水庫工程擋水建筑物及泄水建筑物設計研究

宋思亮

（梅州市水利水電勘測設計院有限公司,廣東 梅州 514400）

1 工程概況

豐順縣教堂水庫工程位于豐順縣豐良河二級支流銀山水上,壩址位于銀山水與坳頭支流匯入口上游約130 m 處,見圖1。本項目為綜合利用工程,建壩蓄水的主要用途為灌溉和供水,根據豐良鎮(zhèn)經濟社會發(fā)展要求,并結合鎮(zhèn)政府和當地水務部門的意見后,確定本工程的任務為供水和灌溉,提高供水和灌溉保證率。結合工程區(qū)情況,以為水稻主,兼種旱作、稻旱輪作等實際情況,灌溉設計保證頻率取90%,供水保證率取95%。

圖1 工程地理位置

2 確定工程規(guī)模

本工程灌溉范圍為大椹水沿岸成西、成東、復興、莘橋等村委耕地,共計6761 畝,其中：成西村2338 畝、成東村2054 畝、復興村1735 畝、莘橋村635 畝。供水范圍為現成西水廠供水范圍,包括豐良鎮(zhèn)區(qū)及成西、成東、莘橋、復興、小椹、豐京、豐溪等7 個行政村,到規(guī)劃水平年2030年供水范圍人口為35320 人,其中常住人口18292 人,外出務工人員為17028 人[1]。

經水庫調節(jié)計算,本工程水庫總庫容上壩址方案為208.05 萬m3, 中壩址方案為213.25 萬m3, 下壩址方案為264.43 萬m3；設計灌溉面積為0.68 萬畝；年引水量（供水）130.97 萬m3。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）,確定本工程規(guī)模為Ⅳ等小（1）型。

3 做好洪水設計

3.1 設計洪水

由于工程流域內無實測洪水資料,因此設計洪水由設計暴雨推求,設計洪水根據“多種方法,綜合分析,合理取值”的原則,以《廣東省暴雨徑流查算圖表》及《廣東省暴雨參數等值線圖》為基礎,采用廣東省綜合單位線法及推理公式法（1988年修訂）兩種不同方法進行計算,通過反復試算調整匯流參數協(xié)調兩種方法計算的成果,并分析成果的合理性,最終選定采用廣東省綜合單位線法計算成果[2],計算結果見表1。

表1 設計洪水計算成果表 單位：m3/s

3.2 施工洪水

工程臨時導流建筑物級別確定為5 級,導流建筑物洪水標準按導流建筑物類型確定。根據本工程施工組織設計,上壩址及中壩址方案壩型為重力壩,施工導流采用壩體底孔導流,故確定上壩址及中壩址方案導流建筑物洪水標準按取3年一遇（全年）,壩體施工期臨時渡汛洪水標準按取10年一遇（全年）。下壩址方案為土石壩,圍堰采用土石圍堰,導流建筑物洪水標準按取5年一遇（全年）[3]。

施工期導流洪水采用廣東省綜合單位線法計算,上壩址3年一遇（P=33.3%）設計洪峰流量為74.4 m3/s,10年一遇（P=10%）設計洪峰流量為105 m3/s；中壩址3年一遇（P=33.3%）設計洪峰流量為92.3 m3/s,10年一遇（P=10%）設計洪峰流量為131 m3/s,下壩址5年一遇（P=20%）設計洪峰流量為117 m3/s。

4 主要建筑物設計

4.1 擋水建筑物設計

在擋水建筑物設計中,需要做好波浪要素和波浪高度的計算[4]。

（1）波浪要素計算

根據《水工建筑物荷載設計規(guī)范》（SL 744-2016）,波浪要素采用莆田公式計算。

1）平均波高計算

根據豐順縣氣象資料,多年平均年最大風速為13.29 m/s,重現期P=2%年最大風速為21.0 m/s。平均波高計算公式如下：

式中：H 為平均波高,m；V 為計算風速,m/s；F 為風區(qū)長度,m；d 為水域的平均水深[5],m；g 為重力加速度,取9.81 m/s2。

平均波高計算結果見表2。

表2 平均波高計算成果

2）平均波周期計算

平均波周期按如下公式計算：

式中：T 為平均波周期,s。

3）平均波長計算

波長按如下公式計算：

式中：L 為平均波長[6],m。

（2）波浪高度計算

根據《水工建筑物荷載設計規(guī)范》（SL 744-2016）,波浪高度采用如下公式計算：

式中：hz為波浪中心線至計算水位的高度,m；H 為擋水建筑物迎水面的水深,m；hp%為累積頻率為P%的波高,m,本工程取h1%。

波浪高度計算成果見表3。

表3 波浪高度計算成果

（3）擋水建筑物設計

攔河壩采用常態(tài)混凝土重力壩,壩底高程188 m 壩頂高程240.3 m,最大壩高52.3 m,壩頂寬度6.0 m,最大壩底寬度44.18 m,壩頂軸線長113.36 m,溢流壩段布置在大壩中部,長度為12.5 m,左側非溢流壩段長度為50.05 m,右側非溢流壩段長50.81 m[7]。

