曲靖市麒麟区新建发脉水库枢纽工程设计

尹 蕾

(云南省曲靖市水务局 655000)

1 发脉水库概况

发脉水库位于曲靖市东南方向，东山镇石头寨村委会境内，距曲靖市80km，距东山镇25km，地处珠江流域西江水系南盘江支流篆长河上游，径流面积2.9km2，总库容111.70万 m3，兴利库容89.84万 m3，死库容1.2万m3，主要解决下游石头寨村委会5611人的生活用水和412.4hm2的耕地灌溉任务，保护下游村庄、耕地、道路，是一座以人饮和灌溉为主，兼顾防洪的小(1)型水库。工程等别为四等，大坝、输水隧洞、溢洪道为4级建筑物，次要建筑物和临时建筑物为5级建筑物。设计洪水标准按30年一遇洪水设计(水位2020.18m)，300年一遇洪水校核(水位2020.89m)，施工导流洪水按5年一遇设计，下游消能防冲设施洪水按20年一遇洪水设计，渡汛洪水标准按20年一遇洪水设计。灌溉设计保证率P=75%，人饮供水保证率P=95%。

2 枢纽工程设计

2.1 枢纽工程总体布置

发脉水库大坝为黏土心墙堆石坝，枢纽工程由大坝、输水隧洞和溢洪道组成。坝轴线布置在距老坝轴线下游140m处，坝址呈“U”形河谷，地层连续，两岸山体宽厚。坝基及左、右坝肩出露岩层为砂、粉砂岩，清除上部残坡积层及风化破碎带后，能满足坝体对坝基的抗滑、承载力等要求。溢洪道布置在大坝右岸，为开敞式正槽溢洪道，校核洪水位为2020.89m，设计洪水位为2020.18m，相应下泄流量分别为19.7m3/s和12.39m3/s，全长189m。渠底采用C20混凝土、钢筋混凝土浇筑，厚0.3m，边墙采用M7.5浆砌石支砌，顶宽0.5m，底宽0.74～1.70m，高0.5～2.7m;输水隧洞布置在大坝右岸，为直墙圆拱形钢筋混凝土无压隧洞，断面尺寸(宽×高 ×拱矢 =1.5m×1.05m×0.75m)，全长203m，并设0.8m×0.8m平板钢闸门工作闸和检修闸各一道，允许最大过流 6.43m3/s，设计流量为0.5m3/s。

2.2 大坝设计

2.2.1 坝顶高程及坝高确定

大坝正常超高0.5m，非常超高0.3m。吹程D=0.4km;风向与坝轴线夹角α=20°;上游干砌块石护坡坝坡粗糙系数K=0.75。采用官厅水库公式计算:波浪高度，2hc=0.0166Uf5/4D1/3(m);波浪爬高，hB=3.2k(2hc)tanα(m);正常应用风速采用平均最大风速的1.5倍，V=15×1.5=22.5m/s;非常应用风速取平均最大风速15m/s。

经计算，正常应用工况下波浪爬高为0.84m;非常应用工况下波浪爬高为0.53m;正常蓄水位坝顶高程为2018.22+0.84+0.5=2019.56m;设计洪水位坝顶高程为2020.18+0.84+0.5=2021.52m;校核洪水位坝顶高程为2020.89+0.53+0.3=2021.72m;坝顶高程确定为 2021.44m，防浪墙高 0.9m，墙顶高程2022.34m。

大坝为黏土心墙堆石坝，坝高44.14m，坝顶高程2021.44m，坝轴线长154.12m，坝顶宽度5.0m，坝顶为泥结石路面。

2.2.2 大坝断面尺寸及坝体填筑材料

上游坝面在2010.00m高程以上至坡顶坡比为1∶1.7，在2010.0m高程以下至1991.0m高程以上坡比为 1∶1.8，在 1991.0m 高程以下坡比为 1∶1.9，在1991m处设宽1.5m的戗台;下游坝面在2010.00m高程以上至坡顶坡比为1∶1.5，在2010.00m高程以下至1991.0m高程以上坡比为1∶1.6，在1991.0m高程以下坡比为1∶1.7，在1991m、2010m处分别设宽1.5m的马道各1条，上、下游坝坡为干砌石护坡。心墙顶宽3m，心墙轴线位于坝轴线偏向上游0.5m处，心墙上、下边坡比为1∶0.2，底部做混凝土盖板，厚0.35m，截槽上、下游为1∶0.5的边坡，底部伸入基岩1.5m，底宽随高程的变化改变，最少不小于3m，最大底宽16m。

