那卡河水庫大壩溢洪道布置與設計計算

趙志遠，龍明星，李斌旭

(1.貴陽市水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550000；2.西安理工大學，陜西 西安 710048)

1 工程概況

那卡河水庫位于開陽縣永溫鄉，距開陽縣城區15km，是烏江中游右岸一級支流那卡河上的一座中型水庫。水庫主要任務為工業供水及農業灌溉，是《貴陽市水資源綜合利用與開發規劃》的重點水源點之一。壩址以上流域面積60.51km2，多年平均年徑流量2968.8×104m3。水庫正常蓄水位1007.5m，校核洪水位1008.89m，死水位959.5m，興利庫容為979.1×104m3，總庫容1062×104m3。水庫規模為中型，工程等別為Ⅲ等。工程建成后，年總供水量1093.8×104m3，其中向工業區供水1062×104m3，保證灌溉面積1200畝，補充灌溉水量31.8×104m3。總工期36m。工程靜態總投資21062萬元，總投資22097萬元。

2 地形地貌及水文地質條件

庫區河流為山區型河流，兩岸山體雄厚，河谷狹窄深切，相對高差為200～300m，岸坡地形坡度較陡。河谷走向大多一致，總體走向近北南向，與巖層走向近于平行，多為走向谷。河床高程為949～1016m，縱坡降為16‰，河床寬20～40m，河槽兩岸地形坡度一般為50°～85°，河谷橫斷面多為“V”型，局部河段河谷兩岸為陡立的箱型谷。庫區河谷兩岸1000～1035m高程處有不連續的寬緩平臺地分布，為耕地分布區。工程區河谷無低埡口，兩岸沖溝發育較少，主要有河邊沖、水頭上、高坎子、谷積分朵等少數沖溝發育，其發育方向多與河流流向近直角相交補給河流。主要地貌類型屬構造、剝蝕低中山山地地貌。

庫區位于處興隆場至鐵廠復式背斜中心洋水背斜東翼，構造形跡以NE～NNE向為主，山脊線與構造線基本一致，為單斜構造，庫區無斷裂構造發育，巖層產狀：傾向SE，傾角12°～35°。整個庫區庫盆及庫岸主要地層巖性為寒武系中上統婁山關群(∈2+3Ls)淺灰至深灰色薄夾中厚、厚層白云巖，為碳酸鹽巖巖溶含水巖組；右岸上部為石炭系下統大塘組(C1d)鋁土質頁巖，其上覆地層為P1L粘土(頁)巖、粉砂巖為隔水巖組，地下水主要為基巖裂隙水。庫區正常高蓄水位附近河谷兩岸偶見小規模的巖溶洞穴發育，巖溶發育程度弱，兩岸岸坡均有泉點出露，地下水補給河水，庫區河段河谷為補給型河谷。

3 泄洪建筑物設計

3.1 泄洪建筑物布置

溢洪道布置于壩0+065～壩0+091，由于河床相對狹窄，為使下泄水流進入主河道后不沖刷兩岸，壩頂溢洪道沿拱中心線對稱布置，共設3孔。溢流壩段總長26m，為閘門控制的壩頂表孔溢洪道，堰頂高程1004.5m，溢流堰采用WES實用堰，堰面曲線為：y=0.154x1.85。WES實用堰前與三圓弧相連，后與半徑R=4m的反弧相連，溢流面采用C35鋼筋混凝土結構。出口采用挑流消能，坎頂高程1001.34m，挑角α=15°。為減小泄洪對大壩安全的影響，在挑坎下游20m內設C25鋼筋混凝土護坦，厚1m，并采用Φ18錨筋錨入基巖，每隔3m梅花型布置。溢洪道每孔凈寬6m，孔間閘墩寬度從上游至下游由2m收縮至1.8m，長7.1m，閘墩上設寬4.0m的鋼筋混凝土交通橋。

3.2 泄水建筑物設計計算

3.2.1 堰型計算

那卡河水庫溢洪道堰型為WES實用堰，堰頂高程1004.5m，校核洪水位1008.89m，定型設計水頭Hd=(0.75～0.95)Hmax=3.29～4.17m，取Hd=4m，滿足規范要求。上游段曲線采用三心圓弧形：R1=0.5Hd=2.0m，S1=0.175Hd=0.7m；R2=0.2Hd=0.8m，S2=0.276Hd=1.104m；R3=0.04Hd=0.16m，S3=0.282Hd=1.128m。堰頂下游采用WES冪曲線[1- 2]，方程為y=0.154x1.85，計算成果見表1。

