坪底供水工程取水枢纽泄流方案设计

郭春玲

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

坪底供水工程取水枢纽泄流方案设计

郭春玲

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

依据坪底供水工程取水枢纽汛期洪量大、泥砂淤积严重的情况，在枢纽布置、底孔及溢流坝段设计、运行方式等方面采取措施，有效解决了水库泄洪及冲砂的难题，保证了取水枢纽的的正常运行。该工程的设计实践为类似工程的设计提供借鉴。

取水枢纽；底孔坝段；溢流坝段；运行方式；坪底供水工程

1 概况

坪底供水工程取水枢纽地处石楼县境内，屈产河中游坪底河段，坝址距下游裴沟乡政府4.5 km，距屈产河入黄口25 km，距上游石楼县城22 km。该水库总库容744万m3，是一座以城镇生活及工业供水为主，兼顾防洪的小（一）型水利工程。水库建成后，每年为城镇生活和工业供水650万m3。该工程主要由挡水坝段、溢流坝段、底孔坝段、消力池和取水泵站等建筑物组成。

2 问题的提出

屈产河径流主要为大气降水补给为主，河川水资源量相对丰富，年径流年际变化较大，年平均径流量为2 997万m3，年最大年径流为11 397万m3（1977年），年最小年径流为1 129万m3（1986年）；年内分配不均，汛期6～9月的径流量占全年的75%，1、2月份仅占到4.3%左右。

通过频率分析，坪底水库供水工程30年和200年一遇的入库洪峰流量分别为2 715 m3/s和5 235 m3/s；一日洪量分别为3 169万m3和5 848万m3。屈产河流域值较差，水土流失严重，经复核：裴沟水文站实测最大输沙量为5 020万t（1977年），近年来发生的最大输沙量为1 724万t（2004年）。多年平均实测悬移质输沙量为661万t，推移质按悬移质的20%考虑，为132万t，则多年平均输沙量为793万t。因此，该工程需要解决以下2个问题：

一是该工程的设计和校核洪水分别为2 715 m3/s和5 235 m3/s，洪量大，但总库容仅744万m3，调蓄能力有限，洪水须及时宣泄。枢纽的泄流建筑物应满足此要求。

二是该水库输沙量为793万t，悬移质、推移质干容重分别按1.25、1.5计算，则年入库泥砂为616.8万m3，一次洪水将淤满整个库容。如何有效地将泥砂从库区排除是必须解决的问题。

3 主要工程措施

3.1 枢纽总布置

坪底水库坝址位于山西省石楼县裴沟乡坪底村西约300 m屈产河上，河谷断面呈“U”字型。河流流向为N29°W，河谷宽20～40 m，主河槽由靠近左岸逐渐变为靠近右岸，坝址上游右岸为河漫滩，下游左岸为河漫滩；谷底高程807.5～809.5 m，两岸山顶高程890～900 m，相对高差80～90 m。左岸为岩质岸坡，岸坡上部坡度45～55°，下部坡度30～40°。右岸下部为岩质岸坡，坡度35～40°，上部为土质岸坡，坡度较缓。

根据该工程的地形特点，在枢纽布置上，为有利于泄洪排沙的要求，将挡水坝段布置在两侧靠近岸坡处，底孔、溢流坝段布置于中间部分。在靠近左岸主河槽处设2个底孔坝段，2底孔的中线与上游主河槽的轴线一致，便于将库区泥砂冲走；该底孔为有压泄流，其长22.5 m。在底孔坝段的右侧布置3个溢流坝段，其总长度51 m，主要是宣泄洪水。在靠近左岸坡处布置2个挡水坝段，其总长度35.65 m，右岸坡处布置1个挡水坝段长度为19.45 m。该坝总长度134.1 m，溢流及底孔坝段的长度79 m，占总坝长的59%。

