猴山水庫泄水建筑物布置及設(shè)計(jì)綜述

郭鵬高

(綏中縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 葫蘆島 125200)

1 工程概況

1.1 工程規(guī)模

猴山水庫位于綏中縣狗河中游，壩址距綏中縣35km。狗河發(fā)源于綏中縣加碑巖鄉(xiāng)，流經(jīng)秋子溝、明水、范家、前衛(wèi)、沙河、網(wǎng)戶、荒地等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，于網(wǎng)戶鄉(xiāng)后王虎三屯，注入渤海，河長86.7km，流域面積539km2。狗河流域上游似球形，中下游為帶狀呈寬淺型，如圖1所示。

圖1 猴山水庫壩址位置圖

猴山水庫控制面積377km2，壩址以上河長47.9km，水庫總庫容約1.59億m3，根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定猴山水庫工程等別為II等，工程規(guī)模為大(2)型。樞紐建筑物包括引水隧洞、擋水副壩、引水壩段、門庫壩段、溢流壩段以及混凝土擋水壩段，永久性主要建筑物攔河主壩、副壩為2級；引水隧洞、壩后供水管和生態(tài)流量供水管建筑物級別根據(jù)供水重要性(中等)確定為3級；臨時(shí)性建筑物為4級；左右壩頭巖石邊坡級別為2級。攔河主壩洪水校核為1000年一遇，洪水設(shè)計(jì)按100年一遇。水庫設(shè)計(jì)、校核洪水位為134.89m和136.27m，正常蓄水位134.00m，訊限水位131.50m，死水位107.00m，興利庫容1.28億m3。

水庫建成后2020年向東戴河新區(qū)供水2847萬m3，2030年可與擬建工程聯(lián)合調(diào)度后可供水3296萬m3，另外可補(bǔ)償大官帽閘以下農(nóng)業(yè)缺水557萬m3，補(bǔ)償壩址處生態(tài)水量為826萬m3，大官帽閘處生態(tài)水量為72萬m3。

1.2 水文地質(zhì)構(gòu)造

水庫壩址區(qū)地下水有第四系孔隙潛水、構(gòu)造裂隙承壓水和基巖裂隙水等類型。庫尾部地下水位一般接近正常蓄水位，其中下坪河子村揭露一處上升泉，水頭高于正常蓄水位，庫區(qū)兩岸多為山地丘陵，地下水位一般低于正常高蓄水位，但地下分水嶺高程在150m以上，其地下水與狗河河水補(bǔ)給關(guān)系為兩岸地下水補(bǔ)給河水。

猴山水庫位于范家鄉(xiāng)趙家甸村附近，正常高蓄水位按134m回水至明水鄉(xiāng)下屯附近。庫區(qū)主要地貌為低山丘陵，平均海拔500m左右。庫區(qū)內(nèi)河流沿線，凸岸多為懸崖，凹岸多為緩坡，河流兩岸階地分布比較零星，且多不對稱。根據(jù)前期地質(zhì)測繪資料，庫區(qū)內(nèi)分布有大、小型斷層3條(組)，即明水?dāng)嗔褞А1斷層、F1-1上平河子——新莊斷層。

2 泄水建筑物布置方案

2.1 泄水建筑物型式比選

壩址處河谷呈“U”型不對稱，左岸岸坡陡峭(坡角約70°)，右岸岸坡相對平緩(坡角為20°-30°)，河谷底寬約130m，左壩端北側(cè)鞍部已被人工開挖成深槽，底寬約5-10m，底高程111.8m左右。溢流壩段沖刷坑部位覆蓋層較薄，一般厚2-3m，下部基巖為弱風(fēng)化流紋斑巖，屬中硬巖，巖體較完整，無不利軟弱結(jié)構(gòu)面及夾層，巖體抗沖刷能力強(qiáng)。因此，采用重力壩壩型可充分利用混凝土壩的特點(diǎn)，在壩體上布置泄水建筑物，使樞紐布置緊湊，泄流通暢。

經(jīng)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較，在混凝土壩壩體上設(shè)置泄流表孔，具有布置協(xié)調(diào)、水流順暢、消能防沖設(shè)施簡單，工程投資最省、運(yùn)行管理方便等明顯優(yōu)勢，因此設(shè)計(jì)選用壩身溢流表孔泄洪方案。

2.2 消能型式的選擇

考慮到泄水建筑物為壩身泄洪的型式，在壩下游水深天然變幅較小的條件下，可以采用底流消能和挑流兩種消能型式，根據(jù)工程具體情況，壩址下游的覆蓋層較薄，厚度2-3m，巖石強(qiáng)度較高，抗沖能力較強(qiáng)。此外，樞紐溢流壩部分位于河道中間，壩址下游河道較為寬闊，河道順直，無需采取防護(hù)措施。因此，與底流消能型式相比，采用挑流消能，消能方式更為簡單，檢修方便，可節(jié)省大量的消力池混凝土方量，從而使投資更為經(jīng)濟(jì)。綜上所述，可選用挑流消能型式方案。