表1 WES冪曲線計算坐標點

3.2.2 泄流能力計算

溢洪道布置3孔，沿拱壩中心線對稱布置，每孔凈寬6m。

工況一：當閘門全開時，溢洪道的泄流能力按SL253- 2000《溢洪道設計規范》中開敞式WES型實用堰的泄流能力公式進行計算[3- 4]，即：

(1)

工況二：當閘門非全開時，按孔口泄流計算，泄流能力按SL253- 2000中帶胸墻孔口實用堰泄流能力公式計算[5]，即：

(2)

式中，Ak—出口處面積，m2；H0—自由泄流時為孔口中心線處的作用水頭，m；μ—孔口流量系數，此處取μ=0.70。

根據那卡河水庫洪水調度方式：當來水流量小于溢流堰泄流能力時，維持水庫水位保持在正常蓄水位，變幅可控制在±0.1m左右。隨著來水流量增大，加大閘門開啟度[6]。水庫閘門開度分4級運行，開度e分別為0.5m、1m、1.5m及2m，2m后閘門全開，溢流堰呈自由溢流，來水流量繼續增大，水庫水位繼續上升，直到最高水位，最大泄量等于來水流量。其后，隨著來水流量減少，水庫水位下降至正常蓄水位附近，逐漸關閉閘門，直到泄洪結束，閘門全關，庫水位仍回到正常蓄水位。在正常蓄水位時，開啟閘門，先是孔流狀態，當e/H0≥0.75時按堰流計算[7]。計算得溢洪道的泄流能力成果，見表2。

表2 溢洪道泄流能力計算表

從表2可知溢洪道滿足泄洪要求，泄洪消能防沖、設計洪水、校核洪水工況時，閘門全開。泄20年及5年一遇洪水時，閘門分別開2孔加1孔開2m及1孔全開。

3.2.3 泄槽水面線計算

溢流面水面線計算部分為溢洪道堰頂至反弧段挑坎，選取兩個代表斷面進行計算[8]，斷面1為WES曲線與反弧斷交點，斷面2為挑流坎頂，其計算公式為[9]：

(3)

其中：

式中，Δl1-2—分段長度，m；h1、h2—分段始、末斷面水深，m；v1、v2—分段始、末斷面平均流速，m/s；a1、a2—流速分布不均勻系數，此處取1.05；θ—泄槽底坡角度；i—泄槽底坡；n—槽身糙率系數，0.012。

溢洪道水面線計算簡圖，如圖1所示。

圖1 溢洪道水面線計算簡圖

根據式(3)和圖1，計算獲得校核工況下泄槽水面線成果，見表3。

表3 校核工況下泄槽水面線計算成果

從表3計算成果可知，泄槽斷導墻滿足泄洪水深要求。為避免泄洪水流影響底孔，溢洪道出口邊墩上設置貼角，貼角坡度為1∶0.2。

3.2.4 消能防沖計算

(1)挑流及跌流消能

壩址河床巖體呈大塊狀結構，以構造型為主，多密閉，少有充填，節理較發育，有節理2至3組，呈X形較規則。沖刷分類為Ⅱ類。按SL253- 2000中挑流水舌外緣挑距和沖刷坑最大水墊深度、跌流消能和水舌沖擊區上游水墊深度公式進行計算[10]。分析成果表明：下游最大沖坑深度為10.53m，挑流消能時各頻率下泄洪水沖坑后坡均小于允許后坡，沖刷坑不會危急壩身安全。但當未形成挑流的跌流消能時，沖坑后坡大于允許后坡，下游須設護坦，以維護下游壩腳。

(2)下游護坦設計

跌流消能計算表明：沖坑后坡大于允許后坡，會危急大壩安全，設計考慮在下游設護坦，確定在鼻坎下游20m范圍內設置護坦，護坦底板高程及厚度根據沖擊動水壓力確定。

結合護坦底板動水壓力計算成果，設計在挑坎下游20m內設C25鋼筋混凝土護坦，護坦采用Φ18的錨筋錨入基巖，每隔3m梅花型布置，厚1m。底板每隔3m，梅花型布置排水孔。

4 結論

那卡河水庫是貴陽市重要的工業供水及農業灌溉水源點之一。受河床相對狹窄、兩岸地形的影響，水庫不能布置河岸式溢洪道。針對溢洪道布置現存問題，從壩址區地形地質、堰型、泄洪能力和消能防沖等方面，對溢洪道整體布置和結構體形進行了詳細設計計算和方案優化。優選技術可行、經濟節能的沿拱中心線對稱布置的3孔壩頂溢洪道方案，為水庫防洪功能的正常穩定發揮提供了重要技術支撐。