擦耳巖水庫泄水建筑物設(shè)計(jì)

汪 羅，李茜希，馬富強(qiáng)

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴陽 550002)

1 概 述

擦耳巖水庫位于貴州省黔南布依族苗族自治州，水庫的主要任務(wù)是以縣城防洪、供水為主并兼顧發(fā)電。防洪方面通過縣城上游擦耳巖水庫的興建，可使縣城城區(qū)抵御洪水的能力由現(xiàn)有的10年一遇提高至20年一遇。京舟河甲塘水庫建成后，通過聯(lián)合甲塘水庫可使縣城城區(qū)抵御洪水的能力由20年一遇提高至50年一遇，防洪庫容2 623×104m3。水庫興建后年供水量約為1 899×104m3/a，可滿足平塘縣城新老城區(qū)及平湖工業(yè)園區(qū)的用水需求及下放下游河道環(huán)境水量5 046×104m3。水庫建成后，可兼顧發(fā)電功能，電站裝機(jī)2臺(tái)，總裝機(jī)容量5 MW，年發(fā)電量1 152×104kW·h。

大壩溢流表孔位于壩身河床段壩橫0+108.000 m～壩橫0+134.00 m位置，為有閘控制的開敞式溢洪道，堰頂高程736.0 m，溢流前沿凈寬18.0 m，采用3孔6 m×8 m(寬×高)的閘門控制，中墩厚度為2.5 m，邊墩厚度為1.5 m；泄洪底孔與溢流表孔并列布置，位于左壩身河床段壩橫0+134.000～壩橫0+150.500 m位置，分2孔泄洪，泄洪凈寬10.0 m，進(jìn)口底板高程為719.0 m，設(shè)事故閘門(孔口尺寸為5 m×7 m)，事故閘門后接弧形工作閘門，閘孔尺寸為5 m×6 m(寬×高)，中墩厚度為3.0 m，邊墩厚度為1.75 m。

2 泄水建筑物設(shè)計(jì)

2.1 溢流表孔設(shè)計(jì)[1-2]

2.1.1 溢流表孔結(jié)構(gòu)布置

本工程推薦壩型為碾壓混凝土重力壩，壩身可過水，由于下泄洪水量較大, 溢流表孔布置以滿足盡量不沖兩岸坡為原則,稍靠河床右岸。從地形看壩身不宜布置過大的溢流寬度，結(jié)合下游河道走勢及其它建筑物的布置、上游水庫淹沒影響等，溢流表孔布置在壩身河床段壩橫0+108.000 m～壩橫0+134.00 m位置，為有閘控制的開敞式溢流表孔。堰頂高程736 m，溢流前沿凈寬18.0 m，采用3孔6 m×8 m(寬×高)的閘門控制，中墩、邊墩厚度為2 m，溢流表孔靠下游閘墩之間設(shè)交通橋，與左右岸交通連接，橋面寬為4.5 m。溢流堰采用WES冪曲線，曲線方程為y=0.070 6X1.85, 堰面曲線后與1∶0.8的泄槽底板相連，之后與半徑R=10 m、中心角為51.34°的反弧相接。溢流面采用厚1 200 mm的C30鋼筋砼設(shè)計(jì)，出口采用底流消能。消力池結(jié)合溢流表孔及泄洪底孔聯(lián)合泄洪情況計(jì)算消能及考慮下游河道地形地貌布置，底流消力池長度為57.5 m，寬度39.25 m，C25鋼筋砼澆筑，消力池底板高程704.00 m，消力池底板水平，厚度為2 m，尾部設(shè)坎，坎頂高程710.00 m，坎高為6.0 m；左邊墻為重力式擋墻，厚度1.5～4.0 m，高度為21.5 m，右邊墻結(jié)合電站尾水渠邊墻布置，采用直墻式，厚度2 m，設(shè)計(jì)考慮在尾水渠底板高程以上消力池邊墻上設(shè)置兩排平壓孔，平壓孔間排距為2 m，孔徑為300 mm。

