陳詩陽CHEN Shi-yang

（深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，深圳 518001）

0 引言

深汕西部水源及供水工程位于深圳市深汕特別合作區(qū)，合作區(qū)現(xiàn)有小型水庫6座，主要為城市供水水庫，距合作區(qū)未來發(fā)展的用水需求差距較大。西部組團（鵝埠片區(qū)）位于合作區(qū)西部，面積100.7km2，西部組團目前供水主要依靠組團內(nèi)的下徑水庫和三角山水庫向西部水廠供水，下徑水庫目前為病險水庫，雖然已建赤石河引水工程（5.5萬方/天），但僅能緩解近幾年供水矛盾。隨著該區(qū)域人口快速增長和經(jīng)濟迅速發(fā)展，西部組團將面臨無水可用的局面。為解決這一問題，合作區(qū)需要盡快開展西部水源及供水工程建設(shè)。

1 工程概況

本工程所在行政區(qū)屬深圳市深汕特別合作區(qū)，所在流域位于赤石河一級支流明熱河上游。西部水源供水工程供水工程設(shè)計規(guī)模取35萬m3/d，即4.05m3/s。西部水源及供水工程由水庫樞紐工程和水底山至西部水廠輸水工程兩部分組成。水底山水庫總庫容1929.2萬m3，水庫總庫容大于0.1億m3小于1.0億m3，工程規(guī)模屬中型，水庫樞紐工程等別為Ⅲ等。主要建筑物包括擋水、泄水和取水建筑物級別為3級，其他次要建筑物，級別為4級。水底山至西部水廠供水工程（輸水管道、隧洞）干線長7.382km，其中隧洞6.163km，DN2000管道1.219km，供水工程設(shè)計流量4.05m3/s，供水對象為深汕合作區(qū)西部組團，程等別為Ⅲ等，建筑物級別為3級。水底山水庫主要建筑物級別為2級，水庫工程的合理使用年限為100年，相應(yīng)擋水建筑物、泄水建筑物、取水建筑物的合理使用年限為100年；水底山水庫至西部水廠供水工程建筑物級別為3級，輸水工程的合理使用年限為50年，輸水工程主要建筑物（輸水隧洞和輸水管道）合理使用年限為50年。水底山水庫樞紐工程建設(shè)內(nèi)容包括擋水建筑物、泄水建筑物和取水建筑物等。以下是針對水底山水庫樞紐工程建筑物布置設(shè)計分析。

2 水庫樞紐工程擋水建筑物布置設(shè)計

2.1 壩體結(jié)構(gòu)布置

在本工程中，大壩采用了碾壓混凝土重力壩，壩軸線長293m，建基面高程76m，壩頂高程145m，最大壩高69m，壩頂寬度10m，最大壩底寬度53.975m。大壩基礎(chǔ)河床壩段置于弱風(fēng)化下帶下部至微風(fēng)化巖體上部。壩基均設(shè)置2m厚混凝土墊層。為增加壩體抗滑穩(wěn)定性，河床壩段建基面上游側(cè)設(shè)置齒槽，齒槽底寬6m，深3m，上、下游側(cè)均按1∶0.5延伸向壩基放坡；岸坡壩段建基面上游側(cè)設(shè)置齒槽，齒槽底寬2m，深2m，上、下游側(cè)均按1∶0.5延伸向壩基放坡。

大壩河床段為溢流壩段，左右兩岸為擋水壩段。溢流壩段布置在樁號壩橫0+112.000～壩橫0+153.000m，溢流堰總凈寬為36m，分3孔并列布置。擋水壩段布置在兩岸，左岸擋水壩段長112m，右岸壩長140m。大壩上游面在EL.99.00向下部設(shè)置坡比為1:0.1折坡，以上為鉛直面，下游面坡比為1:0.75，折坡點高程132.50m。為增加壩面景觀，將擋水壩段下游面設(shè)置成臺階狀，每級臺階高0.9m，寬0.675m。為避免下游壩坡底部出現(xiàn)應(yīng)力集中及增加壩體抗滑穩(wěn)定性，在壩趾處設(shè)置2m高的平臺。

