清水河水库扩建工程泄洪建筑物布置与结构计算

邓凌云

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563002)

1 工程概况

清水河水库地处尚嵇镇清水村，距尚嵇集镇8km，距遵义市城区63km，左右岸均有公路通至坝上，交通方便。水库位于乌江一级支流鱼塘河左岸一级支流清水河上，属于长江流域乌江水系，坝址以上流域面积82.6km2。清水河水库现状供水任务仅为农业灌溉兼顾集镇人畜饮水，现状供水能力有限，无多余水量为工业园区供水，缺水量达1037万m3/d，缺水率达到100%。水库现状库容系数仅为8.5%，具备扩建条件且具有供水能力较大、水质优良、运行成本较低等优势。因此，通过合理扩建工程建设，既能满足集镇及工业园区供水，又能满足已成灌区灌溉用水，对优化尚嵇集镇供水水源结构和保障尚嵇集镇供水安全具有积极作用，对促进当地社会经济持续稳定发展具有积极意义[1]。

2 工程现状及开发任务

清水河水库于1966年12月动工兴建，1973年初主体工程完工投入使用，同年6月特大洪水冲毁溢洪道及干渠，直至1983年4月，修复完工投入运行。运行期间，发现水库存在溢洪道底板多处冲坏、断裂，大坝上游坝面护坡干砌块石大面积塌滑、坝坡极不平整，大坝下游坝坡浸润渗漏、浸润面积及渗漏量逐年加大等问题。2009年除险加固工程完成，历经多个汛期蓄水检验，水库各枢纽建筑物整体运行良好，未发现明显损坏、变形等情况。水库现状总库容462万m3，兴利库容266万m3，死库容19.0万m3。

根据《遵义县尚嵇镇大坝工业园区总体规划》，至2030年大坝工业园区新鲜水净需水量为975万m3/a，毛需水量将达到1037万m3，而现状清水河水库主要以灌溉为主，兼顾集镇人畜饮水，无多余水量为工业园区供水，缺水量为1037万m3/d，缺水率达到100%，区域用水缺口较大，工程性缺水问题尤为突出。在配置水源中，清水河水库作为区域水源配置的集镇及工业园区主要供水水源，集镇及工业园区供水量为1330万m3/a，结合清水河水库现状灌溉供水规模，初步确定清水河水库在现坝址处扩建至890.00m后，正常库容1140万m3，兴利库容1077万m3，供水能力2050万m3/a，基本能够满足集镇及工业园区供水，也能满足灌溉用水(已成灌区)。同时，清水河水库扩建工程已列入国务院批复的《贵州省水利建设生态建设石漠化治理综合规划》及《贵州省水利建设“三大会战”实施方案(2013—2020年)》项目明细表中的中型水库项目。

3 工程地形地貌及水文地质条件

清水河水库位于遵义县城南东面尚嵇镇清水村境内清水河中游河段，库区河流蜿蜒伸展，河流总体流向为N25～60°E，呈长条形展布，两岸支沟密布，多以浅切、宽缓冲沟为主，冲沟多较短，仅库区中尾段石家坝沟与黄土坎沟规模较大、延伸较长；库区河道无大的跌水，正常蓄水位890.00m时，廻水至弯角塘附近，廻水长约5.2km，河床高程863～889m，平均比降3.0‰，库区水面宽30～450m。受岩性及其结构和侵蚀、溶蚀作用，库区中尾部杨村湾至弯角塘段多形成横切河向的山脊与山间沟谷、槽谷相间分布地形，山脊地形较陡，坡角一般在25～40°，局部大于60°，沟谷、槽谷则多宽缓；在库区中部水淹氹、干洞、麻窝一带地形多为较宽缓的缓丘溶谷地形，地形平缓。库区内出露地层主要有寒武系(∈)、二迭系(P)及第四系的冲积物(Qapl)及残坡积物(Qedl)，此外，在库区下游东南角和库区东侧还分布有三迭系(T)与奥陶系(O)地层。库区位于翁家坝复背斜东翼，处于马家寨断层F2与郭家坳断层F4之间，沙子坎断层(F1)由西向北东斜切库区前段。

4 泄水建筑物设计

4.1 溢洪道平面布置

清水河水库扩建后大坝为均质土坝，泄水建筑物宜布置为岸边开敞式溢洪道。在左岸新建溢洪道，其中线布置顺直，出露岩性为灰、浅灰色薄至中厚层白云岩夹泥质白云岩，基础条件较好，施工方便，出口远离下游坝脚，下泄洪水对大坝影响较小，不与其他建筑干扰。设计确定溢洪道布置在大坝左岸，包括引水渠、溢流段、泄槽段、消力池段，总长340m。溢洪道平面布置，如图1所示。

桩号0-060.0～0+000.0m段为溢洪道引水渠，底宽22.0m；0+000.0～0+012.0m为溢流堰段，溢流堰为WES实用堰，堰顶高程886.00m，溢流堰净宽18m，共3孔，单孔宽6.0m；设3扇6×4m(b×h)弧形工作闸门；0+012.0～0+240.0段为泄槽段，底宽22～14m，其中0+022.0～0+072.0为收缩段，泄槽宽由22m收缩至14.0m；0+240.0～0+280.0段为消力池段，消力池宽14.0m，深3.3m，池长40.0m，池底高程858.70m。

4.2 泄水建筑物计算

4.2.1泄流能力计算

清水河水库扩建后溢洪道为设闸式泄洪，溢流堰为WES实用堰，溢流控制净宽18.0m，堰顶高程886.00m。溢洪道布置3孔，每孔净宽6m。溢流堰的泄流能力分析函数表达为[2- 4]：

(1)