大坝设计为黏土心墙堆石坝，心墙采用黏土料填筑，上下游坝壳采用堆石料填筑，堆石料设计干容重20kN/m3，渗透系数 K1=1.0 ×10－2cm/s。过渡料渗透系数K2=1.0×10－2cm/s，反滤料渗透系数K3=1.0×10－3cm/s。心墙底部基础面沿轴线做16m宽，0.35m厚的混凝土垫层，其余基础面用C20混凝土补平。心墙防渗料设计干容重19kN/m3，渗透系数K4=3.77×10－6cm/s。填筑材料级配曲线如下图所示。

坝体填筑材料级配曲线图

2.2.3 防渗帷幕灌浆设计

a.防渗方案。发脉水库在正常蓄水位以下存在中等透水层，厚度为15.0～25.5m，产生坝基及绕坝渗漏，经计算，坝基渗漏量为4.01万m3/年，绕坝渗漏量为9.3万m3/年，总的渗漏量为13.31万m3/年，占有效库容的12.1%，需对坝基、坝肩进行防渗处理。

b.坝基帷幕灌浆参数确定及工作量。防渗处理采用直线单排接地式帷幕，帷幕轴线偏向坝轴线上游0.50m，处理范围为大坝坝基及两坝肩段，帷幕线总长215m。灌浆孔间距确定为2.0m。帷幕深度5～32.62m。基岩透水率q≤10Lu。共布设帷幕灌浆钻孔109个，钻孔总进尺3827m;灌浆总进尺2451.6m，均为基岩;共布置检查孔11个，钻探进尺383m。注水试验49段。

2.2.4 大坝稳定校核

a.大坝渗流稳定计算结果。渗流计算采用河海大学工程力学研究所AutoBank5.5程序计算。计算结果表明，心墙下游渗透水力坡降2.79～9.27，必须设置反滤保护，其余坝基、坝体下游出逸点部位的渗透水力坡降0.02～0.11，渗流稳定，无需设置倒滤体。

b.大坝坝坡稳定计算参数与结果。大坝稳定计算采用河海大学工程力学研究所HH－slope程序有效应力—简化毕肖普法计算。计算参数见下页表。在18个工况下，坝坡稳定计算系数均大于规范要求，其中，最小值设计洪水位稳定渗流期+7度地震系数为1.323，大于规范允许值【Kc】=1.10，最大值校核洪水位稳定渗流期系数为2.017，大于规范允许值【Kc】=1.15。

坝坡稳定计算采用的物理力学指标表

2.2.5 坝体沉降计算

坝体沉降变形计算采用分层总和法，沉降公式如式(1)。

式中 St——坝基总沉降量;

n——土层分层数;

eio——第i层的起始孔隙比;

eit——第i层相应于竣工时或最终的竖向有效应力作用下的孔隙比;

hi——第i层的土层厚度。

计算时土层划分为10层，计算结果:心墙的沉降量为152cm，但大部分沉降约70%在施工期间完成，剩余46cm，按《碾压式土石坝设计规范》规定，土质防渗体预留沉降量为最大坝高的1%，约44cm，因此，确定坝体预留沉降超高为50cm。

2.3 输水隧洞设计

2.3.1 泄流量计算

当水深大于闸门开度时采用式(2)计算，当水深小于闸门开度时采用式(3)计算。计算结果，库水位2020.89m，开度 0.8m，泄流量 6.43m3/s，库水位1991.00m，开度0.1m，泄流量0.13m3/s。

2.3.2 闸后无压段水面线计算

无压段水面线根据能量方程，用分段求和法计算，计算公式见式(4)、式(5)。在校核洪水位情况下，无压段水深为0.49～1.24m。最大净空高度0.56m大于规范值0.4m，最小净空面积大于隧洞断面积的15%，满足规范要求。

