白歲河水庫泄洪建筑物布置與設計計算

摘" 要：泄洪建筑物作為汛期大壩攔蓄洪水和泄洪消能的核心構建物，其設計合理性直接影響到大壩運行的安全穩定乃至整個工程的成敗。針對白歲河水庫右岸坡地形為順向坡、開挖邊坡較高等問題，經泄洪建筑軸線、結構型式和布置形式的對比分析，設計優選左岸岸坡側槽溢洪道方案，并對溢洪道關聯技術參數進行詳細計算論證。分析成果表明，優選的凈寬8 m的開敞式溢洪道方案與工程特性具有較好的匹配性，溢洪道結構參數及抗滑穩定等特性參數均滿足規范要求。設計成果可為類似工程設計和施工提供方法和經驗借鑒。

關鍵詞：泄洪建筑物；溢洪道；WES堰面；白歲河水庫；結構參數

中圖分類號：TV653" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）17-0119-04

Abstract： As the core structure of flood storage， flood discharge and energy dissipation of the dam in flood season， the rationality of its design directly affects the safety and stability of the dam operation and the success or failure of the whole project. Aiming at the problem that the topography of the right bank slope of Baisuihe Reservoir is a forward slope and the excavated slope is higher， through the comparative analysis of the axis， structure type and layout form of the flood discharge building， the spillway scheme of the left bank slope is designed and optimized， and the related technical parameters of the spillway are calculated and demonstrated in detail. The analysis results show that the optimized open spillway scheme with a net width of 8 meters has a good match with the engineering characteristics， and the structural parameters and anti-sliding stability of the spillway meet the requirements of the code. The design results can provide some methods and experience for the design and construction of similar projects.

Keywords： flood discharge structure; spillway; WES Weir surface; Baisuihe Reservoir; structural parameters

山區水庫設計流域內洪水受暴雨影響較大，洪水呈現洪峰量大且短時集中、陡漲陡落等特點[1]。水庫工程規劃建設中，泄洪建筑物能否可靠攔蓄洪水和泄洪消能，直接影響到工程質量、防洪度汛及水資源調配的經濟可靠性，甚至關系到整個工程的成敗[2-3]。白歲河水庫采用混凝土面板堆石壩壩型，結合壩址左右兩岸地形條件及河道走向，開展泄水建筑物軸線、結構型式和布置形式等方面的研究，以解決好水庫大壩汛期洪水的可靠泄洪、充分消能和降低下游沖刷破壞等關鍵技術問題，確保工程高效優質施工建設。

1" 工程概況

白歲河水庫地處松桃苗族自治縣甘龍鎮大水溪中游，距甘龍鎮約7 km。壩址以上控制流域面積3.18 km²，多年平均徑流量229萬m³，多年平均流量0.073 m³/s。水庫校核洪水位691.72 m，正常蓄水位690.00 m，死水位668.00 m，總庫容137萬m³，興利庫容114.47萬m³。工程任務是鄉鎮、農村人畜供水和灌溉供水，年供水總量155.1萬m³，為Ⅳ等小（1）型工程。水庫是松桃縣重要的水源工程之一，其建設可解決甘龍鎮24 152人的安全飲水及800畝（1畝約等于667 m²）水田的灌溉用水，對解決當地工程性缺水和水資源供需矛盾，提高農業防災減災能力和促進當地脫貧致富，具有非常重要的作用。

2" 壩址區工程地質條件

壩址區位于四水塘支溝交匯處下游，距下游黃家村約1.2 km，該壩址壩段長約200 m，河流總體流向近南北向，自北流向南；壩址段河谷為基本對稱“V”字型谷，河床高程654～661 m，設計正常高水位690 m時，谷口寬84.7 m，寬高比2.6；左、右岸山脊高程大于800 m。壩址兩岸地形相對單一，總體為山脊地形側面，左岸坡面較平整，起伏差較小；右岸下部稍有起伏，下游有小型沖溝發育。兩岸總體地形坡度30～45°。河床寬10～20 m，河流比降約1.41%，總體較平緩，壩軸線下游約114 m有跌坎發育，跌坎帶比降約12.5%，總高差約16 m。