大壩上游面設(shè)置防滲層，防滲層由二級配變態(tài)混凝土與二級配碾壓混凝土組合形成，標(biāo)號均為C20W8F100，防滲層厚度在EL.99.00m以上為3m，以下逐漸加厚，最大厚度5.1m，其中迎水面變態(tài)混凝土厚度0.5m。壩內(nèi)主體采用C15W4F100三級配碾壓混凝土，下游面考慮耐久性要求，采用C20W4F100三級配變態(tài)混凝土，厚度0.5m。壩體河床段建基面及兩岸建基面設(shè)置2.0m厚墊層，其中水平段采用C20W8F100二級配常態(tài)混凝土，傾斜段采用C20W8F100二級配變態(tài)混凝土。壩內(nèi)河床段92m高程設(shè)有灌漿兼排水廊道，左、右岸分別通過斜廊道爬升至135.00m、133.00m高程，與壩后交通連接，左、右岸均在122m高程與上部交通廊道連接。上層交通廊道為水平布置，高程122m。

大壩排水廊道分設(shè)在溢流壩段兩側(cè)，出口至壩頂設(shè)有人行踏步?？紤]波浪壅高，壩頂上游設(shè)防浪墻，防浪墻頂高程為146.00m。壩頂下游設(shè)青石欄桿，欄桿頂高程146.2m。根據(jù)地質(zhì)專業(yè)提供帷幕灌漿線路，左岸壩頂岸坡較陡，需設(shè)置灌漿平洞灌漿。（圖1）

2.2 大壩設(shè)計與計算

以大壩壩頂高程設(shè)計計算為例，根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL319-2018）有關(guān)規(guī)定要求，壩頂應(yīng)高于校核洪水位，壩頂上游防浪墻頂高程與正常蓄水位或校核洪水位的高差按下式確定，并選高者作為選定高程：

在式（1）中：Δh—防浪墻頂至正常蓄水位或校核洪水位的高差（m）；h1%—波高（m）；hz—波浪中心線至正常或校核洪水位的高差（m）；hc—安全超高，本工程大壩級別為2級，正常蓄水位工況，壩頂安全超高取0.5m，校核洪水位工況，壩頂安全超高取0.4m。

壩址區(qū)缺乏實測氣象資料，根據(jù)海豐縣氣象局統(tǒng)計資料，海豐縣多年平均年最大風(fēng)速為20m/s，深圳特區(qū)臺風(fēng)登陸頻發(fā)，本次計算采用深圳多年平均年最大風(fēng)速24m/s，風(fēng)向東北。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）中第5.3.5條規(guī)定，非常運用條件下，采用多年平均年最大風(fēng)速W=24m/s；正常運用條件下的2級壩，采用多年平均年最大風(fēng)速的1.5～2.0倍，本次取1.5W=36m/s。通過計算可得，正常蓄水位工況對應(yīng)的風(fēng)區(qū)長度為287.9m，校核洪水位工況對應(yīng)的風(fēng)區(qū)長度為290.8m。在完成波浪要素計算后，可得兩種工況下的壩頂高程，計算結(jié)果見表1。

表1 壩頂高程計算結(jié)果

由表1可知，正常蓄水位、校核洪水位工況下防浪墻頂高程較大值為146.02m，壩頂高程較大值為144.82m，若不設(shè)防浪墻，則壩頂高程取146m，建基面高程為76m，最大壩高為70m，達到高壩的下限。為不突破70m的界限，壩頂上游設(shè)置防浪墻，防浪墻頂高程為146m，相應(yīng)壩頂高程取為145m。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL319—2018）中第8.1.3條，溢流段設(shè)計壩頂交通橋，橋下應(yīng)有足夠的凈空。因溢流壩段采用無閘方案，橋下凈空不受閘門安裝、啟閉及檢修，同時便于與兩側(cè)擋水壩段壩頂相連，將溢流壩段交通橋橋面高程取為145.00m。交通橋上游側(cè)對應(yīng)水面線高程為143.585m，梁底高程為144.12m，凈空尺寸為0.535m，大于《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）第3.4.3條第三款所規(guī)定的0.50m凈空要求，且滿足《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2016）第4.2.22條第3款中梁底距最高洪水位0.5m要求，故交通橋布置滿足要求，不會阻礙行洪，故將溢流壩段交通橋橋面高程定為145.00m。

