夾巖水庫泄洪消能建筑物布置與結構計算

楊長春，馬玉林，陳 歡

(1.貴州省水利投資(集團)有限責任公司，貴陽 550081；2.西北農林科技大學 水利水電科學研究院，陜西 楊凌 712100)

1 工程概況

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程為貴州水利建設“一號工程”，是一座以城鄉供水和灌溉為主的綜合性大型水利樞紐工程。夾巖水庫屬峽谷型水庫，河谷基本呈對稱V字型，左右岸均較陡，河谷形態完整性較好。水庫大壩為混凝土面板堆石壩，正常蓄水位1 323.0 m，總庫容13.23×108m3，為Ⅰ等大(Ⅰ)型工程。壩址上下游立視見圖1。

圖1 壩址上下游立視圖

夾巖水庫壩址處河谷狹窄，洪水峰高、水位變幅較大。高壩總和河谷狹窄緊密聯系在一起，通常大壩越高，壩址處河谷也越狹窄，這對于壩高154 m的夾巖水庫混凝土面板堆石高壩而言，溢洪道布置就越困難。峽谷型高壩方案設計，除要考慮建壩河段河勢、地形、地質、結構和施工等因素外，泄洪建筑物的合理布置及結構型式優化是一個關鍵技術問題[1]。為確保大壩泄洪建筑物方案與工程地形地質具有較好適應性，結合地質勘探揭露情況，從泄洪建筑物平面布置、泄流能力和結構穩定性等方面進行詳細論證分析，確保岸邊溢洪道與泄洪洞組合運用泄洪方式具有良好泄洪消能效果，為大壩樞紐綜合布置優化提供技術支撐[2]。

2 泄洪建筑物工程地質條件

溢洪道擬布置在左壩肩斜坡上，水平總長530 m，由引渠段、控制段、泄槽段及挑流消能段等組成，開挖底寬33 m，堰頂高程1 285 m。溢洪道邊坡地形坡度30°～42°，開挖后左側(后緣)邊坡高20～90 m，局部段大于100 m，為中高邊坡。溢洪道沿線基巖多裸露，覆蓋層厚0～3 m，強風化帶厚度基巖面以下8～13 m。溢洪道由上游至下游依次穿越巖性為T1f2-3-3薄-中厚層泥質粉砂巖、T1f2-3-2中厚層細砂巖、T1f2-3-1泥質粉砂巖夾細砂巖、T1f2-2薄-中厚層泥質粉砂巖與細砂巖互層、T1f2-1-2中厚層灰巖和T1f2-1-1薄-中厚層細砂巖夾薄層泥灰巖。巖體屬為中硬巖類。巖層走向N40～47°E/NW∠24～31°，巖層傾向溢洪道上游，走向線與溢洪道方向近于直交，兩側邊坡層狀結構斜向巖質邊坡，邊坡未發現大的不利地質結構面，自然邊坡整體穩定。

泄洪隧洞布置在壩址左岸，隧洞進口位于潘家巖腳沖溝左岸，出口位于溢洪道下游。泄洪隧洞身長約806 m，隧洞凈空斷面6.2 m×8.84 m，埋深20～145 m。隧洞依次穿越地層為T1f2-3-3紫紅色、灰色薄-中厚層泥質粉砂巖，T1f2-3-2細砂巖，T1f2-3-1紫紅色薄-中厚層泥質粉砂巖夾薄層細砂巖，T1f2-2薄至中厚層泥質粉砂巖與細砂巖互層，T1f2-2中厚層灰巖，T1f2-1薄-中厚層細砂巖夾灰巖，T1f1薄-中厚層粉砂質泥巖夾細砂質，巖質屬中硬巖。巖層產狀310～315°∠24～30°，巖層走向與隧洞洞線近于直交。隧洞除進出口洞段外，隧洞圍巖處于微～新鮮狀態，位于地下水位之下。

