陳家田水庫泄洪建筑物布置與設計計算

喬雙

摘 要：泄洪建筑物作為保障水庫大壩安全和防洪度汛重要的水工建筑物，其設計的合理性直接影響到水工建筑質量和整個工程的安全穩定性。針對陳家田水庫左岸坡地形較起伏、地形完整性差、開挖邊坡較高等問題，結合《溢洪道設計規范》（SL 253—2018）等規范標準，設計優選右岸岸坡溢洪道方案，并對溢洪道布置和結構體形進行了詳細論證分析。設計計算成果表明，優選的單孔開敞式溢洪道方案整體布置合理，結構參數和抗滑穩定等指標均滿足規范要求，可為工程順利施工建設提供重要技術指導。

關鍵詞：泄洪建筑物;溢洪道;WES堰面;陳家田水庫

中圖分類號：TV653 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）7-0067-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.015

Abstract： As an important hydraulic structure for ensuring the safety of reservoir dams and flood control，? its rationality design can directly affect the hydraulic structures'quality and the entire project's safety and stability.Focuse on the problems of undulating terrain， poor terrain integrity， and high excavation slope on the left bank slope of ChenJia-tian reservoir， combined with SL 253—2018 and other standards， the right bank slope spillway design scheme has been designed and optimized， and the spillway' layout and structural shape has been analyzed in detail. The design calculation results show that the overall layout with optimal single-hole open spillway scheme is reasonable， and the structural parameters and anti-sliding stability and other indicators can meet the specification' requirements， which can provide important technical support for smooth construction.

Keywords：flood discharge structures; spillway; WES utility weir; Chen Jiatian reservoir

1 工程概況

陳家田水庫位于貴州省興仁市下山鎮大石村境內，距下山鎮24 km，距興仁市25 km，有鄉村公路通至壩肩，交通方便。水庫位于高寨河中游高寨村組以下相對狹窄地帶，高寨河屬于珠江流域北盤江水系麻紗河一級支流。水庫工程控制流域面積2.68 km2，水庫正常蓄水位1 557.00 m，校核洪水位1 558.83 m，死水位1 545.00 m;總庫容113萬 m3，死庫容9.81萬m3，興利庫容78.29萬m3。水庫工程任務是村鎮用水和灌溉用水，年供水總量89.6萬m3，屬Ⅳ等小（1）型工程。水庫工程的建設，既能滿足下山鎮鄉鎮和白巖村、大石村村組人畜安全飲水需求，又能滿足水庫下游13.33萬m2農田灌溉用水需求，對優化下山鎮供水水源結構和促進興仁市農業結構調整具有積極作用。

2 工程開發任務

陳家田水庫供水范圍是下山鎮鄉鎮和白巖村、大石村村組人畜飲水。設計水量89.6萬m3/a，其中鄉鎮缺水量為56.7萬m3/a，農村人畜飲水缺水量為28.1萬m3/a，灌溉供水4.8萬m3/a。可滿足15 263人缺水，其中鄉鎮10 143人，農村5 120人，大小牲畜4 608頭及13.33萬m2下游灌溉。

《貴州省鄉鄉有穩定供水水源工程規劃（2016—2020年）》相關資料顯示，陳家田水庫是規劃中的水源。陳家田水庫的建設，能解決下山鎮鄉鎮及農村人畜飲水及灌溉用水問題，屬民生水利工程，是保證項目區群眾的生活用水，加快興仁市農業現代化和農民奔小康進程的重要基礎水利設施。

3 壩址區工程地質條件

壩址區河段長約150 m，河流呈“S”形展布，河曲發育，總體流向為S64°W;壩址段河谷較窄，呈基本對稱“V”字形谷，河床高程1 528～1 533 m，設計正常高水位1 557 m時，谷口寬80～100 m，寬高比2.6～3.3;左、右岸山脊高程大于1 600 m，為侵蝕河谷地貌。

壩址區地層為（T1f1-2～T1f1-5），其中T1f1-2、T1f1-4巖性為灰巖、泥質灰巖、砂質灰巖、泥灰巖及鈣質泥巖等，為不純碳酸鹽巖夾碎屑巖含水巖組，巖體透水性弱，地下水類型為基巖裂隙水、溶蝕裂隙水;T1f1-3、T1f1-5巖性為砂泥巖，為碎屑巖，巖體透水性弱，地下水類型為基巖裂隙水;深部為（T1f1-1）砂泥巖，地下水類型為基巖溶隙水，該層厚度大，屬相對隔水層;壩址兩壩肩以上山脊為（T1f2）以灰巖為主的地層，巖體透水性中等，地下水類型主要為巖溶水。