3 水庫樞紐工程泄洪消能建筑物布置設(shè)計

3.1 泄洪消能建筑物結(jié)構(gòu)布置

本工程泄水建筑物級別為2級，校核洪水位143.86m（P=0.05%）時，相應(yīng)下泄流量為553.3m3/s；設(shè)計洪水位143.43m（P=0.2%）時，相應(yīng)下泄流量為459.9m3/s，消能防沖洪水位142.64m（P=2%）時，相應(yīng)下泄流量為302.9m3/s。

水底山水庫為中型水庫，為應(yīng)對超標(biāo)準(zhǔn)洪水，確保大壩安全，溢洪道應(yīng)具備足夠的超泄能力，故選用超泄能力更強的開敞式溢洪道方案。水庫任務(wù)為供水，無下游河道防洪任務(wù)，經(jīng)泄水建筑物型式比選，選定具有運行管理優(yōu)勢且投資增加相對較小的無閘方案。經(jīng)3*12m、3*13m、3*14m無閘方案比選，選定下游岸坡防護及消力池工程量相對較少的3*12m方案。

壩身溢流表孔布置在主河床壩段樁號壩橫0+112.00m～壩橫0+153.00m之間，通過泄水建筑物型式比選，確定選用無閘方案，為保證水庫蓄至正常蓄水位，將堰頂高程與正常水位齊平，堰頂高程140.00m，溢流堰前沿總凈寬36m，共設(shè)3孔，每孔凈寬12m。閘墩總長13m，因采用無閘方案，閘墩承受荷載為交通橋荷載，荷載減輕，閘墩厚度相比有閘方案減小，中墩厚1.5m，邊墩厚1m。溢洪表孔上方設(shè)交通橋，橋面寬10.0m，厚0.88m。溢流堰采用WES實用堰型，定型設(shè)計水頭3.5m，上游堰頭曲線段采用橢圓曲線，長軸半徑1.05m，短軸半徑0.593m，下游堰面為WES曲線y=0.172x1.85。堰面曲線后接坡比為1∶0.75的泄槽直線段，過閘墩后與坡比為1:0.75的消能臺階相接，第一級臺階高度為0.6m，后每級臺階為0.9m，共45級，至EL.88.00m后接反弧段，反弧段半徑為10m，中心角為53.1°，反弧段后接綜合式消力池，消力池尾部設(shè)置消能坎，坎高3.5m。

溢流堰頂不設(shè)閘門，無閘門安裝、啟閉及檢修空間要求，橋下凈空只有過流要求，故將溢流壩段交通橋橋面高程與壩頂高程齊平，取為145.00m。交通橋上游側(cè)對應(yīng)水面線高程為143.585m，梁底高程為144.12m，凈空尺寸為0.535m，大于《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）第3.4.3條第三款所規(guī)定的0.50m凈空要求，且滿足《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2016）第4.2.22條第3款中梁底距最高洪水位0.5m要求，故交通橋布置滿足要求，不會阻礙行洪，故將溢流壩段交通橋橋面高程定為145.00m。