2.3 溢流壩規(guī)模比選

本次溢流壩規(guī)模的比選是在推薦壩址、壩型為混凝土重力壩、正常蓄水位為134.0m的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。在不改變水庫正常蓄水位、防洪限制水位以及供水能力的前提下，應(yīng)盡可能減低工程投資、方便運(yùn)行管理，合理確定溢流壩規(guī)模。

根據(jù)可研階段詳細(xì)比選的溢流壩規(guī)模，包括118.5m、120.0m、121.5m3個(gè)堰頂高程及42m、56m、70m3個(gè)溢流總凈寬的比選，以及推薦的溢流壩規(guī)模為溢流總凈寬56m，堰頂高程為120.0m，金屬結(jié)構(gòu)布置為4孔單寬14m弧形閘門。該階段考慮堰頂高程保持不變，對不同孔口數(shù)量和尺寸進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)比較，比選方案見表1。

表1 比選方案對比表

從以下幾個(gè)方面深入分析3個(gè)方案：①從壩頂高程分析，根據(jù)規(guī)范計(jì)算溢流壩設(shè)置4孔14m或5孔11m閘門對壩段高程無影響，5孔12m閘門壩頂高程僅降低0.4m，通過穩(wěn)定、應(yīng)力計(jì)算，方案三非擋水壩段體型同方案2的底部寬度相同，僅上部直立部分高度減少0.5m，工程量減少的不多；②從結(jié)構(gòu)方面分析，單孔跨度越大則相應(yīng)梁結(jié)構(gòu)尺寸就越大，帶來制作及吊裝難度的增大；③從運(yùn)用調(diào)度角度分析，采用5孔閘門運(yùn)行靈活，泄流可同步、對稱、均勻啟閉，可防止水流偏流而產(chǎn)生漩渦，減輕下游河道及兩岸的局部沖刷。

通過上述分析，雖然方案二(凈寬55m)比方案一(凈寬56m)的投資略高，但方案在結(jié)構(gòu)和運(yùn)行管理方面的優(yōu)勢更加明顯。同時(shí)，方案二比方案三(凈寬60m)的投資成本低，因此確定方案二為最佳方案。

3 溢流壩段設(shè)計(jì)

3.1 溢流壩段布置

溢流壩段布置于河道的主河床位置，設(shè)有5個(gè)泄洪表孔，布置在(9)-(14)壩段上，采用開敞式孔口，主要擔(dān)負(fù)水庫泄洪任務(wù)，壩段樁號為主壩0+134.00-0+203.00。溢流壩泄流總寬69.0m，凈寬55.0m，堰面曲線為WES型，通過反弧曲線(半徑25.0m)，下游直接與挑流消能鼻坎相連。溢流壩堰頂高程120.0m，分5孔，每孔凈寬11m，中墩厚度2.5m，邊墩厚2.0m，采用堰體分縫，每個(gè)壩段長13.5m，為開敞式溢流壩，壩基高程86.6m。

溢流壩堰頂前部設(shè)置平板檢修門，檢修門的啟閉設(shè)備利用設(shè)在壩頂上的7.5m跨度的雙向門機(jī)，門機(jī)軌頂高程138.20m，在8號擋水壩段上設(shè)檢修閘門門庫。弧形閘門采用液壓啟閉，啟閉機(jī)房位于溢流壩壩頂下游側(cè)的工作橋上，橋面高程138.20m。溢流壩采用挑流消能，挑坎高程為98.16m，挑角為18°，反弧半徑為25.0m。壩體內(nèi)設(shè)城門洞型灌漿廊道，底高程91.80m，距離上游3.0m，廊道孔洞尺寸為2.5m×3.5m。

3.2 定型設(shè)計(jì)水頭Hd計(jì)算

根據(jù)工程布置堰高P1=28.20m，Hmax=16.27m，P1≥1.33Hd，溢流堰屬于高堰，定型設(shè)計(jì)水頭Hd=(0.75-0.95)Hmax。

根據(jù)規(guī)范對堰頂附近堰面壓力規(guī)定，堰面在常遇洪水閘門全開的條件下不宜產(chǎn)生負(fù)壓，堰頂附近負(fù)壓值在設(shè)計(jì)洪水、校核洪水閘門全開的條件下≤0.03MPa(相當(dāng)于3.0m水頭)和0.06MPa(相當(dāng)于6.0m水頭)。因此，選用各水頭比較，取Hd=0.80Hmax=12.954m，此時(shí)堰頂可能出現(xiàn)的最大負(fù)壓見表2。經(jīng)計(jì)算，堰頂可能出現(xiàn)的最大負(fù)壓<規(guī)范值，堰型設(shè)計(jì)滿足要求。