2.3.3 消能计算

采用等宽矩形断面下挖式消力池消能，计算结果为消力池池长12m，池深1.5m，池宽2.0m。池深，d=σh2－h1－Δz;m。

消力池尾部出口水面跌落，ΔZ;m。

池长Lr=0.8×h1×9.5(Fr1－1)。

2.3.4 结构计算

a.抗滑稳定安全系数计算。见式(6)，闸室的抗滑稳定安全系数Kc=3.08＞［k］=2.3。

式中 Kc——沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数;

∑G——作用在闸室上的全部竖向荷载(包括闸室基础底面上的扬压力在内)，kN;

∑H——作用在闸室上的全部水平向荷载，kN;

A——闸室基底面的面积，m2;

f'——闸室基底面与岩石地基之间的抗剪断摩擦系数;

C'——闸室基底面与岩石地基之间的抗剪断黏聚力，kPa。

∑G——作用在闸室上的全部竖向荷载，kN;

∑M——作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩，kN·m;

A——闸室基底面的面积，m2;

W——闸室基底面对于该底面垂直水流方向水位形心轴的截面矩，m3。

c.岩基上启闭塔抗倾覆稳定计算。见式(8)，K0=1.39＞［K］=1.3。

式中 K0——塔基抗倾覆稳定安全系数;

∑MV——对塔基前趾的抗倾覆力矩，kN·m;

∑MH——对塔基前趾的倾覆力矩，kN·m。

2.4 溢洪道设计

2.4.1 水力计算

a.泄流流量计算。溢洪道的泄流流量按满足设计洪水和校核洪水调洪下泄流量确定，校核洪水下泄流量为19.7m3/s，堰上水位为2020.89m;设计洪水下泄流量为12.39m3/s，堰上水位为2020.18m。溢洪道堰顶高程为2018.22m，堰型为宽顶堰，为无闸控制，净宽3m，其出流量按公式(9)计算。

式中，m——堰的流量系数，取m=0.34。

b.泄槽水力计算。以进口为起点经水面曲线计算求得第一段陡坡末端水深为0.50m，流速14.12m/s;第二段陡坡末端水深为0.49m，流速14.41m/s。

c.消力池尺寸。消力池设计标准按P=5%时的调洪下泄流量进行设计，设计流量为11.09m3/s，底流消能，经计算，跃前水深，h＇=0.30m，跃后水深 h″=2.90m;水跃长，Lj=17.95m;消力池长，Lk=14.36m;消力池深度，σh2=1.05×2.90=3.05m;池后水深，ht=1.5m，Δz=0.22m;消力池挖深，S=3.05－1.5－0.22=1.35m。消力池长取15m，池深取2m。

2.4.2 稳定复核

a.边墙稳定计算。边墙抗滑稳定系数K =∑fW/∑P，【Kc】=1.05，岩体为Ⅳ类，f=0.7。取陡坡段边墙壁进行计算:边墙自重W=2.36t/m;作用滑动面上的法向分量 Wp=2.36cosθ;Wp=2.36cos25°10'=2.36×0.905=2.13t;作用滑动面上的切向分量P=2.36sinθ=2.36sin25°10'=2.36 ×0.425=1.0t;K=0.7×2.13/1=1.49＞【Kc】=1.05，满足稳定要求。

b.底板抗滑稳定计算。泄槽段底板抗滑稳定的计算选择在第一陡坡段的最不利位置。

式中 K——抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数;

f——底板混凝土与基岩接触面的抗剪断磨擦系数，取0.8;

∑W——作用于底板上的全部荷载对计算滑动面的法向分力;

∑P——作用于底板上的全部荷载对计算滑动面的切向分力。

经计算，K=1.69＞【1.2】，满足稳定要求。

3 结语

发脉水库枢纽工程设计，在详细的水文、地质约束条件下，通过周全的水力和结构计算，大坝、输水隧洞、溢洪道稳定，结构安全。发脉水库于2010年7月正式实施，至今未发生工程变更，验证了设计的合理性。