數K =∑fW/∑P，【Kc】=1.05，巖體為Ⅳ類，f=0.7。取陡坡段邊墻壁進行計算:邊墻自重W=2.36t/m;作用滑動面上的法向分量 Wp=2.36cosθ;Wp=2.36cos25°10'=2.36×0.905=2.13t;作用滑動面上的切向分量P=2.36sinθ=2.36sin25°10'=2.36 ×0.425=1.0t;K=0.7×2.13/1=1.49＞【Kc】=1.05，滿足穩定要求。

b.底板抗滑穩定計算。泄槽段底板抗滑穩定的計算選擇在第一陡坡段的最不利位置。

式中 K——抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數;

f——底板混凝土與基巖接觸面的抗剪斷磨擦系數，取0.8;

∑W——作用于底板上的全部荷載對計算滑動面的法向分力;

∑P——作用于底板上的全部荷載對計算滑動面的切向分力。

經計算，K=1.69＞【1.2】，滿足穩定要求。

3 結語

發脈水庫樞紐工程設計，在詳細的水文、地質約束條件下，通過周全的水力和結構計算，大壩、輸水隧洞、溢洪道穩定，結構安全。發脈水庫于2010年7月正式實施，至今未發生工程變更，驗證了設計的合理性。