3 泄洪建筑物聯合泄洪布置

夾巖水庫混凝土面板堆石壩方案樞紐總布置為：混凝土面板堆石壩+左岸邊溢洪道+泄洪洞+放空洞+右岸發電引水系統及壩后電站。其中，泄洪建筑物采用溢洪道與泄洪隧洞相聯合的組合運用泄洪布置方案，為1級建筑物。

3.1 溢洪道與泄洪洞的泄洪比例

設計計算論證分析表明，若泄洪洞參與泄洪，溢洪道前緣寬度可由32 m減少到24 m，減少25%泄洪寬度，除可大大降低溢洪道工程投資外，還可以減小岸邊式溢洪道開挖邊坡高度，降低溢洪道整體施工難度和工程風險。不同泄洪組合方案其調洪目的是不致對水庫淹沒造成大的影響。設計在選定溢洪道和泄洪隧洞聯合泄洪方案基礎上，優選3種方案對兩個泄洪建筑物的泄洪規模進行經濟比較，以確定兩者間合適泄洪比例。經防洪調算，方案二：泄洪洞短洞尺寸(出口寬×高=5.5 m×6 m)+溢洪道3孔(寬×高=8 m×12 m)，相比方案一：泄洪洞短洞尺寸(出口寬×高=5 m×5 m)+溢洪道3孔(寬×高=9 m×12 m)和方案三：泄洪洞短洞尺寸(出口寬×高=6.0 m×7 m)+溢洪道3孔(寬×高=7 m×12 m)，其技術可行、投資最省。兼顧考慮壩區潘家巖崩塌體處理、庫岸邊坡穩定，以及內水對面板的破壞影響，適當延緩水庫放空時間，設計優選方案二，即最大下泄流量3 350 m3/s，泄洪洞分攤比例為28.03%(接近30%)，泄洪工程技術、經濟性均較優。

3.2 泄洪建筑物平面布置

溢洪道布置在大壩左岸，為岸邊式溢洪道，由引渠段、控制段、泄槽段及挑流消能工等組成，水平總長約399.13 m，軸線方位角為NW33.964°。引渠段長度90.48 m，底板高程1 307.0 m。控制段長度26.0 m，堰型采用實用堰型式，堰高4 m，堰頂高程為1 311.0 m，溢流凈寬24 m，設3扇8.0×12.0 m的弧形工作閘門。泄槽段總長260.06 m，起始點高程1 299.8 m，末端高程1 239.01 m，樁號0+026.00～0+130.58 m的底板縱坡為i=0.03，樁號0+146.93～0+283.93 m的底板縱坡為i=0.395，不同縱坡底板間由拋物線段連接[3]。泄槽斷面為矩形，底板寬30 m。出口挑流段長度24.75 m，挑流鼻坎半徑為30 m，挑角25°，挑流鼻坎末端高程為1 239.75 m。

泄洪隧洞布置在左岸，由岸塔式進水口、洞身段、出口段3部分組成。岸塔式進水口段長度33.42 m，進口底板高程1 265 m，塔頂高程1 329.0 m，塔高64.0 m，塔身平面尺寸為18.0 m×28.26 m(長×寬)，進口設5.5 m×8.0 m平面檢修門與5.5 m×6.0 m弧形工作閘門各1扇；洞身段為無壓隧洞段，軸線方位角N32.886°W，長度820.42 m，隧洞凈空斷面尺寸為6.2 m×8.59 m城門洞；出口段采用挑流消能，反弧半徑60 m，挑射角25°，挑流鼻坎高程1 246.02 m。泄洪建筑物平面布置見圖2。

圖2 泄洪建筑物平面布置

4 泄洪建筑物設計計算

4.1 溢洪道水力學計算

4.1.1 堰面曲線

堰面曲線采用冪曲線，其函數表達為：

(1)

式中：Hd為定型設計水頭，m，設計取Hd=11.50 m(Hd取堰上最大水頭的76.36%，滿足65%～85%)；n=1.85 ；K=2.0。

經計算得冪曲線方程為：y=0.062 72x1.85。原點上游采用三圓弧曲線，冪曲線典型坐標見表1。

表1 冪曲線典型坐標 /m

4.1.2 溢流堰穩定性分析

溢洪道溢流堰為實用堰型，其抗滑穩定按整體抗滑進行考慮，所受荷載主要有結構自重、靜水壓力、揚壓力、浪壓力、動水壓力等[4]。揚壓力折減系數按0.5考慮。溢流堰基底面抗滑穩定安全系數按抗剪強度公式進行分析，計算結果見表2。