2.1.2 溢流表孔泄流計(jì)算

1) 堰面曲線計(jì)算。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319-2018)[2]附錄A，開敞式堰面堰頂下游堰面采用WES冪曲線，可按下式計(jì)算：

(1)

式中：Hd為定型設(shè)計(jì)水頭，m，按堰頂最大作用水頭Hmax的75%～95%計(jì)算；x、y為原點(diǎn)下游堰面曲線橫縱坐標(biāo)；n為與上游堰坡有關(guān)的指數(shù)，上游面為鉛直時(shí)，k=2.0，n=1.85；k為當(dāng)P1/Hd≤1.0時(shí)，取k=2～2.2，P為上游相對(duì)堰高。

2) 開敞式堰面堰頂上游堰頭曲線采用橢圓曲線，如下式：

(2)

式中：aHd、bHd為橢圓曲線的長半軸和短半軸(當(dāng)P1/Hd≥2時(shí)，a=0.280～0.300，a/b=0.87+3a)；當(dāng)P1/Hd≤2時(shí)，a=0.215～0.280，b=0.127～0.163，當(dāng)P1/Hd取小值時(shí)，a、b相應(yīng)取小值。

3) 設(shè)3孔6 m×8 m(寬×高)的弧形閘門，當(dāng)閘門全開時(shí)，開敞式溢流堰根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319-2018)附錄A按公式計(jì)算，計(jì)算公式為：

(3)

式中：Q為流量，m3/s；C為上游面坡度影響修正系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)，根據(jù)閘墩厚度及墩頭形狀而定，取0.9～0.95；B為溢流寬度，m；σm為淹沒系數(shù)，視泄流的淹沒程度而定，不淹沒時(shí)為1；m為流量系數(shù)；H0為計(jì)入行近流速水頭堰上總水頭。

經(jīng)水文調(diào)算，校核洪水位(P=0.2%)時(shí)，下泄流量Q=1 551 m3/s(10年→50年)；設(shè)計(jì)洪水位(P=2%)時(shí)，下泄流量Q=1 050 m3/s(10年→50年)；消能防沖洪水位(P=0.33%)時(shí)，下泄流量Q=1 010 m3/s(10年→50年)，實(shí)際表孔泄流能力計(jì)算見表1。

表1 表孔泄流能力計(jì)算表

由表1可看出，各工況下表孔實(shí)際泄流能力皆大于調(diào)洪設(shè)計(jì)泄流能力。

2.1.3 溢流表孔泄槽段水面線計(jì)算

泄槽段水面線按下式計(jì)算：

(4)

泄槽段摻氣水深按下式計(jì)算：

(5)

式中：h為計(jì)算斷面的水深，m；hb為計(jì)算斷面摻氣水深，m；v為不摻氣流速，m/s；ζ為修正系數(shù)。

溢流表孔校核洪水位情況水面線計(jì)算成果見表2。

表2 溢流表孔泄槽水面線計(jì)算成果表

2.1.4 溢流表孔底流消能計(jì)算

因大壩下游洪水位較高，校核洪水位下游水位726.81 m(P=0.2%，遠(yuǎn)期)，設(shè)計(jì)洪水位下游水位724.12 m(P=2%，近期)，河床高程較低為709 m左右，因此溢洪道末端采用底流消能方式較為合理。溢流表孔下游出口接消力池消能，溢流表孔與泄洪底孔在壩縱0+042.00 m下游共用一個(gè)消力池。因此，計(jì)算采用洪水頻率為3.33%，相應(yīng)總下泄流量為1 010 m3/s。

根據(jù)下式試算得出口末端收縮水深：

(6)

式中：E0為上游總水頭，m；φ為流速系數(shù)；q為單寬流量，m2/s。經(jīng)計(jì)算，消能防沖水位下，末端收縮水深hc=1.758 m。

判別是否需要建消力池，按下式計(jì)算：

(7)

消力池深度根據(jù)下式計(jì)算：

(8)