3.2 溢洪道設(shè)計計算

以堰面曲線計算為例，溢洪道采用超泄能力更強的開敞溢流式，其堰面曲線包含堰頂曲線段、泄槽直線段、消能臺階段及下游反弧段。

①堰頂曲線段，取頂部最高點的坐標(biāo)為原點（0，0），以堰頂為界將堰頂曲線分為上游段和下游段兩部分。

1）上游堰頭曲線。溢洪道上游堰頭曲線采用橢圓曲線，橢圓的長半軸為1.05m，短半軸0.593m，則上游堰頭曲線方程為：

2）下游堰面曲線。下游堰面曲線采用WES冪曲線，WES冪曲線基本型式如下：

在式（3）中：Hd—定型設(shè)計水頭，按堰頂最大作用水頭Hmax的75%～95%。Hmax=143.86-140=3.86m，則Hd=2.90～3.67m，本次設(shè)計取為3.5m；

x、y—原點下游堰面曲線的橫、縱坐標(biāo)；

r—與上游堰坡相關(guān)的指數(shù)，由于溢流壩上游面直立，故取為1.85；

k—P1與Hd取值及上游面坡度相關(guān)，取為2.0。

下游堰面曲線方程為：

即：y=0.172x1.85

②泄槽直線段，分別與堰頂曲線段及下游反弧段相切，坡比與非溢流壩段一致，取為1∶0.75，直線段起點坐標(biāo)為（5.38，3.88），對應(yīng)高程為136.122m，過閘墩后與消能臺階相接。

③消能臺階段，臺階起始點與閘墩尾部相接，起點坐標(biāo)為（11.20，11.64），對應(yīng)樁號為壩縱0+002.250m，第一級臺階高度取為0.6m。臺階坡比與直線段坡比一致為1:0.75，結(jié)合碾壓混凝土施工特點，坯層鋪筑厚度一般為0.3m，為便于臺階施工，將臺階高度取成鋪筑厚度的3倍，即為0.9m，相應(yīng)臺階寬度為0.675m，臺階末端接反弧段，末端坐標(biāo)為（41.74，52.00），對應(yīng)高程為88.00m。

④下游反弧段，根據(jù)《水工設(shè)計手冊》（第二版 第5卷混凝土土壩）P34頁中提出“對于底流消能，反弧半徑可采用（4～10）h，h為校核洪水閘門全開時反弧段最低點處的水深，當(dāng)反弧段后設(shè)置護坦或平直段時，反弧半徑應(yīng)盡量采用較大值”，因聯(lián)合消能反弧段最低點水深無法利用常規(guī)公式計算，參考挑流消能工，校核洪水工況時反弧段最低點的水深約為1m，故反弧段半徑取10m。

4 取水塔設(shè)計計算

以取水塔進水口最小淹沒深度計算為例，在本工程項目中，水庫死水位為104.0m，取水口前淤沙高程為100.68m，3個工作閘門運行方式為，全開或者全關(guān)，不考慮控制流量，僅起分層進水的作用，故在設(shè)置取水高程時不考慮最小淹沒深度對其影響。而輸水管道要保證后續(xù)為有壓流，故應(yīng)核算其最小淹沒深度。為防止出現(xiàn)旋渦和吸氣漏斗，有壓進水口的最小淹沒深度S按水利水電工程進水口設(shè)計規(guī)范》（SL285-2003）附錄B.2.1條計算。計算公式如下：

式中：S——最小淹沒深度，m；d——閘孔高度，2m；V——閘孔斷面平均流速，m/s；C——系數(shù)，邊界復(fù)雜和側(cè)向水流取0.73。

經(jīng)計算，平均流速為1.05m/s，最小淹沒深度S為0.82m，死水位下，最小淹沒深度為11.4m，大于最小淹沒深度，符合規(guī)范要求。

5 總結(jié)

總而言之，深汕西部水源及供水工程布置及設(shè)計是一項專業(yè)復(fù)雜的工程。在實際進行設(shè)計過程中，必須要明確重點內(nèi)容。在本工程中，水底山水庫樞紐工程是一項重點內(nèi)容，必須要加強該工程建筑物布置設(shè)計分析，才能更好地保證整體工程設(shè)計建設(shè)質(zhì)量。