冉渡灘水庫規(guī)劃設(shè)計研究

翁娜娜

（遵義灌區(qū)管理局，貴州 遵義 563000）

1 工程概況

洪渡河為烏江下游左岸一級支流，流域面積3 677 km2，干流河長205 km，多年平均徑流量27.0億m3，河谷深切狹窄，水流湍急，干流河道天然落差981 m，水力理論蘊藏量25.8萬kW，技術(shù)可開發(fā)量14.3萬kW。冉渡灘水庫壩址位于洪渡河務(wù)川縣馬村壩河段，壩址以上流域面積997 km2、干流河長58.1 km，多年平均徑流量7.03億m3，多年平均流量22.3 m3/s[1]。

2003—2005 年期間，貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院與中國水電顧問集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院開展了洪渡河流域規(guī)劃研究工作，提出了洪渡河干流德隆（848.00 m）、大水河（769.00 m）、冉渡灘（738.00 m）、紅毛洞（695.00 m）、沙壩（615.00 m）、石埡子（544.00 m）、高生（337.00 m）共計7 級的梯級開發(fā)方案。其中，冉渡灘水庫為第三級，因供水能力大、水質(zhì)好、位置較高、可實現(xiàn)自流輸水而具有覆蓋面廣、受益對象多、綜合效益突出的優(yōu)勢，被列入《貴州省水利建設(shè)生態(tài)建設(shè)石漠化治理綜合規(guī)劃》，并于2011年7月獲得國家發(fā)改委審批。該工程規(guī)劃任務(wù)是為城鎮(zhèn)、工業(yè)、農(nóng)村人飲供水及農(nóng)田灌溉供水，規(guī)劃總庫容5 480 萬m3，興利庫容2 830 萬m3，年供水量6 000萬m3[2]。

2 水文地質(zhì)

2.1 氣象水文

洪渡河流域?qū)僦衼啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，主要受兩高切變和冷鋒型天氣系統(tǒng)影響，冬暖夏熱，四季分明，雨量較豐沛，多年平均年降水量1 186.9 mm，設(shè)計壩址以上流域多年平均面降水量為1 189.0 mm，降水集中在4—9月，占年總量的76.7%。

洪渡河屬典型的山區(qū)雨源型河流，徑流由降水補給，徑流特性與降水基本一致，由于岸坡陡峭、河床下切，河槽調(diào)蓄作用小，洪峰一般僅持續(xù)1～2 h，多為單峰。壩址處徑流與洪水計算成果，詳見表1—2。

表1 壩址徑流統(tǒng)計分析成果

表2 壩址設(shè)計洪水計算成果

2.2 工程地質(zhì)

工程區(qū)距區(qū)域性斷層較遠(yuǎn)，地震活動水平低，構(gòu)造穩(wěn)定。洪渡河為區(qū)內(nèi)地下水最低排泄基準(zhǔn)面，庫區(qū)含水巖組隔水性能較好，地表地下水無侵蝕性。庫區(qū)兩岸山體寬厚，地形封閉條件較好，區(qū)內(nèi)斷裂不發(fā)育，無永久性滲漏問題，成庫條件較好，庫首沿淺表部及繞壩肩裂隙型滲漏可作適當(dāng)防滲處理。庫區(qū)基巖多裸露，抗風(fēng)化能力較弱，受雨季地表水沖刷和蓄水后動水影響可能造成一定泥沙淤積[3]。

壩址處壩基較完整，主要為BⅣ1類，強度較高；部分為CⅣ類，抗滑、抗變形性能受結(jié)構(gòu)面及軟質(zhì)巖體一定程度的控制，宜選建重力壩型。河槽壩基河床沖洪積砂卵礫石及淤泥質(zhì)層開挖存在邊坡失穩(wěn)可能；左、右壩肩局部陡傾裂隙構(gòu)造與層面組合形成岸坡局部不穩(wěn)定塊體；壩址邊坡存在由弱卸荷帶裂隙、河床臨空面、層面組成的不穩(wěn)定地質(zhì)體，均應(yīng)采取支護(hù)等工程處理。

3 工程規(guī)劃設(shè)計

3.1 工程規(guī)模與任務(wù)