3.2 底孔坝段

为便于泄洪排砂，在主河槽布置2孔冲砂底孔。依据《混凝土重力坝设计规范》规定：横缝间距15～20 m，并考虑该工程的具体情况，单个底孔坝段长度取14 m。该水库死水位为822.5 m，为将库内泥沙冲走，将底孔底板高程定位813 m。该冲砂底孔为有压泄流底孔，断面尺寸为6 m×6 m，两侧边墙厚度各为2 m，底板水平，进口段设平板检修门，其进口四周为1/4椭圆曲线，曲线末端设平板事故检修门，出口接4.2 m压坡段,坡度1∶6，压坡段末端设弧形工作门，底孔全长22.5 m，出口断面尺寸6 m×5.3 m（宽×高）。孔后布设消力池。

根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）附录A.3.2，孔口泄流能力按公式（1）计算：

式中：Q——流量，m3/s；

AK——出口处的面积，m2；

Hw——自由出流时为孔口中心处的作用水头，淹

没泄流时为上下游的水位差，m；

μ——孔口或管道流量系数，对短有压深孔取

0.83～0.93。

计算结果见表1。

表1 坪底供水工程洪水调节结果表

3.3 溢流坝段

溢流坝段位于底孔坝段的右侧，桩号0+019.45～0+070.45，总长度51.0 m，共分为3个坝段，单个坝段长度从左到右分别为16 m、16 m、19 m。溢流孔采用开敞式实用堰，堰顶高程825.0 m，堰顶净宽12 m×3 m。溢流堰上游面高程820.0 m以上为直立面，以下坡比1∶0.2；堰面曲线上游采用1/4椭圆弧，下游采用幂曲线，堰面曲线下设反弧圆曲线，圆弧半径20 m，圆心角45°。幂曲线与反弧圆曲线之间以1∶1的坡面衔接。反弧圆曲线出口为消力池，其长63.6 m，深4.5 m。

溢流堰等分为3孔，每孔净宽12 m，各孔闸墩厚度为2.0 m，弧形钢闸门控制，液压启闭机启吊，闸门挡水深度7.5 m。弧门上游侧布设检修叠梁门，闸墩顶部布设交通桥，桥面宽4.8 m。

根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005），表孔的泄流能力按公式（2）计算：

式中：Q——流量，m3/s；

B——溢流孔净宽，m；

Hw——溢流孔堰顶作用水头，m；

g——重力加速度，m/s2；

m——流量系数，取值0.491；

C——上游面坡度影响修正系数；

ε——侧收缩系数，取值0.93；

σs——淹没系数，不淹没时，取值1。

计算结果见表1。

计算表明，底孔坝段与溢流坝段的设计可满足该工程的泄流要求。

3.4 水库运行方式

为了保证水库的有效库容，从排沙减淤角度出发，运行方式确定为：水库运行考虑汛期和非汛期，汛期为6月～9月，主汛期为7、8月份，非汛期为当年的10月至次年的5月；水库非汛期按正常水位运行，7、8月份空库运行；6、9月份尽量降低水位，降到汛限水位运行。

4 结语

对于底孔坝段，加大底孔横断面尺寸，降低其底板高程，在泵站取水孔两侧对称布置，可将库内泥砂尽可能多地冲走并宣泄洪水。但是，随着洪量增加，大坝上下游水位差增加不多，底孔的泄量增加不大。因此，底孔冲砂可以，泄洪则作用能力不足。溢流表孔的泄流能力强。在设计时，我们加大表孔的宽度，为此布置了3个溢流坝段，每个溢流坝段的溢流孔宽12 m，单个边墙宽2 m；尽可能地降低堰顶高程。充分发挥溢流表孔的泄流能力。

该工程已于2015年12月份竣工验收，经过2016年汛期洪水的考验，枢纽正常运行，各坝段未出现异常；汛期洪水得到宣泄，坝前泥砂及时冲走。充分验证了枢纽布置和各坝段设计的合理性，该工程的设计实践可为类似工程的设计提供借鉴。

TV671

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1004-7042（2017）10-0030-02

郭春玲（1978-），女，2006年毕业于太原理工大学水工建筑专业，工程师。

2017-09-12；

2017-10-17