4 泄洪建筑物設計

4.1 泄水建筑物軸線選擇

壩軸線上游側岸坡地形緩，坡度15°～30°，下游側地形坡度30°～60°，局部為陡壁，溢洪道布置在右岸開挖邊坡較左岸低，開挖、支護工程量少;河道在壩軸線下游向右彎曲，溢洪道布置在右岸有利于水流順利歸槽。通過壩址區地質條件分析，泄水建筑物適宜布置在右岸。

4.2 泄水建筑物型式比選

為確保泄水方案的技術可行、經濟合理，結合壩址區地質條件，設計優選泄洪洞方案與岸坡溢洪道方案進行綜合比選。

4.2.1 岸坡式溢洪道方案。岸坡式溢洪道由引渠段、控制段、泄槽段和消力池組成。引渠底板高程1 555 m，引渠底板噴20 cm厚C20混凝土，引渠靠山側按1∶0.5坡比開挖，開挖后采用噴10 cm厚C20混凝土+錨桿（鋼筋網）進行支護。控制段位于引渠末端，開敞式單孔布置，溢流凈寬5.0 m，堰頂高程1 557 m，溢流堰采用WES型實用堰，堰面曲線首段為橢圓曲線，其長半軸長0.39 m、短半軸長0.24 m，下游段堰面曲線方程為Y=0.354X1.85，末端通過圓弧與泄槽段起點相接，圓弧半徑2 m。泄槽段按照坡降的不同分為兩段，兩段之間采用圓弧連接，圓弧半徑5 m，泄槽一段從樁號溢0+005.02至溢0+034.04，坡降i為0.01，邊墻高2.0 m，邊墻頂寬0.5 m，內側邊墻鉛直，外側邊墻墻頂以下1 m高鉛直，按照1∶0.5開挖邊坡貼坡澆筑，底板厚0.5 m;泄槽二段從樁號溢0+036.42至溢0+090.77，坡降i為0.556，邊墻高2.0 m，邊墻頂寬0.5 m，內側邊墻鉛直，外側邊墻墻頂以下1.0 m高鉛直，按照1∶0.5開挖邊坡貼坡澆筑，底板厚0.5 m，泄槽底板和邊墻均采用C30鋼筋混凝土，每12 m設置一條伸縮縫，縫內設置橡膠止水。泄槽末端接消力池，消力池底板高程1 522 m，池長18 m，寬5 m，邊墻高4.5 m，底板厚1.0 m，消力池底板和邊墻均采用C30鋼筋混凝土。溢洪道縱剖面布置圖，如圖1所示。

4.2.2 泄洪洞方案。泄洪洞布置在右岸，由引渠段、溢流段、隧洞段、泄槽段和消力池組成。引渠段軸線長14.56 m，引渠底板高程1 555 m，引渠靠山體按照1∶0.5坡比開挖，開挖后采用噴C20混凝土+錨桿（鋼筋網）進行支護。溢流段位于引渠末端，開敞式單孔布置，溢流凈寬5.0 m，堰頂高程1 557 m，溢流堰采用WES實用堰（低堰），堰面曲線首段為橢圓曲線，其長半軸長0.39 m、短半軸長0.24 m，下游段堰面曲線方程為Y=0.354X1.85，末端與泄槽段起點相接。泄槽段起點樁號溢0+003.83，按照坡降的不同分為兩段，第一段從樁號溢0+003.83至溢0+146.97，坡降i為0.02，其中溢0+008.83至溢0+138.83為隧洞段，洞寬5.0 m，洞高3.5 m的城門洞型;溢0+138.83至溢0+145.80段邊墻高4.0 m，泄槽內側邊墻鉛直，外側邊墻墻頂以下1.0 m高鉛直，寬1.0 m，按照1∶0.5開挖邊坡貼坡澆筑，底板厚0.5 m，第二段從樁號溢0+146.97至溢0+175.33段，坡降i為1，邊墻高2.0 m，泄槽內側邊墻鉛直，外側邊墻墻頂以下1.0 m高鉛直，寬1.0 m，按照1∶0.5開挖邊坡貼坡澆筑，底板厚0.5 m，坡降不同的兩段采用圓弧連接，泄槽底板和邊墻均采用C20鋼筋混凝土，按照每10 m設置一條伸縮縫，縫內采用橡膠止水連接。泄槽末端接消力池，消力池底板高程1 524.26 m，池長20 m。

4.2.3 比選結果。岸坡式溢洪道方案土方開挖4 583 m3、石方開挖13 748 m3，建筑工程投資為346.59萬元;泄洪洞方案土方開挖5 228 m3、石方開挖3 485 m3、洞方開挖3 609 m3、棄渣回填582 m3，建筑工程投資為656.12萬元。泄洪洞方案建筑工程投資為岸坡溢洪道方案的1.9倍，且泄洪洞方案施工工期長，后期運行管理不方便，故選擇岸坡式溢洪道方案。