冉渡灘水庫設(shè)計基準(zhǔn)年為2015 年，設(shè)計水平年為2030 年，正常蓄水位738.00 m，發(fā)電限制水位730.00 m，死水位724.00 m，正常蓄水位庫容4 490萬m3，興利庫容2 830萬m3，死庫容1 660萬m3，庫容系數(shù)4.03%，具備不完全年調(diào)節(jié)性能。水庫規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，永久性水工建筑物為3 級，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500 a一遇，電站為壩后式廠房，裝機容量為17 MW。

冉渡灘水庫設(shè)計供水能力9 120萬m3/a，多年平均供水量8 990萬m3/a，其中中心城區(qū)供水1 240萬m3/a、工業(yè)園區(qū)供水6 470 萬m3/a、農(nóng)村人畜飲水供水350萬m3/a（以上保證率P=95%），多年平均農(nóng)灌供水930 萬m3/a，河道內(nèi)水力發(fā)電供水4.70 億m3/a（以上保證率P=80%）。

3.2 工程選址與布置

根據(jù)建壩河段地形地質(zhì)條件，擬定上下兩壩址比選。上壩址位于旋塘河灣以上約500 m 處峽谷河段，采用拱壩樞紐布置；下壩址位于旋塘河灣至原擋水壩之間，采用重力壩樞紐布置。上下壩址相距約800 m，兩岸地形總體狹窄陡峻，中硬基巖較完整，適宜修建剛性壩。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較發(fā)現(xiàn)，下壩址地形地質(zhì)條件和施工條件較好，且較上壩址投資節(jié)省近2 000萬元，故選定為推薦壩址。

推薦壩址河谷為不對稱性“V”形河谷，寬高比為2.9，基礎(chǔ)巖體較完整，左岸及河床基礎(chǔ)巖性均一；右岸中下部及上部為灰?guī)r、中上部為頁巖，巖性不均一，不適宜建設(shè)拱壩。工程最大下泄流量約5 000 m3/s，岸邊式泄洪建筑物存在高邊坡問題，布置難度較大，因此不適宜建設(shè)面板堆石壩[4]。

擬建大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程742.5 m，最大壩高69.0 m，最大壩底寬62.3 m，壩頂長183.0 m。大壩左右兩側(cè)為非溢流壩段，長度分別為76.0、56.0 m，中間溢流壩段長47.0 m。壩體內(nèi)靠上游側(cè)設(shè)1 道灌漿兼排水廊道，下游側(cè)設(shè)1道副排水廊道，壩體設(shè)置1 排Φ200 排水口，上游壩坡708.0 m 高程以上鉛直、以下1∶0.2，下游壩坡732.0 m 高程以上鉛直、以下1∶0.8，壩頂寬8.0 m，壩軸線方向角為N62.26°E。

泄水建筑物采取泄洪表孔設(shè)閘布置形式，取水建筑物布置在左壩段，采取塔式進(jìn)水口+壩身埋管布置形式；發(fā)電引水建筑物布置在右壩段，選取一管一機方案，采取塔式進(jìn)水口+壩身埋管+壩后背管布置形式；發(fā)電廠房采用壩后地面式廠房；供水區(qū)輸水采用有壓重力流管道輸水，灌區(qū)采用無壓重力流明渠輸水。下壩線碾壓混凝土重力壩樞紐布置，如圖1所示。

圖1 下壩線碾壓混凝土重力壩樞紐布置

3.3 擋水建筑物設(shè)計

3.3.1 高程計算

根據(jù)調(diào)洪計算成果，冉渡灘水庫校核洪水位為741.28 m，正常蓄水位為738.00 m，計算吹程D=0.8 km，多年平均最大風(fēng)速10.6 m/s，計算風(fēng)速正常情況15.9 m/s、校核情況10.6 m/s，壩頂高程按下式計算：

式中：Δh為壩頂距水庫靜水位高度（m）；h1%為累積頻率為1%的浪高（m）；hz為波浪中心線至水庫靜水位的高度（m）；hc為安全超高（m），正常蓄水位取0.4 m、校核洪水位取0.3 m；g為重力加速度（m/s2）；v0為計算最大風(fēng)速（m/s）；D為風(fēng)區(qū)長度（m）；Lm為平均波長（m）；π為常數(shù)；H1為壩前水深（m）；hm為平均波高（m）。

