陳家田水庫(kù)泄洪建筑物布置與設(shè)計(jì)計(jì)算

喬雙

摘 要：泄洪建筑物作為保障水庫(kù)大壩安全和防洪度汛重要的水工建筑物，其設(shè)計(jì)的合理性直接影響到水工建筑質(zhì)量和整個(gè)工程的安全穩(wěn)定性。針對(duì)陳家田水庫(kù)左岸坡地形較起伏、地形完整性差、開(kāi)挖邊坡較高等問(wèn)題，結(jié)合《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253—2018）等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)優(yōu)選右岸岸坡溢洪道方案，并對(duì)溢洪道布置和結(jié)構(gòu)體形進(jìn)行了詳細(xì)論證分析。設(shè)計(jì)計(jì)算成果表明，優(yōu)選的單孔開(kāi)敞式溢洪道方案整體布置合理，結(jié)構(gòu)參數(shù)和抗滑穩(wěn)定等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，可為工程順利施工建設(shè)提供重要技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：泄洪建筑物;溢洪道;WES堰面;陳家田水庫(kù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TV653 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：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(kù)位于貴州省興仁市下山鎮(zhèn)大石村境內(nèi)，距下山鎮(zhèn)24 km，距興仁市25 km，有鄉(xiāng)村公路通至壩肩，交通方便。水庫(kù)位于高寨河中游高寨村組以下相對(duì)狹窄地帶，高寨河屬于珠江流域北盤(pán)江水系麻紗河一級(jí)支流。水庫(kù)工程控制流域面積2.68 km2，水庫(kù)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(kù)容113萬(wàn) m3，死庫(kù)容9.81萬(wàn)m3，興利庫(kù)容78.29萬(wàn)m3。水庫(kù)工程任務(wù)是村鎮(zhèn)用水和灌溉用水，年供水總量89.6萬(wàn)m3，屬Ⅳ等?。?）型工程。水庫(kù)工程的建設(shè)，既能滿足下山鎮(zhèn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和白巖村、大石村村組人畜安全飲水需求，又能滿足水庫(kù)下游13.33萬(wàn)m2農(nóng)田灌溉用水需求，對(duì)優(yōu)化下山鎮(zhèn)供水水源結(jié)構(gòu)和促進(jìn)興仁市農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整具有積極作用。

2 工程開(kāi)發(fā)任務(wù)

陳家田水庫(kù)供水范圍是下山鎮(zhèn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和白巖村、大石村村組人畜飲水。設(shè)計(jì)水量89.6萬(wàn)m3/a，其中鄉(xiāng)鎮(zhèn)缺水量為56.7萬(wàn)m3/a，農(nóng)村人畜飲水缺水量為28.1萬(wàn)m3/a，灌溉供水4.8萬(wàn)m3/a?？蓾M足15 263人缺水，其中鄉(xiāng)鎮(zhèn)10 143人，農(nóng)村5 120人，大小牲畜4 608頭及13.33萬(wàn)m2下游灌溉。

《貴州省鄉(xiāng)鄉(xiāng)有穩(wěn)定供水水源工程規(guī)劃（2016—2020年）》相關(guān)資料顯示，陳家田水庫(kù)是規(guī)劃中的水源。陳家田水庫(kù)的建設(shè)，能解決下山鎮(zhèn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)村人畜飲水及灌溉用水問(wèn)題，屬民生水利工程，是保證項(xiàng)目區(qū)群眾的生活用水，加快興仁市農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和農(nóng)民奔小康進(jìn)程的重要基礎(chǔ)水利設(shè)施。

3 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

壩址區(qū)河段長(zhǎng)約150 m，河流呈“S”形展布，河曲發(fā)育，總體流向?yàn)镾64°W;壩址段河谷較窄，呈基本對(duì)稱(chēng)“V”字形谷，河床高程1 528～1 533 m，設(shè)計(jì)正常高水位1 557 m時(shí)，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(qū)地層為（T1f1-2～T1f1-5），其中T1f1-2、T1f1-4巖性為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、砂質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r及鈣質(zhì)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(lèi)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(lèi)型為基巖裂隙水;深部為（T1f1-1）砂泥巖，地下水類(lèi)型為基巖溶隙水，該層厚度大，屬相對(duì)隔水層;壩址兩壩肩以上山脊為（T1f2）以灰?guī)r為主的地層，巖體透水性中等，地下水類(lèi)型主要為巖溶水。

4 泄洪建筑物設(shè)計(jì)