表2 溢流堰抗滑穩定安全系數

由表2可以看出，溢流堰在各種荷載組合條件下，其抗滑穩定安全系數K均大于規范要求值3.0和2.5指標，溢流堰結構整體抗滑穩定性較好。

4.1.3 泄流能力計算

根據夾巖水庫洪水調度方式，溢洪道泄流計算函數表達為：

(2)

式中：H為堰上水頭，m；n為閘孔口數量，n=3；b為閘孔凈寬，b=8 m；ε為側收縮系數；m為流量系數。

經調洪計算，泄洪隧洞參與泄洪后，校核工況下溢洪道最大下泄流量為2 431 m3/s，設計工況下最大下泄流量為2 007 m3/s。由式(2)計算可知，溢洪道在設計洪水位時最大泄流量為2 104 m3/s，校核洪水位時最大泄流量為2 521 m3/s，均大于洪水調節計算下泄流量，泄流能力滿足泄洪要求，溢洪道孔口尺寸選擇合理。

4.1.4 泄槽邊墻高度及出口消能分析

溢洪道校核洪水位情況下，泄槽內摻氣水深5.19～3.25 m，取安全超高為1.5 m。綜合考慮后，泄槽邊墻高度設計取值為7.0～5.5 m。

溢洪道消能采用等寬連續式挑流鼻坎消能，當水庫最高洪水位1 326.01 m，溢洪道最大泄洪流量2 431 m3/s，鼻坎高程1 239.75 m，挑射角θ為25°，鼻坎末端寬度30 m，單寬流量81.03 m2/s，下游河床高程1 208.00 m，相應水位1 241.38 m。計算結果表明，最大沖坑深度15.77 m，最大挑距113.24 m，沖坑后坡比為0.139，沖坑后坡滿足規范要求。設置護坦后，沖坑不會危及溢洪道挑流鼻坎和面板堆石壩下游坡腳的安全。

4.1.5 下游消能區防護

混凝土面板堆石壩方案采用岸邊敞開式溢洪道和泄洪洞聯合泄洪，消能型式為連續鼻坎挑流消能，水流由挑流鼻坎挑入下游河床。泄洪沖刷區主要在壩腳以下150 m處范圍，下伏基巖為T1f1薄-中厚層粉砂質泥巖夾細砂巖，為較軟巖夾中硬巖類。強風化巖體為主要沖刷區，抗沖系數K=1.8，巖體抗沖能力差。由于泄洪最大下泄流量為2 431 m3/s，能量較大，對下游基巖沖擊力也較大，為抵抗泄洪時巨大水流沖擊，采用C30鋼筋混凝土護坦進行防護，護坦底板高程1 208.0 m，底板厚1.5 m，末端設齒槽。消能防沖P=1%下泄水流最大挑距為101.90 m，設計工況P=0.2%下泄水流最大挑距為110.03 m，校核工況P=0.02%下泄水流最大挑距為113.24 m，為兼顧設計校核工況取消能護坦長度為110.0 m。為防止下泄水流對左岸坡的沖刷，引起岸坡巖體失穩，采用C30鋼筋混凝土護岸，護岸墻頂高程為1 242.0 m。鑒于校核工況P=0.02%最大下泄流量為2 431 m3/s，對泄洪沖刷區將會形成巨大沖擊，為使后期泄洪沖坑的形成不致影響挑流鼻坎整體穩定性，增設挑流鼻坎護腳關門墻，采用地質鉆機造孔(Φ300鉆孔，孔深10 m)，孔內采用C30細石鋼筋混凝土填筑，封閉關門墻可有效防止泄洪沖坑對挑流鼻坎的影響。