表2 堰頂可能出現(xiàn)的最大負(fù)壓

3.3 堰面曲線

溢流壩堰面采用WES堰，冪曲線計(jì)算公式采用《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A，其表達(dá)式為[1]：

xn=kHdn-1y

(1)

式中：Hd為堰面曲線定型設(shè)計(jì)水頭，文中取堰頂最大作用水頭Hmax的80%；x、y為堰面曲線原下游橫縱坐標(biāo)；k為計(jì)算參數(shù)，取2.0；n為與上游堰坡有關(guān)的指數(shù)。溢流壩上游面垂直，原點(diǎn)上游堰面采用三圓弧曲線，曲線坐標(biāo)見表3。下游曲線取K=2，n=1.85，x1.85=2×12.9540.85y，下游堰面曲線坐標(biāo)見表4。

表3 上游堰面曲線坐標(biāo)

表4 下游堰面曲線坐標(biāo)

3.4 消能挑流鼻坎反弧半徑

1)反弧段半徑。規(guī)范建議以反弧最低點(diǎn)最大水深的4-10倍作為挑流鼻坎反弧半徑，經(jīng)計(jì)算反弧段內(nèi)最大流速v=24.09m/s，因此該工程取偏于下限，反弧半徑R=25m。溢流壩下游反弧段起點(diǎn)樁號為Sta0+023.550，反弧段起點(diǎn)高程106.777m。

2)挑流鼻坎挑角。根據(jù)消能防沖計(jì)算，在挑角θ=18.0°時(shí)較為合適，此時(shí)總挑距為66.13m，沖坑深度16.17m。

3)挑流鼻坎高程。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，挑流鼻坎最低點(diǎn)高程可略低于下游最高洪水位，但宜高處設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)消能防沖的下游水位，該工程下游最高水位為99.42m，消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)泄洪時(shí)對應(yīng)的下游水位為96.85m，根據(jù)計(jì)算和試驗(yàn)確定的出射角及半徑，最后確定坎頂高程98.16m，反弧段最低點(diǎn)高程為96.885m。

設(shè)計(jì)用連續(xù)鼻坎挑流消能，初擬挑射角θ=180，反弧半徑R=25m，坎頂高程98.16m。各運(yùn)行工況下，坎頂流速及水深計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 坎頂流速及水深

3.5 泄流能力計(jì)算

溢流壩泄水能力按下式計(jì)算[1]，結(jié)果見表6。

表6 溢流壩泄流能力計(jì)算成果表

(2)

式中：Q為流量，m3/s；B為溢流堰凈寬，取5×11.0=55.0m；Hw為堰上計(jì)入行進(jìn)流速的總水頭，m；m為流量系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；C為上游面坡度影響修正系數(shù)，上游面垂直，C取1.0；ε為側(cè)收縮系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)，取σs=1.0。

為了驗(yàn)證選用泄水建筑物布置和斷面的可行性和合理性，對猴山水庫樞紐工程泄水建筑物進(jìn)行水工斷面、水工整體的水力學(xué)模型試驗(yàn)，重點(diǎn)對泄水建筑物泄流能力、泄流水面線、上、下游水流流態(tài)、消能效果等進(jìn)行試驗(yàn)研究[3-5]。斷面模型比例為1∶50 ，整體模型比例為1∶100，河床按靜/動(dòng)床狀態(tài)考慮，結(jié)果見表7。

表7 開敞式溢流壩泄流能力(5孔泄流凈寬55m)

試驗(yàn)表明，該方案下挑流鼻坎距溢流堰沖坑較遠(yuǎn)，沖刷坑上游反坡均在1∶3-1∶6之間，滿足設(shè)計(jì)要求[6-9]。

4 結(jié) 論

1)猴山水庫具有泄洪流量大、地形構(gòu)造復(fù)雜等特點(diǎn)，合理布置泄水建筑物對水庫工程建設(shè)及其安全運(yùn)行極其重要，必須以水庫的安全運(yùn)行為基本原則選擇技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的布設(shè)方案。

2)壩壩型可充分利用混凝土壩的特點(diǎn)，在壩體上布置泄水建筑物，使樞紐布置緊湊，泄流通暢。經(jīng)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較，在混凝土壩壩體上設(shè)置泄流表孔，具有布置協(xié)調(diào)、水流順暢、消能防沖設(shè)施簡單，工程投資最省、運(yùn)行管理方便等明顯優(yōu)勢，因此設(shè)計(jì)選用壩身溢流表孔泄洪方案。

3)為驗(yàn)證泄水建筑物斷面和布置的合理性、可行性，對其進(jìn)行水工整體、水工斷面的水力學(xué)模型試驗(yàn)，重點(diǎn)對泄水建筑物泄流能力、泄流水面線、上、下游水流流態(tài)、消能效果等進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，該方案下挑流鼻坎距溢流堰沖坑較遠(yuǎn)，沖刷坑上游反坡均在1∶3-1∶6之間，滿足設(shè)計(jì)要求。