4.3 泄水建筑物設計計算

4.3.1 堰面曲線確定。陳家田水庫溢流堰采用WES型實用堰[1，2]。堰頂上游段堰面曲線采用橢圓曲線，其計算方程為式（1）。

式中：[Hd]為定型設計水頭，m。對于上游堰高[P1]≥1.33[Hd]的高堰，取[Hd]=（0.75～0.95）[Hmax];對于[P1]<1.33[Hd]的低堰，取[Hd]=（0.65～0.85）[Hmax];[aHd]、[bHd]分別為橢圓曲線的長軸、短軸;[a]、[b]分按以下關系選定：當[P1Hd]≥2時，[a]=0.280～0.300，[ab]=0.87+0.3[a];當[P1Hd]<2時，[a]=0.215～0.280，[b]=0.127～0.163。

陳家田水庫[Hmax]=1.83 m，[P1]=2 m;取[Hd]=1.5 m，則[a]=0.26，[b]=0.16。經計算，橢圓曲線方程為：[x20.392+（0.24-y）20.242=1]。

開敞式溢流堰頂下游的堰面曲線采用冪曲線，其方程為式（2）。

式中：k，n分別為與上游面坡度有關的參數。陳家田水庫溢洪道上游面為鉛直面，k=2.0，n=1.85;x、y分別為以溢流堰頂點為坐標原點的坐標，x以向下游為正，y以向下為正。經計算，下游堰面曲線方程為：[y=0.354x1.85]。

4.3.2 結構穩定分析。陳家田水庫溢流堰堰體高4 m，底寬5.02 m，堰體材料為C30鋼筋混凝土。根據《溢洪道設計規范》（SL 253—2018），堰體抗滑穩定按抗剪強度公式進行分析[3-4]，成果如表1所示。

從表1可知，基本組合情況K′>3.0，特殊組合（1）情況K′>2.5，特殊組合（2）情況K′>2.3，堰體抗滑穩定滿足規范要求，溢流堰堰體結構安全可靠。

4.3.3 泄流能力計算。陳家田水庫溢流堰為開敞式單孔布置，按《溢洪道設計規范》（SL 253—2018）計算公式進行分析[5-6]，即式（3）。

式中：[Q]為流量，m3/s;[c]為上游坡面影響系數，取[c]=1.0;[σs]為淹沒系數，取[σs]=1.0 [m];[m]為流量系數;[ε]為側收縮系數;[B]為溢流堰總凈寬（m），[B]=5 m;[H0]為堰上總水頭。按式（1）計算得陳家田水庫溢流堰泄流能力分析成果，如表2所示。

從表2可知，校核洪水位、設計洪水位和消能防沖水位時，下泄流量Q分別為25.8 m3/s、15.9 m3/s和14.3 m3/s，溢流堰泄洪能力滿足設計要求。

4.3.4 泄槽水面線計算。泄槽上游接實用堰，起始計算斷面定在收縮斷面。陳家田水庫校核洪水位為1 558.83 m（P=0.33%），相應下泄流量為25.8 m3/s，堰頂高程1 557.00 m，溢流凈寬5 m。經計算起始計算斷面水深[h1]=0.56 m。按《溢洪道設計規范》（SL 253—2018），根據能量方程，用分段求和法計算。在下泄校核洪水位（P=0.33%）的流量25.8 m3/s時，溢洪道泄槽水面線成果，如表3所示。

安全超高根據《溢洪道設計規范》（SL 253—2018）確定，規范規定邊墻的安全超高為0.5～1.5 m。結合表3分析成果可知，泄槽一段及泄槽二段邊墻高度均取2.0 m。

4.3.5 底流消能計算。陳家田水庫溢流堰消能防沖洪水標準采用20 a一遇，根據調洪演算，消能防沖洪水標準上游水位為1 558.25 m，下游水位為1 524.67 m，相應下泄流量為14.3 m3/s。根據消力池處地形條件，取消力池底板高程為1 522.00 m。經計算，自由水躍長度[L]=22.2 m，消力池長度[Lk]=（0.7～0.8）×[L]=15.5～17.8 m，取[Lk]=18 m。

5 結語

陳家田水庫是貴州省興仁市下山鎮人畜飲水及灌溉用水重要的民生水利工程。為確保設計方案具有較好工程匹配性，該工程設計充分考慮河床及兩岸地形對建筑物布置的影響，從地形地質、堰型、結構穩定性和泄洪能力等方面進行詳細論證分析和設計計算。設計優選的右岸岸坡溢洪道方案，具有地形地質適宜性好、邊坡開挖工程量小、技術經濟效益高、泄洪消能防沖效果好等優點，可為水庫安全運行和防洪度汛提供重要技術支撐。

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