壩頂高程計算成果，詳見表3。由表3 可知，校核洪水位壩頂高程為741.94 m，實際壩頂高程取742.50 m。

表3 壩頂高程計算成果m

3.3.2 應(yīng)力計算

壩體、閘墩、導(dǎo)墻等計入大壩自重，混凝土容重取24 kN/m3。

靜水壓力分為水平向水壓力和豎直向水重，水平向水壓力按三角形分布，按下式計算：

式中：γw為水的容重（kN/m3），取9.81 kN/m3；H為工況下作用水頭（m）。

壩踵處揚壓力作用水頭為水庫上游水頭，壩趾處為水庫下游水頭。作用在大壩單位長度上的水平淤沙壓力按下式計算：

式中：γsb為淤沙浮重度（kN/m3），取8 kN/m3；hs為大壩壩前的淤沙淤積厚度（m），按50 a 壩前淤沙高程720 m計；φs為淤沙的內(nèi)摩擦角（°），取14°。

波浪要素按官廳水庫公式計算，作用在大壩單位長度上的浪壓力按下式計算：

式中：Pwk為單位長度迎水面上的浪壓力（kN/m）；其余變量含義同上。

設(shè)計洪水位和校核洪水位下泄洪時溢洪道反弧段單寬水流離心力按下式計算：

式中：Pxr為單位寬度上離心力合力的水平分力（N/m）；Pyr為單位寬度上離心力合力的垂直分力（N/m）；q為單寬流量（m2/s）；v為反弧段最低點處斷面平均流速（m/s）；φ1為反弧段圓心角（°）；φ2為反弧段挑射角（°）；ρw為靜水壓力（MPa）。

兩化融合能有效推動技術(shù)進(jìn)步、提升生產(chǎn)效率，推動我國經(jīng)濟(jì)提質(zhì)升級。假設(shè)檢驗結(jié)果充分說明，第二產(chǎn)業(yè)兩化融合發(fā)展水平與投入產(chǎn)出比、人均工業(yè)增加值、全要素生產(chǎn)率呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系(如圖8)。這表明，兩化融合的深入推進(jìn)，伴隨著固定資產(chǎn)投資效率的不斷提升、勞動生產(chǎn)率的不斷增長，還伴隨著技術(shù)進(jìn)步的快速發(fā)展。因此，兩化融合對于處理好我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度與質(zhì)量的關(guān)系，實現(xiàn)質(zhì)量提升“對沖”速度放緩，將經(jīng)濟(jì)發(fā)展推向質(zhì)量效益時代具有重大意義。

大壩應(yīng)力按下式計算：

持久計算工況考慮基本荷載組合1 正常蓄水位、基本荷載組合2設(shè)計洪水位；偶然計算工況考慮特殊荷載組合1校核洪水位、特殊荷載組合2施工期臨時擋水工況。根據(jù)計算成果可知，基本荷載組合下，最大壓應(yīng)力為0.92 MPa；特殊荷載組合下，最大壓應(yīng)力為0.98 MPa，大壩上游面未出現(xiàn)拉應(yīng)力，均滿足規(guī)范要求。

3.3.3 穩(wěn)定計算

壩基抗滑穩(wěn)定計算按壩段進(jìn)行，分別在右岸取水口壩段、溢流壩段和左岸非溢流壩段各選取1 個有代表性的斷面進(jìn)行，斷面樁號分別為0+033.00、0+093.00、0+120.00。沿水平壩基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K1及深層單滑面、雙滑面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K1′、K2′計算公式如下：