4.1 泄水建筑物軸線選擇

壩軸線上游側(cè)岸坡地形緩，坡度15°～30°，下游側(cè)地形坡度30°～60°，局部為陡壁，溢洪道布置在右岸開(kāi)挖邊坡較左岸低，開(kāi)挖、支護(hù)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(guò)壩址區(qū)地質(zhì)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(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理，結(jié)合壩址區(qū)地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)優(yōu)選泄洪洞方案與岸坡溢洪道方案進(jìn)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(cè)按1∶0.5坡比開(kāi)挖，開(kāi)挖后采用噴10 cm厚C20混凝土+錨桿（鋼筋網(wǎng)）進(jìn)行支護(hù)?？刂贫挝挥谝┒?，開(kāi)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(shí)用堰，堰面曲線首段為橢圓曲線，其長(zhǎng)半軸長(zhǎng)0.39 m、短半軸長(zhǎng)0.24 m，下游段堰面曲線方程為Y=0.354X1.85，末端通過(guò)圓弧與泄槽段起點(diǎn)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(hào)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(nèi)側(cè)邊墻鉛直，外側(cè)邊墻墻頂以下1 m高鉛直，按照1∶0.5開(kāi)挖邊坡貼坡澆筑，底板厚0.5 m;泄槽二段從樁號(hào)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(nèi)側(cè)邊墻鉛直，外側(cè)邊墻墻頂以下1.0 m高鉛直，按照1∶0.5開(kāi)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(shè)置一條伸縮縫，縫內(nèi)設(shè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)挖，開(kāi)挖后采用噴C20混凝土+錨桿（鋼筋網(wǎng)）進(jìn)行支護(hù)。溢流段位于引渠末端，開(kāi)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(shí)用堰（低堰），堰面曲線首段為橢圓曲線，其長(zhǎng)半軸長(zhǎng)0.39 m、短半軸長(zhǎng)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(diǎn)相接。泄槽段起點(diǎn)樁號(hào)溢0+003.83，按照坡降的不同分為兩段，第一段從樁號(hào)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(mén)洞型;溢0+138.83至溢0+145.80段邊墻高4.0 m，泄槽內(nèi)側(cè)邊墻鉛直，外側(cè)邊墻墻頂以下1.0 m高鉛直，寬1.0 m，按照1∶0.5開(kāi)挖邊坡貼坡澆筑，底板厚0.5 m，第二段從樁號(hào)溢0+146.97至溢0+175.33段，坡降i為1，邊墻高2.0 m，泄槽內(nèi)側(cè)邊墻鉛直，外側(cè)邊墻墻頂以下1.0 m高鉛直，寬1.0 m，按照1∶0.5開(kāi)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(shè)置一條伸縮縫，縫內(nèi)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(zhǎng)20 m。

4.2.3 比選結(jié)果。岸坡式溢洪道方案土方開(kāi)挖4 583 m3、石方開(kāi)挖13 748 m3，建筑工程投資為346.59萬(wàn)元;泄洪洞方案土方開(kāi)挖5 228 m3、石方開(kāi)挖3 485 m3、洞方開(kāi)挖3 609 m3、棄渣回填582 m3，建筑工程投資為656.12萬(wàn)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(zhǎng)，后期運(yùn)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(shè)計(jì)計(jì)算

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

式中：[Hd]為定型設(shè)計(jì)水頭，m。對(duì)于上游堰高[P1]≥1.33[Hd]的高堰，取[Hd]=（0.75～0.95）[Hmax];對(duì)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(zhǎng)軸、短軸;[a]、[b]分按以下關(guān)系選定：當(dāng)[P1Hd]≥2時(shí)，[a]=0.280～0.300，[ab]=0.87+0.3[a];當(dāng)[P1Hd]<2時(shí)，[a]=0.215～0.280，[b]=0.127～0.163。

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

開(kāi)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(guān)的參數(shù)。陳家田水庫(kù)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(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)，x以向下游為正，y以向下為正。經(jīng)計(jì)算，下游堰面曲線方程為：[y=0.354x1.85]。

4.3.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析。陳家田水庫(kù)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(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253—2018），堰體抗滑穩(wěn)定按抗剪強(qiáng)度公式進(jìn)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(wěn)定滿足規(guī)范要求，溢流堰堰體結(jié)構(gòu)安全可靠。

4.3.3 泄流能力計(jì)算。陳家田水庫(kù)溢流堰為開(kāi)敞式單孔布置，按《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253—2018）計(jì)算公式進(jìn)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(shù)，取[c]=1.0;[σs]為淹沒(méi)系數(shù)，取[σs]=1.0 [m];[m]為流量系數(shù);[ε]為側(cè)收縮系數(shù);[B]為溢流堰總凈寬（m），[B]=5 m;[H0]為堰上總水頭。按式（1）計(jì)算得陳家田水庫(kù)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(shè)計(jì)洪水位和消能防沖水位時(shí)，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(shè)計(jì)要求。

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

安全超高根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253—2018）確定，規(guī)范規(guī)定邊墻的安全超高為0.5～1.5 m。結(jié)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(jì)算。陳家田水庫(kù)溢流堰消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20 a一遇，根據(jù)調(diào)洪演算，消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)上游水位為1 558.25 m，下游水位為1 524.67 m，相應(yīng)下泄流量為14.3 m3/s。根據(jù)消力池處地形條件，取消力池底板高程為1 522.00 m。經(jīng)計(jì)算，自由水躍長(zhǎng)度[L]=22.2 m，消力池長(zhǎng)度[Lk]=（0.7～0.8）×[L]=15.5～17.8 m，取[Lk]=18 m。

5 結(jié)語(yǔ)

陳家田水庫(kù)是貴州省興仁市下山鎮(zhèn)人畜飲水及灌溉用水重要的民生水利工程。為確保設(shè)計(jì)方案具有較好工程匹配性，該工程設(shè)計(jì)充分考慮河床及兩岸地形對(duì)建筑物布置的影響，從地形地質(zhì)、堰型、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和泄洪能力等方面進(jìn)行詳細(xì)論證分析和設(shè)計(jì)計(jì)算。設(shè)計(jì)優(yōu)選的右岸岸坡溢洪道方案，具有地形地質(zhì)適宜性好、邊坡開(kāi)挖工程量小、技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益高、泄洪消能防沖效果好等優(yōu)點(diǎn)，可為水庫(kù)安全運(yùn)行和防洪度汛提供重要技術(shù)支撐。

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