式中，Q—流量，m3/s；c—上游堰坡影响系数，c=1.0；m—流量系数，取m=4.5；ε—闸墩侧收缩系数，取0.92；σs—淹没系数，取1.0；B—溢流堰总净宽，B=18m；H0—计入行近流速水头的堰上总水头，由于清水河水库实用堰堰高P1<1.33Hd(Hd为水头)，为低堰。

根据清水河水库洪水调度方式，按溢流堰分析得溢洪道泄流能力计算成果，见表1。

表1 溢洪道泄流能力计算成果

由表1可知，发生1000a一遇洪水(校核洪水)时，Q=464m3/s(p=0.1%)；发生50a一遇洪水(设计洪水)时，Q=309m3/s(p=2.0%)；发生30a一遇洪水(消能防冲洪水)时，Q=289m3/s(p=3.33%)。设计推荐的3孔6×4m(b×h)溢洪道，其泄水能力能够满足消能防冲、设计洪水位和校核洪水位工况下的泄水需求，即：泄消能防冲洪、设计洪水、校核洪水和20及5a一遇洪水时，3孔闸门均按全开工况运行。

4.2.2泄槽水面线计算

泄槽水面线根据SL 253—2018《溢洪道设计规范》中的能量方程，按照分段求和法进行计算[5- 6]，即：

图1 溢洪道平面布置

(2)

(3)

式中，ΔL1-2—分段长度，m；h1、h2，v1、v2和α1、α2—分段始末断面的水深，平均流速和流速修正系数(取1.05)；θ、i—泄槽底坡角度和坡比；j—分段平均摩阻系数；n—槽身糙率系数，取0.015；R—分段平均水力半径，m。

由于泄槽与上游WES堰连接，泄槽水面线由泄槽首部起算，起始断面水深h1按堰下收缩断面水深计算[7，8]。泄槽分3段，其中：桩号0+012.00～0+022.00段槽宽为22.0m，底坡i=0.03，侧墙高14.0～10.0m；桩号0+022.00～0+072.00为收缩段，末端槽宽为14.0m，底坡i=0.03，侧墙高10.0～4.5m；桩号0+072.00～0+240.00为14m槽宽等宽段，底坡分别为0.03(0+072.00～0+154.00)、0.178(0+154.00～0+240.00)，侧墙高3.6～10.0m。

溢洪道水面线计算简图，如图2所示。

图2 溢洪道水面线计算简图

发生校核洪水时(P=0.1%)，校核洪水位891.53m，最大下泄流量Q=431m3/s。根据式(2)和图2，计算得溢洪道泄水槽段起始断面及各断面水深与平均流速计算成果，见表2。

表2 溢洪道各断面水深及流速成果

从表2计算成果可知，泄槽断侧墙高能够满足泄洪水深要求。

4.2.3结构稳定分析

根据SL 253—2018《溢洪道设计规范》规定：进水渠段溢0-033.00～溢0+000.00段边墙的荷载组合、堰体控制段溢0+000.00～0+012.00段荷载组合与泄槽段溢0+012.00～溢0+035.00相同。结合清水河水库工程实际情况，选取4个基本工况和2个特殊工况进行抗滑稳定复核。

(1)基本组合①(完建情况)。自重+土压力(坝体堆石或回填土石渣)。

(2)基本组合②(正常蓄水位情况)。自重+静水压力+扬压力+波浪压力+土压力+淤沙压力。

(3)基本组合③(设计洪水位情况)。自重+静水压力+扬压力+波浪压力+动水压力+土压力+淤沙压力。

(4)特殊组合①(施工情况)。自重+土压力+施工临时荷载。

(5)特殊组合②(校核洪水位情况)。自重+静水压力+扬压力+波浪压力+动水压力+土压力+淤沙压力[9]。

堰体(侧墙)抗滑稳定分析按单宽1m计算，容重取γc=24kN/m3。经分析，①进水渠段左右侧边墙最不利断面为：边墙高13.5m，顶宽1.2m，底宽3.45m；堰体最大堰高取4.0m，底宽22.0m。②泄槽左侧边墙最不利断面为：边墙高4.75m，顶宽1.5m，底宽2.0m；泄槽段右侧边墙最不利断面为：边墙高5.25m，顶宽1.5m，底宽2.0m。③消力池段左右侧边墙最不利断面为：边墙高10.5m，顶宽1.5m，底宽2.5m。

由于进水渠段、泄槽段溢和消力池段坐落地层均为寒武系中上统娄山关群e2-31s薄层白云岩、泥质白云岩。根据地质专业提供的物理力学指标：抗剪断摩擦系数f'=0.40～0.45，抗剪断凝聚力c'=0.24～0.27Mpa。抗滑稳定计算成果，见表3。

由表3可知，溢洪道基本组合工况下最小抗滑稳定安全系数K=3.03，发生在消力池左侧边墙，大于规范规定的[3.0]限值指标；特殊组合工况下最小抗滑稳定安全系数K=2.59，发生在进水渠左侧边墙，大于规范规定的[3.0]限值指标。溢洪道结构整体抗滑稳定满足规范要求，安全裕度较大。

5 结论

清水河水库虽经2009年除险加固处理后，溢洪道功能得到有效恢复，但由于尚嵇镇大坝工业园区建设，水库供水能力明显不足。水库现状库容系数仅为8.5%，具备良好扩建条件且具有供水能力较大、水质优良、运行成本较低等优势。为确保扩建后大坝具有良好地泄流、消能和防冲刷效果，在规划设计阶段，优化布设与水库地形地貌和工程地质相匹配的泄洪建筑物方案。论证分析和设计计算优选的溢洪道平面布置及结构体型，具有较高的技术可行性和经济合理性，为工程顺利施工建设提供了重要技术保障。

表3 溢洪道结构抗滑稳定计算成果