式中：W為作用于壩體的全部荷載豎直向分值（kN）；∑P為作用于壩體的全部荷載的水平向分值（kN）；G1為第一滑裂面上巖體自重（kN）；G2為第二滑裂面上巖體自重（kN）；f1為壩體與基巖接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)；f1′為壩體與第一滑裂面的抗剪斷摩擦系數(shù)；f2′為壩體與第二滑裂面的抗剪斷摩擦系數(shù)；C1為壩體與基巖接觸面的抗剪斷凝聚力（kN）；C1′為壩體與第一滑裂面的抗剪斷凝聚力（kN）；C2′為壩體與第二滑裂面的抗剪斷凝聚力（kN）；A為壩基截面積（m2）；A1為第一滑裂面面積（m2）；A2為第二滑裂面面積（m2）；α為第一滑裂面與水平面的夾角（°）；β為第二滑裂面與水平面的夾角（°）；U1為第一滑裂面上的揚壓力（kN）；U2為第二滑裂面上的揚壓力（kN）；U3為第一、二滑裂面巖體作用面上的揚壓力（kN）；Q為第一、二滑裂面巖體作用面上的作用力（kN）；φ為第一、二滑裂面巖體作用面與水平面的夾角（°）。

根據(jù)鉆孔取樣試驗值確定巖土力學(xué)指標(biāo)，基于建基面地質(zhì)情況按計算斷面各巖層在壩基所占比例進(jìn)行加權(quán)平均，計算工況同3.3.2，可知基本荷載組合工況最小安全系數(shù)為3.08，大于規(guī)范規(guī)定的3.0；特殊荷載組合最小安全系數(shù)為2.63，大于規(guī)范規(guī)定的2.5。壩體抗滑穩(wěn)定計算成果，詳見表4。

表4 壩體抗滑穩(wěn)定計算成果

3.4 泄洪建筑物設(shè)計

堰面曲線采用下式計算：

式中：k、n為與上游面坡度有關(guān)的參數(shù)，當(dāng)上游面鉛直時k=2.0、n=1.85；Hd為巖面曲線定型設(shè)計水頭（m）；x、y分別為以溢流堰定點為坐標(biāo)原點的坐標(biāo)，x向下游為正方形，y向下為正方形；m為實用堰流量系數(shù)。

經(jīng)計算，得到堰面曲線方程為y= 0.046 2x1.85。

泄流能力采用下式計算：

式中：Q為流量（m3/s）；B為孔口總凈寬（m）；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；σ淹為淹沒系數(shù)；H0為計入行近流速水頭的堰上總水頭（m）；m為實用堰流量系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）。

泄流能力復(fù)核計算成果，詳見表5。

表5 溢洪道泄流能力復(fù)核計算成果

泄槽水面線按照能量方程，用分段求和法計算，公式如下：

式中：ΔL1-2為分段長度（m）；h1、h2分別為分段始末斷面水深（m）；v1、v2分別為分段始末斷面平均流速（m/s）；α1、α2分別為流速分布不均勻系數(shù)；θ為泄槽底坡角度（°）；i為泄槽底坡；J為分段平均摩阻系數(shù)；n為泄槽糙率系數(shù)；v為分段平均流速（m/s）；R為分段平均水力半徑（m）；hb為計入波動和摻氣的水深（m）；h為不計入波動和摻氣的水深（m）；ξ為修正系數(shù)，取1.2；g為重力加速度（m/s2）。

經(jīng)計算可得，當(dāng)發(fā)生校核洪水（P=0.2%）時，下泄流量為5 050 m3/s；當(dāng)發(fā)生設(shè)計洪水（P=2.0%）時，下泄流量為3 510 m3/s。溢洪道泄槽各斷面水深與平均流速計算成果，詳見表6。其計算結(jié)果與水力學(xué)模型試驗成果基本吻合。

表6 溢洪道泄槽各斷面水深與平均流速計算成果

4 結(jié)語

為開發(fā)利用洪渡河流域資源，貴州省提出了洪渡河七級梯級開發(fā)利用方案，為保障務(wù)川縣工農(nóng)業(yè)供水和人畜飲水需求，需要對梯級開發(fā)方案中的第三級冉渡灘水庫開展規(guī)劃設(shè)計研究。本文針對洪渡河流域水系特征，研究計算壩址設(shè)計徑流與洪水成果；通過對庫區(qū)和壩址處地質(zhì)條件分析評價，確定了碾壓混凝土重力壩的壩型，并確定水庫規(guī)模、主要任務(wù)和總體布置。根據(jù)得到的水庫總體布置方案，對關(guān)鍵的擋水和泄流建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)敘述，并介紹重要參數(shù)的計算過程，通過水庫建設(shè)與運行管理情況來看，該設(shè)計方案是合理的。