式中：σ為安全系數(shù)，1.05～1.1；ht為下游水深，m；S為下挖池深，m；ΔZ為消力池出口水面落差，m。

2.2 泄洪底孔設(shè)計(jì)

2.2.1 泄洪底孔結(jié)構(gòu)布置

泄洪底孔與溢流表孔并列布置且緊接溢流表孔，位于左壩身河床段壩橫0+134.000～壩橫0+150.50 m位置，分2孔泄洪，進(jìn)口底板高程為719 m，進(jìn)口頂面和兩側(cè)面采用三面收縮的橢圓曲線，側(cè)面曲線方程為X2/52+Y2/1.32=1，頂面曲線方程為X2/7.22+Y2/2.42=1，其后接斜率為1∶5.5的壓板，經(jīng)過事故閘門(孔口尺寸為5 m×7 m)，后采用斜率為1∶4的壓板進(jìn)行壓坡后接弧形工作閘門，壓坡后閘孔尺寸為5 m×6 m(寬×高)。弧形閘門后接底孔泄流段，其堰面采用WES冪曲線，曲線方程為y=0.032 95X1.85, 堰面曲線后與1∶1.5的泄槽底板相連，之后與半徑R=10 m、中心角為33.69°的反弧相接。過面采用厚1 000 mm的C30鋼筋砼設(shè)計(jì)，出口采用底流消能，底孔消力池與泄洪底孔消力池合并布置。

2.2.2 泄洪底孔泄流計(jì)算

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319-2018)，泄洪底孔的泄流能力按下式計(jì)算：

(9)

式中：Q為流量，m3/s；H為自由出流時(shí)孔口中心處的作用水頭，淹沒泄流時(shí)為上下游水位差，m；A為出口處的面積，m2；μ為孔口或管道流量系數(shù)，對(duì)短有壓深孔，取μ=0.83～0.93；g為重力加速度，m/s2。

經(jīng)水文調(diào)算，校核洪水(P=0.2%)時(shí)，下泄流量1 189 m3/s(10年→20年)；設(shè)計(jì)洪水(P=2%)時(shí)，下泄流量1 006 m3/s(10年→20年)；消能防沖洪(P=0.33%)水位時(shí)，下泄流量814 m3/s(10年→20年)。實(shí)際底孔泄流能力計(jì)算見表3。

由表3可看出，各工況下底孔實(shí)際泄流能力皆大于調(diào)洪設(shè)計(jì)泄流能力。

表3 底孔泄流能力計(jì)算表

2.2.3 泄洪底孔泄槽段水面線計(jì)算

泄洪底孔水面線推求方法與溢流表孔類似，泄洪底孔校核洪水位情況水面線計(jì)算成果見表4。

表4 泄洪底孔泄槽水面線計(jì)算成果表

2.2.4 泄洪底孔底流消能計(jì)算

因泄洪底孔與溢洪道共用一個(gè)消力池，在進(jìn)行溢洪道底流消能計(jì)算時(shí)，已綜合考慮泄洪底孔消能問題。考慮在非常洪水來臨泄洪時(shí)，消力池右側(cè)邊墻(右側(cè)邊墻外側(cè)為發(fā)電站尾水渠，該邊墻與尾水渠共用)承水頭較高，設(shè)計(jì)考慮在尾水渠底板高程以上消力池邊墻上設(shè)置兩排平壓孔，平壓孔間排距為2 m，孔徑為300 mm。

3 結(jié) 論

結(jié)合擦耳巖水庫需滿足防洪要求，也考慮到下游河道的過流承受能力的特點(diǎn)，因地制宜的提出了溢流表孔與泄洪底孔相結(jié)合的布置方案。通過對(duì)擦耳巖水庫泄水建筑物的有關(guān)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，泄水建筑物的實(shí)際泄流能力皆大于調(diào)洪設(shè)計(jì)泄流能力、泄水建筑物的結(jié)構(gòu)布置能滿足水面線計(jì)算結(jié)果和底孔消能的能力，即泄水建筑物采用溢流表孔+泄洪底孔的布置方案是可行的。