壩址區主要出露奧陶系下統地層（O1）、第四系（Q）。巖體較完整，巖層呈單斜產出，巖層產狀為N0°～20°E/SE∠45°～60°，總體傾向左岸，壩址區未見大的地質構造形跡，主要發育3組裂隙。物理地質現象主要為巖體風化卸荷，左岸覆蓋層厚0～2 m，強風化層厚4～6 m，弱風化層厚6.5～8.5 m；右岸覆蓋層厚0～2 m，強風化層厚4～6 m，弱風化層厚6～8 m；河床覆蓋層厚1～6 m，強風化層厚3.5～5 m，弱風化層厚5～7 m。（O₁d²～O₁d³）碎屑巖夾少量不純碳酸鹽巖地層，屬弱巖溶含水～相對隔水層，地下水類型以基巖裂隙水為主。兩岸山體較雄厚，根據ZK-4、ZK-5、ZK-6鉆孔地下水位觀測結果可知，兩岸地下水補給河床，推測左岸地下水坡降5%～40%；右岸地下水坡降為15%～40%。根據壓水資料分析弱風化以上巖體透水率較高，一般大于5 Lu，局部注水；微風化至新鮮巖體透水率低，一般小于3 Lu。

3" 泄洪建筑物選擇

3.1" 泄水建筑物軸線選擇

從地形地質條件上看，兩岸均可布置溢洪道，巖層產狀陡傾向左岸，即左岸為逆向坡，右岸為順向坡，傾角約40～60°，兩岸巖性為泥灰巖、泥巖等較軟巖，覆蓋層較薄，大部分基巖裸露，自然邊坡穩定性較好。右岸為順向坡，邊坡開挖坡比較左岸大，若溢洪道布置在右岸，引渠和泄槽開挖后邊坡問題較突出，右岸溢洪道方案開挖量較大，投資明顯比左岸溢洪道方案高。另外，溢洪道布置在左岸，溢洪道下泄水流更易歸入河道，同時還會避免干擾取水兼放空系統的布置。因此，結合壩址下游河道走向，從減少工程投資，溢洪道下泄水流能更好地歸入河道的角度出發，溢洪道選擇布置在左岸更合理。

3.2" 泄水建筑物結構型式比選

根據面板堆石壩樞紐布置調洪演算，水庫最大下泄流量為36.2 m³/s，且最大壩高為42.8 m，采用正槽式溢洪道和側槽溢洪道均可行。

3.2.1" 左岸正槽溢洪道

由引渠段、控制段、泄槽段、消力池段和尾水渠段組成，其中，溢洪道引渠段長42.087 m；控制段位于引渠段末端，控制段長2.726 m，溢流凈寬8.0 m，開敞式溢流；泄槽段分為樁號溢0+004.435～溢0+005.958和樁號溢0+008.609～溢0+078.839，連接段采用拋物線，方程為y=0.1x+0.044x²；溢洪道泄槽與消力池采用圓弧相接，圓弧半徑5.0 m；消力池長20.0 m，池深1 m，寬6.0 m，邊墻高4.1 m。消力池后用尾水渠將水引入河道，采用臺階消能形式，臺階寬0.75 m，高0.25 m。

3.2.2" 左岸側槽溢洪道

采用開敞式溢洪道，由控制段、側槽段、調整段、泄槽段、消力池段和尾水渠段組成。其中，控制段為開敞式溢流實用堰，側堰溢流凈寬8 m，堰頂高程為690.00 m，溢流堰采用WES實用堰，堰面曲線首段為橢圓曲線；側槽段首端底寬5.347 m，末端底寬6.0 m，與泄槽同寬；調整段長度7.0 m，底板為水平的；調整段后接泄槽段，泄槽段分為樁號溢0+015.42～溢0+021.378和樁號溢0+024.029～溢0+094.258，連接段采用拋物線；溢洪道泄槽與消力池采用圓弧相接，圓弧半徑5.0 m，消能防沖按20年一遇洪水設計，Q=21.3 m³/s。消力池長20.0 m，池深1 m，寬6.0 m，邊墻高4.1 m；消力池后用尾水渠將水引入河道，采用臺階消能形式，臺階寬0.75 m，高0.25 m。

3.2.3" 溢洪道結構型式選擇

溢洪道布置于左岸，正槽和側槽溢洪道軸線基本一致。正、側槽溢洪道的主要差別在于泄槽前進水渠段和調整段，雖正槽溢洪道水力條件較好，但左岸壩端處地形較平直，為水流平順，布置正槽溢洪道需要設置較長引渠段，由于岸坡陡峭，引渠段開挖量較大，相應的支護量較大，在其他條件均相當的情況下，修建側槽溢洪道，可減少開挖和邊坡支護工程量，減少投資59.46萬元。因此，設計優選側槽溢洪道作為左岸溢洪道方案。

3.3" 泄水建筑物布置形式比選

壩址區地形地質條件采用岸坡溢洪道與壩頂溢洪道均可行，為優選技術可行、經濟優越的泄水建筑物布置形式，從水力條件、工程總布置、工程投資等方面進行對比分析[4]，比選成果見表1。

