清水河水庫擴建工程泄洪建筑物布置與結構計算

鄧凌云

(遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563002)

1 工程概況

清水河水庫地處尚嵇鎮清水村，距尚嵇集鎮8km，距遵義市城區63km，左右岸均有公路通至壩上，交通方便。水庫位于烏江一級支流魚塘河左岸一級支流清水河上，屬于長江流域烏江水系，壩址以上流域面積82.6km2。清水河水庫現狀供水任務僅為農業灌溉兼顧集鎮人畜飲水，現狀供水能力有限，無多余水量為工業園區供水，缺水量達1037萬m3/d，缺水率達到100%。水庫現狀庫容系數僅為8.5%，具備擴建條件且具有供水能力較大、水質優良、運行成本較低等優勢。因此，通過合理擴建工程建設，既能滿足集鎮及工業園區供水，又能滿足已成灌區灌溉用水，對優化尚嵇集鎮供水水源結構和保障尚嵇集鎮供水安全具有積極作用，對促進當地社會經濟持續穩定發展具有積極意義[1]。

2 工程現狀及開發任務

清水河水庫于1966年12月動工興建，1973年初主體工程完工投入使用，同年6月特大洪水沖毀溢洪道及干渠，直至1983年4月，修復完工投入運行。運行期間，發現水庫存在溢洪道底板多處沖壞、斷裂，大壩上游壩面護坡干砌塊石大面積塌滑、壩坡極不平整，大壩下游壩坡浸潤滲漏、浸潤面積及滲漏量逐年加大等問題。2009年除險加固工程完成，歷經多個汛期蓄水檢驗，水庫各樞紐建筑物整體運行良好，未發現明顯損壞、變形等情況。水庫現狀總庫容462萬m3，興利庫容266萬m3，死庫容19.0萬m3。

根據《遵義縣尚嵇鎮大壩工業園區總體規劃》，至2030年大壩工業園區新鮮水凈需水量為975萬m3/a，毛需水量將達到1037萬m3，而現狀清水河水庫主要以灌溉為主，兼顧集鎮人畜飲水，無多余水量為工業園區供水，缺水量為1037萬m3/d，缺水率達到100%，區域用水缺口較大，工程性缺水問題尤為突出。在配置水源中，清水河水庫作為區域水源配置的集鎮及工業園區主要供水水源，集鎮及工業園區供水量為1330萬m3/a，結合清水河水庫現狀灌溉供水規模，初步確定清水河水庫在現壩址處擴建至890.00m后，正常庫容1140萬m3，興利庫容1077萬m3，供水能力2050萬m3/a，基本能夠滿足集鎮及工業園區供水，也能滿足灌溉用水(已成灌區)。同時，清水河水庫擴建工程已列入國務院批復的《貴州省水利建設生態建設石漠化治理綜合規劃》及《貴州省水利建設“三大會戰”實施方案(2013—2020年)》項目明細表中的中型水庫項目。

3 工程地形地貌及水文地質條件

清水河水庫位于遵義縣城南東面尚嵇鎮清水村境內清水河中游河段，庫區河流蜿蜒伸展，河流總體流向為N25～60°E，呈長條形展布，兩岸支溝密布，多以淺切、寬緩沖溝為主，沖溝多較短，僅庫區中尾段石家壩溝與黃土坎溝規模較大、延伸較長；庫區河道無大的跌水，正常蓄水位890.00m時，廻水至彎角塘附近，廻水長約5.2km，河床高程863～889m，平均比降3.0‰，庫區水面寬30～450m。受巖性及其結構和侵蝕、溶蝕作用，庫區中尾部楊村灣至彎角塘段多形成橫切河向的山脊與山間溝谷、槽谷相間分布地形，山脊地形較陡，坡角一般在25～40°，局部大于60°，溝谷、槽谷則多寬緩；在庫區中部水淹氹、干洞、麻窩一帶地形多為較寬緩的緩丘溶谷地形，地形平緩。庫區內出露地層主要有寒武系(∈)、二迭系(P)及第四系的沖積物(Qapl)及殘坡積物(Qedl)，此外，在庫區下游東南角和庫區東側還分布有三迭系(T)與奧陶系(O)地層。庫區位于翁家壩復背斜東翼，處于馬家寨斷層F2與郭家坳斷層F4之間，沙子坎斷層(F1)由西向北東斜切庫區前段。

