趙志遠(yuǎn)，龍明星，李斌旭

(1.貴陽(yáng)市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550000；2.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048)

1 工程概況

那卡河水庫(kù)位于開(kāi)陽(yáng)縣永溫鄉(xiāng)，距開(kāi)陽(yáng)縣城區(qū)15km，是烏江中游右岸一級(jí)支流那卡河上的一座中型水庫(kù)。水庫(kù)主要任務(wù)為工業(yè)供水及農(nóng)業(yè)灌溉，是《貴陽(yáng)市水資源綜合利用與開(kāi)發(fā)規(guī)劃》的重點(diǎn)水源點(diǎn)之一。壩址以上流域面積60.51km2，多年平均年徑流量2968.8×104m3。水庫(kù)正常蓄水位1007.5m，校核洪水位1008.89m，死水位959.5m，興利庫(kù)容為979.1×104m3，總庫(kù)容1062×104m3。水庫(kù)規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等。工程建成后，年總供水量1093.8×104m3，其中向工業(yè)區(qū)供水1062×104m3，保證灌溉面積1200畝，補(bǔ)充灌溉水量31.8×104m3。總工期36m。工程靜態(tài)總投資21062萬(wàn)元，總投資22097萬(wàn)元。

2 地形地貌及水文地質(zhì)條件

庫(kù)區(qū)河流為山區(qū)型河流，兩岸山體雄厚，河谷狹窄深切，相對(duì)高差為200～300m，岸坡地形坡度較陡。河谷走向大多一致，總體走向近北南向，與巖層走向近于平行，多為走向谷。河床高程為949～1016m，縱坡降為16‰，河床寬20～40m，河槽兩岸地形坡度一般為50°～85°，河谷橫斷面多為“V”型，局部河段河谷兩岸為陡立的箱型谷。庫(kù)區(qū)河谷兩岸1000～1035m高程處有不連續(xù)的寬緩平臺(tái)地分布，為耕地分布區(qū)。工程區(qū)河谷無(wú)低埡口，兩岸沖溝發(fā)育較少，主要有河邊沖、水頭上、高坎子、谷積分朵等少數(shù)沖溝發(fā)育，其發(fā)育方向多與河流流向近直角相交補(bǔ)給河流。主要地貌類(lèi)型屬構(gòu)造、剝蝕低中山山地地貌。

庫(kù)區(qū)位于處興隆場(chǎng)至鐵廠復(fù)式背斜中心洋水背斜東翼，構(gòu)造形跡以NE～NNE向?yàn)橹?，山脊線與構(gòu)造線基本一致，為單斜構(gòu)造，庫(kù)區(qū)無(wú)斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖層產(chǎn)狀：傾向SE，傾角12°～35°。整個(gè)庫(kù)區(qū)庫(kù)盆及庫(kù)岸主要地層巖性為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群(∈2+3Ls)淺灰至深灰色薄夾中厚、厚層白云巖，為碳酸鹽巖巖溶含水巖組；右岸上部為石炭系下統(tǒng)大塘組(C1d)鋁土質(zhì)頁(yè)巖，其上覆地層為P1L粘土(頁(yè))巖、粉砂巖為隔水巖組，地下水主要為基巖裂隙水。庫(kù)區(qū)正常高蓄水位附近河谷兩岸偶見(jiàn)小規(guī)模的巖溶洞穴發(fā)育，巖溶發(fā)育程度弱，兩岸岸坡均有泉點(diǎn)出露，地下水補(bǔ)給河水，庫(kù)區(qū)河段河谷為補(bǔ)給型河谷。

3 泄洪建筑物設(shè)計(jì)