4.2 泄洪洞水力計算

4.2.1 隧洞進口泄流能力計算

根據《水力學計算手冊》(第二版)， 泄洪洞進口采用有壓短洞布置形式，短洞出口采用設置頂部壓板[5]，壓坡1∶4。經分析，下游水位不影響隧洞過流能力。泄洪洞過流能力按閘孔自由出流計算，其函數表達為：

(3)

式中：Q為隧洞過流能力，m3/s；μ為流量系數，根據《水力學計算手冊》，此處取μ=0.862；B為隧洞進口處凈寬，此處取B=5.5 m；H為隧洞出口底板高程與上游庫水位間的高度；ε為弧形閘門安裝垂直收縮系數，此處取ε=0.895；e為泄洪時隧洞閘孔開啟高度，此處取e=6 m。

經計算，水位低于1 271.0 m之后，泄洪洞進口短洞不能形成有壓流，因此泄洪洞最低運行水位為1 271.0 m。水庫水位從1 311.0 m下放到1 271.0 m高程總共需要13.4天。

4.2.2 進水口穩定性分析

隧洞底板及邊墻設置厚30 cm的C40HF粉煤灰混凝土，隧洞外側均采用C30鋼筋混凝土襯砌。混凝土容重γc=24 kN/m3，與基巖接觸面f′=0.7、c′=0.5 MPa。按照抗剪斷強度公式計算得進水口抗滑穩定和抗浮穩定安全系數，見表3。

表3 泄洪洞抗滑和抗浮穩定安全系數

由表3可知，正常蓄水位、設計洪水位工況抗滑穩定K′大于3.0，校核洪水位工況抗滑穩定K′大于2.5，滿足規范要求。正常蓄水位、設計洪水位工況抗浮穩定Kf大于1.1，校核洪水位工況抗浮穩定Kf大于1.05，滿足要求。泄洪洞進口整體抗滑穩定性較好。

4.2.3 無壓隧洞邊墻高度確定

無壓隧洞段底寬取6.2 m，其水力計算參照溢洪道泄槽計算方法。根據《水力學計算手冊》(第二版)的相關內容，深孔閘后洞內無壓的流速很大，一般都要考慮因水流摻氣而增加的水深，以得到設計隧洞高度。泄洪洞校核洪水位情況水面線計算成果表明，隧洞校核洪水位情況下泄槽內摻氣水深5.03～6.60 m。無壓隧洞邊墻高度=摻氣水深+超高，隧洞直墻超高Fb取為0.1 m,隧洞側墻高度H為：H=ha+Fb=6.6+0.1=6.7 m，故取隧洞直墻高度為6.8 m。

4.2.4 出口消能計算

隧洞出口消能初擬采用等寬連續式挑流鼻坎消能，泄洪洞的最高運行水位為水庫校核水位1 326.01 m，此時隧洞最大泄流量939.19 m3/s，鼻坎高程1 246.02 m，挑射角θ為25°，鼻坎末端寬度6.2 m，單寬流量151.48 m2/s，下游河床高程1 206.64 m，相應水位1 241.38 m。最大沖坑深度32.54 m，最大挑距62.501 m，沖坑后坡比為0.521，沖坑后坡比滿足規范要求，需對下游河道及兩岸坡進行必要的防護。

5 結 論

1) 泄洪建筑物采用“溢洪道+泄洪隧洞”的組合運用泄洪布置方案，溢洪道和泄洪洞均布置在大壩左岸。調洪論證分析表明，泄洪洞參與泄洪，可縮小溢洪道寬度，減小開挖邊坡高度，對降低施工難度和控制投資均有利。設計優選的組合泄洪方案技術可行、經濟合理。

2) 泄洪洞短洞尺寸(出口寬×高=5.5 m×6 m)與溢洪道3孔(寬×高=8 m×12 m)聯合泄洪，最大下泄流量3 350 m3/s，泄洪洞分攤比例為28.03%(接近30%)，泄流能力滿足要求。

3) 泄洪消能建筑物采用連續鼻坎挑流消能，水流由挑流鼻坎挑入下游河床，各工況下消能效果良好。