非溢流壩段壩頂高程240.3 m,壩頂寬度6 m,上游壩面205.4 m～240.3 m 高程以上鉛直,205.4 m 以下壩面坡度為1∶0.15,下游壩面高程230.6 m 以上鉛直,高程230.6 以下坡度為1∶0.8。

溢流壩段堰頂高程為234.82 m,溢流堰采用曲線型實用堰,上游壩面高程205.4 m～234.44 m 鉛直,205.4 m 高程以下壩面坡度為1∶0.15,下游壩面高程205.63 m～232.12 m 坡度為1∶0.8,205.63 m 高程以下接挑流反弧段。溢流堰寬共11.0 m,設2 孔,每孔凈寬為5.5 m,中間設中墩,中墩厚1.5 m,兩邊設邊墩,邊墩厚1.5 m,墩頂高程為240.3 m,壩頂設交通橋。

壩體內設灌漿廊道,采用城門洞,寬2.5 m,高3.25 m,頂拱中心角180°,廊道中心線位于壩頂中心線下游1.25 m,河谷水平段底高程為200 m,兩側壩肩段高程為200 m～221.3 m,坡度為1∶1,在兩側壩肩221.3 m 高程處各設一個出口,灌漿廊道底部壩體混凝土厚度按不小于3 m 控制[8]。

4.2 泄水建筑物設計

由于開敞式溢洪道泄流能力大,且運行檢修方便,故本工程泄水建筑物采用開敞式溢洪道,堰型采用流量系數較大的曲線型實用堰。設計出了兩個方案：

方案1：堰頂高程為正常蓄水位,堰頂不設閘門,溢流堰凈寬26.8 m,布置4 孔,每孔6.7 m,設3 個中墩,中墩寬1.5 m,溢流堰總寬31.3 m。

方案2：堰頂低于正常蓄水位,堰頂設閘門,布置方式如方案1。

方案1 的優(yōu)點為堰頂不設閘門,可節(jié)約防洪閘及啟閉機的投資,減少值班管理人員。缺點是溢流堰總寬過大,不利于引水等進水口建筑物的布置；方案2 的優(yōu)點是可以減少溢流堰寬度,有利于其他建筑物的布置。缺點是需增加閘防洪閘及啟閉機的投資,增加值班管理人員[9]。

對比兩種方案,若采用方案1,因壩址段河谷狹窄,引水及放空設施進水口難于布置,堰頂至壩下挑流鼻坎之間的溢洪道邊墻收縮角過大,產生的沖擊波過大,不利于建筑物的安全,故本工程溢洪道設計采用方案2。

泄水建筑物布置于大壩溢流壩段,采用開敞式溢洪道,溢流堰寬共11.0 m,設2 孔,每孔凈寬為5.5 m,堰頂高程為234.82 m,堰型采用曲線型實用堰（WES 冪曲線）,定型設計水頭為Hd=2.8 m,Hd/Hmax=84.8%,上游堰頭采用三圓弧曲線,圓弧半徑為R1=1.4 m,R2=0.56 m,R3=0.11 m,下游堰面采用WES冪曲線,曲線方程參數k=2.0,n=1.85。堰體下游高程232.12 m處接溢洪道泄槽,泄槽寬12.5 m,坡度1∶0.8,長33.93 m,兩側設邊墻,邊墻高2.4 m。泄槽末端高程205.63 m 處接消能建筑物,本工程采用挑流消能,槽寬12.5 m,反弧半徑為15 m,挑射角為15°,反弧最低點高程為200 m,挑流鼻坎高程為200.51 m[10]。

5 結論

（1）灌溉效益。工程建成后,灌溉面積0.68 萬畝（水田）。在農業(yè)技術措施不變的情況下,預計土地灌溉面積的年產量在原基礎上增加50%,即水稻產量增加418.1 kg/（畝·a）。稻谷的價格以1.9 元/kg 計。則灌溉效益：0.68×418.1×1.9=540.18 萬元。

（2）供水效益。經綜合考慮,國民經濟評價應急水價按1.7 元/m3計算,則此工程的年應急供水效益為181.68 萬元。

（3）社會效益。工程的建設能優(yōu)化水資源配置,在保證灌溉的基礎上,有效提高成西水廠的供水保證率,滿足民眾的用水要求,解決供水與灌溉用水的矛盾,從而減少社會矛盾,對維護社會和諧與穩(wěn)定起到積極作用。以損失法計算,按工農業(yè)生產受項目影響造成的損失,則工程社會效益為92 萬元。