3.1 泄洪建筑物布置

溢洪道布置于壩0+065～壩0+091，由于河床相對(duì)狹窄，為使下泄水流進(jìn)入主河道后不沖刷兩岸，壩頂溢洪道沿拱中心線對(duì)稱(chēng)布置，共設(shè)3孔。溢流壩段總長(zhǎng)26m，為閘門(mén)控制的壩頂表孔溢洪道，堰頂高程1004.5m，溢流堰采用WES實(shí)用堰，堰面曲線為：y=0.154x1.85。WES實(shí)用堰前與三圓弧相連，后與半徑R=4m的反弧相連，溢流面采用C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。出口采用挑流消能，坎頂高程1001.34m，挑角α=15°。為減小泄洪對(duì)大壩安全的影響，在挑坎下游20m內(nèi)設(shè)C25鋼筋混凝土護(hù)坦，厚1m，并采用Φ18錨筋錨入基巖，每隔3m梅花型布置。溢洪道每孔凈寬6m，孔間閘墩寬度從上游至下游由2m收縮至1.8m，長(zhǎng)7.1m，閘墩上設(shè)寬4.0m的鋼筋混凝土交通橋。

3.2 泄水建筑物設(shè)計(jì)計(jì)算

3.2.1 堰型計(jì)算

那卡河水庫(kù)溢洪道堰型為WES實(shí)用堰，堰頂高程1004.5m，校核洪水位1008.89m，定型設(shè)計(jì)水頭Hd=(0.75～0.95)Hmax=3.29～4.17m，取Hd=4m，滿足規(guī)范要求。上游段曲線采用三心圓弧形：R1=0.5Hd=2.0m，S1=0.175Hd=0.7m；R2=0.2Hd=0.8m，S2=0.276Hd=1.104m；R3=0.04Hd=0.16m，S3=0.282Hd=1.128m。堰頂下游采用WES冪曲線[1- 2]，方程為y=0.154x1.85，計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 WES冪曲線計(jì)算坐標(biāo)點(diǎn)

3.2.2 泄流能力計(jì)算

溢洪道布置3孔，沿拱壩中心線對(duì)稱(chēng)布置，每孔凈寬6m。

工況一：當(dāng)閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，溢洪道的泄流能力按SL253- 2000《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》中開(kāi)敞式WES型實(shí)用堰的泄流能力公式進(jìn)行計(jì)算[3- 4]，即：

(1)

工況二：當(dāng)閘門(mén)非全開(kāi)時(shí)，按孔口泄流計(jì)算，泄流能力按SL253- 2000中帶胸墻孔口實(shí)用堰泄流能力公式計(jì)算[5]，即：

(2)

式中，Ak—出口處面積，m2；H0—自由泄流時(shí)為孔口中心線處的作用水頭，m；μ—孔口流量系數(shù)，此處取μ=0.70。

根據(jù)那卡河水庫(kù)洪水調(diào)度方式：當(dāng)來(lái)水流量小于溢流堰泄流能力時(shí)，維持水庫(kù)水位保持在正常蓄水位，變幅可控制在±0.1m左右。隨著來(lái)水流量增大，加大閘門(mén)開(kāi)啟度[6]。水庫(kù)閘門(mén)開(kāi)度分4級(jí)運(yùn)行，開(kāi)度e分別為0.5m、1m、1.5m及2m，2m后閘門(mén)全開(kāi)，溢流堰呈自由溢流，來(lái)水流量繼續(xù)增大，水庫(kù)水位繼續(xù)上升，直到最高水位，最大泄量等于來(lái)水流量。其后，隨著來(lái)水流量減少，水庫(kù)水位下降至正常蓄水位附近，逐漸關(guān)閉閘門(mén)，直到泄洪結(jié)束，閘門(mén)全關(guān)，庫(kù)水位仍回到正常蓄水位。在正常蓄水位時(shí)，開(kāi)啟閘門(mén)，先是孔流狀態(tài)，當(dāng)e/H0≥0.75時(shí)按堰流計(jì)算[7]。計(jì)算得溢洪道的泄流能力成果，見(jiàn)表2。

表2 溢洪道泄流能力計(jì)算表

從表2可知溢洪道滿足泄洪要求，泄洪消能防沖、設(shè)計(jì)洪水、校核洪水工況時(shí)，閘門(mén)全開(kāi)。泄20年及5年一遇洪水時(shí)，閘門(mén)分別開(kāi)2孔加1孔開(kāi)2m及1孔全開(kāi)。