4 泄水建筑物設計

4.1 溢洪道平面布置

清水河水庫擴建后大壩為均質土壩，泄水建筑物宜布置為岸邊開敞式溢洪道。在左岸新建溢洪道，其中線布置順直，出露巖性為灰、淺灰色薄至中厚層白云巖夾泥質白云巖，基礎條件較好，施工方便，出口遠離下游壩腳，下泄洪水對大壩影響較小，不與其他建筑干擾。設計確定溢洪道布置在大壩左岸，包括引水渠、溢流段、泄槽段、消力池段，總長340m。溢洪道平面布置，如圖1所示。

樁號0-060.0～0+000.0m段為溢洪道引水渠，底寬22.0m；0+000.0～0+012.0m為溢流堰段，溢流堰為WES實用堰，堰頂高程886.00m，溢流堰凈寬18m，共3孔，單孔寬6.0m；設3扇6×4m(b×h)弧形工作閘門；0+012.0～0+240.0段為泄槽段，底寬22～14m，其中0+022.0～0+072.0為收縮段，泄槽寬由22m收縮至14.0m；0+240.0～0+280.0段為消力池段，消力池寬14.0m，深3.3m，池長40.0m，池底高程858.70m。

4.2 泄水建筑物計算

4.2.1泄流能力計算

清水河水庫擴建后溢洪道為設閘式泄洪，溢流堰為WES實用堰，溢流控制凈寬18.0m，堰頂高程886.00m。溢洪道布置3孔，每孔凈寬6m。溢流堰的泄流能力分析函數表達為[2- 4]：

(1)

式中，Q—流量，m3/s；c—上游堰坡影響系數，c=1.0；m—流量系數，取m=4.5；ε—閘墩側收縮系數，取0.92；σs—淹沒系數，取1.0；B—溢流堰總凈寬，B=18m；H0—計入行近流速水頭的堰上總水頭，由于清水河水庫實用堰堰高P1<1.33Hd(Hd為水頭)，為低堰。

根據清水河水庫洪水調度方式，按溢流堰分析得溢洪道泄流能力計算成果，見表1。

表1 溢洪道泄流能力計算成果

由表1可知，發生1000a一遇洪水(校核洪水)時，Q=464m3/s(p=0.1%)；發生50a一遇洪水(設計洪水)時，Q=309m3/s(p=2.0%)；發生30a一遇洪水(消能防沖洪水)時，Q=289m3/s(p=3.33%)。設計推薦的3孔6×4m(b×h)溢洪道，其泄水能力能夠滿足消能防沖、設計洪水位和校核洪水位工況下的泄水需求，即：泄消能防沖洪、設計洪水、校核洪水和20及5a一遇洪水時，3孔閘門均按全開工況運行。

4.2.2泄槽水面線計算

泄槽水面線根據SL 253—2018《溢洪道設計規范》中的能量方程，按照分段求和法進行計算[5- 6]，即：

圖1 溢洪道平面布置

(2)

(3)

式中，ΔL1-2—分段長度，m；h1、h2，v1、v2和α1、α2—分段始末斷面的水深，平均流速和流速修正系數(取1.05)；θ、i—泄槽底坡角度和坡比；j—分段平均摩阻系數；n—槽身糙率系數，取0.015；R—分段平均水力半徑，m。