從表1對比成果可知，壩頂溢洪道方案雖比岸坡溢洪道方案投資節省16.8萬元，但壩頂溢洪道方案增加了施工難度和干擾，增加了施工工期。另外，面板堆石壩采用壩頂溢洪道，會受大壩堆石壩結構形變的影響，增加了工程運行的隱患和風險。因此，岸坡溢洪道方案要優于壩頂溢洪道方案，優選岸坡溢洪道方案。

3.4" 消能方式選擇

由于泄流采用不設閘的自由溢流方式，下泄流量變幅大且具有隨機性，消力池下游出口尾水較淺，故不適宜選用面流消能和戽流消能。溢洪道尾端基巖為奧陶系下統大灣組第二段（O1d2）紫紅、灰綠色泥灰巖夾泥巖，巖體為軟至較軟巖，抗沖刷能力較差，且泄槽方向與河流方向存在一定的交角，水流歸槽不平順，故不宜選用挑流消能。而底流消能后水流平穩，對河床沖刷影響較小。綜上所述，白歲河水庫消能方式選擇底流消能更為合理。

3.5" 泄洪方式比選

由于白歲河水庫工程規模較小，庫區正常水位以上不存在淹沒制約條件，從方便后期安全運行角度考慮，推薦不設閘方案。根據工程規模、洪水標準及洪峰流量，結合河床寬度，選擇溢流凈寬7、8、9 m共3種方案進行比選，其中溢流凈寬7 m工程總投資為4 549.14萬元；溢流凈寬8 m工程總投資為4 438.39萬元；溢流凈寬9 m工程總投資為4 597.32萬元。溢流凈寬8 m方案總投資是3種方案中投資最省的，為4 438.39萬元，設計開敞式溢流凈寬8 m泄洪方式。

4" 泄水建筑物設計計算

4.1" 堰面曲線確定

4.2" 泄流能力計算

4.3" 結構穩定分析

溢流堰堰體高3.2 m，底寬8.0 m，堰體材料為C25鋼筋混凝土。抗滑穩定按抗剪強度公式進行計算，成果見表3。

從表3可知，基本組合情況K′gt;3.0，特殊組合1情況K′gt;2.5，堰體抗滑穩定滿足規范要求，溢流堰堰體結構安全可靠。

4.4" 泄槽水面線計算

溢洪道泄槽邊墻高度按宣泄校核洪水確定，同時滿足水流摻氣和安全超高要求。邊墻安全超高0.5～1.5 m，根據能量方程分段求和得各斷面水深及流速成果，見表4。

根據表4可知，邊墻高度取2.0 m可以滿足水流摻氣和規范要求的安全超高要求。

4.5nbsp; 底流消能計算

消能防沖洪水標準上游水位為691.21 m，消力池出口下游消能防沖水位為664.25 m，相應下泄流量21.3 m³/s。根據大壩基礎地質情況，消力池底板高程取為663.00 m，計算得自由水躍長度L=23.6 m，消力池長度長：Lk=0.8 L=18.88 m，取Lk=20.0 m。

5" 結束語

白歲河水庫是銅仁市甘龍鎮農村飲水安全工程重要的水源工程。為確保水庫大壩汛期攔蓄洪水和泄洪消能等工程正常穩定發揮，設計充分考慮壩址區河道走向、地質條件及兩岸地形對泄洪建筑物結構型式和布置的影響，從溢洪道軸線、結構型式和布置形式等方面對泄洪建筑物選擇進行了詳細論證分析，并對溢洪道的堰面曲線、泄流能力和結構穩定等進行了計算。設計優選的左岸岸坡側槽溢洪道方案，具有較好地質適宜性、布置合理性、邊坡穩定性和投資經濟性，可為工程順利優質施工提供重要的設計技術保障。

參考文獻：

[1] 李卿.魁龍水庫泄洪建筑物布置設計及水力特性試驗研究[J].陜西水利，2022（5）：151-154.

[2] 莊碩.猴山水庫溢洪道設計方案比選研究[J].東北水利水電，2020，38（1）：7-9.

[3] 張宏山.國際工程EPC項目設計優化典型案例分析——巴基斯坦SK水電站項目為例[J].科技創新與應用，2021（8）：111-113.

[4] 邱海娟.梁河水庫泄洪建筑物方案比選[J].陜西水利，2021（3）：166-168.

[5] 高翠紅.新疆H水庫溢洪道加固設計方案比選探討[J].內蒙古水利，2020（7）：45-47.

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