3.2.3 泄槽水面線計(jì)算

溢流面水面線計(jì)算部分為溢洪道堰頂至反弧段挑坎，選取兩個(gè)代表斷面進(jìn)行計(jì)算[8]，斷面1為WES曲線與反弧斷交點(diǎn)，斷面2為挑流坎頂，其計(jì)算公式為[9]：

(3)

其中：

式中，Δl1-2—分段長(zhǎng)度，m；h1、h2—分段始、末斷面水深，m；v1、v2—分段始、末斷面平均流速，m/s；a1、a2—流速分布不均勻系數(shù)，此處取1.05；θ—泄槽底坡角度；i—泄槽底坡；n—槽身糙率系數(shù)，0.012。

溢洪道水面線計(jì)算簡(jiǎn)圖，如圖1所示。

圖1 溢洪道水面線計(jì)算簡(jiǎn)圖

根據(jù)式(3)和圖1，計(jì)算獲得校核工況下泄槽水面線成果，見(jiàn)表3。

表3 校核工況下泄槽水面線計(jì)算成果

從表3計(jì)算成果可知，泄槽斷導(dǎo)墻滿足泄洪水深要求。為避免泄洪水流影響底孔，溢洪道出口邊墩上設(shè)置貼角，貼角坡度為1∶0.2。

3.2.4 消能防沖計(jì)算

(1)挑流及跌流消能

壩址河床巖體呈大塊狀結(jié)構(gòu)，以構(gòu)造型為主，多密閉，少有充填，節(jié)理較發(fā)育，有節(jié)理2至3組，呈X形較規(guī)則。沖刷分類(lèi)為Ⅱ類(lèi)。按SL253- 2000中挑流水舌外緣挑距和沖刷坑最大水墊深度、跌流消能和水舌沖擊區(qū)上游水墊深度公式進(jìn)行計(jì)算[10]。分析成果表明：下游最大沖坑深度為10.53m，挑流消能時(shí)各頻率下泄洪水沖坑后坡均小于允許后坡，沖刷坑不會(huì)危急壩身安全。但當(dāng)未形成挑流的跌流消能時(shí)，沖坑后坡大于允許后坡，下游須設(shè)護(hù)坦，以維護(hù)下游壩腳。

(2)下游護(hù)坦設(shè)計(jì)

跌流消能計(jì)算表明：沖坑后坡大于允許后坡，會(huì)危急大壩安全，設(shè)計(jì)考慮在下游設(shè)護(hù)坦，確定在鼻坎下游20m范圍內(nèi)設(shè)置護(hù)坦，護(hù)坦底板高程及厚度根據(jù)沖擊動(dòng)水壓力確定。

結(jié)合護(hù)坦底板動(dòng)水壓力計(jì)算成果，設(shè)計(jì)在挑坎下游20m內(nèi)設(shè)C25鋼筋混凝土護(hù)坦，護(hù)坦采用Φ18的錨筋錨入基巖，每隔3m梅花型布置，厚1m。底板每隔3m，梅花型布置排水孔。

4 結(jié)論

那卡河水庫(kù)是貴陽(yáng)市重要的工業(yè)供水及農(nóng)業(yè)灌溉水源點(diǎn)之一。受河床相對(duì)狹窄、兩岸地形的影響，水庫(kù)不能布置河岸式溢洪道。針對(duì)溢洪道布置現(xiàn)存問(wèn)題，從壩址區(qū)地形地質(zhì)、堰型、泄洪能力和消能防沖等方面，對(duì)溢洪道整體布置和結(jié)構(gòu)體形進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算和方案優(yōu)化。優(yōu)選技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)節(jié)能的沿拱中心線對(duì)稱(chēng)布置的3孔壩頂溢洪道方案，為水庫(kù)防洪功能的正常穩(wěn)定發(fā)揮提供了重要技術(shù)支撐。