由于泄槽與上游WES堰連接，泄槽水面線由泄槽首部起算，起始斷面水深h1按堰下收縮斷面水深計算[7，8]。泄槽分3段，其中：樁號0+012.00～0+022.00段槽寬為22.0m，底坡i=0.03，側墻高14.0～10.0m；樁號0+022.00～0+072.00為收縮段，末端槽寬為14.0m，底坡i=0.03，側墻高10.0～4.5m；樁號0+072.00～0+240.00為14m槽寬等寬段，底坡分別為0.03(0+072.00～0+154.00)、0.178(0+154.00～0+240.00)，側墻高3.6～10.0m。

溢洪道水面線計算簡圖，如圖2所示。

圖2 溢洪道水面線計算簡圖

發生校核洪水時(P=0.1%)，校核洪水位891.53m，最大下泄流量Q=431m3/s。根據式(2)和圖2，計算得溢洪道泄水槽段起始斷面及各斷面水深與平均流速計算成果，見表2。

表2 溢洪道各斷面水深及流速成果

從表2計算成果可知，泄槽斷側墻高能夠滿足泄洪水深要求。

4.2.3結構穩定分析

根據SL 253—2018《溢洪道設計規范》規定：進水渠段溢0-033.00～溢0+000.00段邊墻的荷載組合、堰體控制段溢0+000.00～0+012.00段荷載組合與泄槽段溢0+012.00～溢0+035.00相同。結合清水河水庫工程實際情況，選取4個基本工況和2個特殊工況進行抗滑穩定復核。

(1)基本組合①(完建情況)。自重+土壓力(壩體堆石或回填土石渣)。

(2)基本組合②(正常蓄水位情況)。自重+靜水壓力+揚壓力+波浪壓力+土壓力+淤沙壓力。

(3)基本組合③(設計洪水位情況)。自重+靜水壓力+揚壓力+波浪壓力+動水壓力+土壓力+淤沙壓力。

(4)特殊組合①(施工情況)。自重+土壓力+施工臨時荷載。

(5)特殊組合②(校核洪水位情況)。自重+靜水壓力+揚壓力+波浪壓力+動水壓力+土壓力+淤沙壓力[9]。

堰體(側墻)抗滑穩定分析按單寬1m計算，容重取γc=24kN/m3。經分析，①進水渠段左右側邊墻最不利斷面為：邊墻高13.5m，頂寬1.2m，底寬3.45m；堰體最大堰高取4.0m，底寬22.0m。②泄槽左側邊墻最不利斷面為：邊墻高4.75m，頂寬1.5m，底寬2.0m；泄槽段右側邊墻最不利斷面為：邊墻高5.25m，頂寬1.5m，底寬2.0m。③消力池段左右側邊墻最不利斷面為：邊墻高10.5m，頂寬1.5m，底寬2.5m。

由于進水渠段、泄槽段溢和消力池段坐落地層均為寒武系中上統婁山關群e2-31s薄層白云巖、泥質白云巖。根據地質專業提供的物理力學指標：抗剪斷摩擦系數f'=0.40～0.45，抗剪斷凝聚力c'=0.24～0.27Mpa。抗滑穩定計算成果，見表3。

由表3可知，溢洪道基本組合工況下最小抗滑穩定安全系數K=3.03，發生在消力池左側邊墻，大于規范規定的[3.0]限值指標；特殊組合工況下最小抗滑穩定安全系數K=2.59，發生在進水渠左側邊墻，大于規范規定的[3.0]限值指標。溢洪道結構整體抗滑穩定滿足規范要求，安全裕度較大。

5 結論

清水河水庫雖經2009年除險加固處理后，溢洪道功能得到有效恢復，但由于尚嵇鎮大壩工業園區建設，水庫供水能力明顯不足。水庫現狀庫容系數僅為8.5%，具備良好擴建條件且具有供水能力較大、水質優良、運行成本較低等優勢。為確保擴建后大壩具有良好地泄流、消能和防沖刷效果，在規劃設計階段，優化布設與水庫地形地貌和工程地質相匹配的泄洪建筑物方案。論證分析和設計計算優選的溢洪道平面布置及結構體型，具有較高的技術可行性和經濟合理性，為工程順利施工建設提供了重要技術保障。

表3 溢洪道結構抗滑穩定計算成果