擦耳岩水库泄水建筑物设计

汪 罗，李茜希，马富强

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002)

1 概 述

擦耳岩水库位于贵州省黔南布依族苗族自治州，水库的主要任务是以县城防洪、供水为主并兼顾发电。防洪方面通过县城上游擦耳岩水库的兴建，可使县城城区抵御洪水的能力由现有的10年一遇提高至20年一遇。京舟河甲塘水库建成后，通过联合甲塘水库可使县城城区抵御洪水的能力由20年一遇提高至50年一遇，防洪库容2 623×104m3。水库兴建后年供水量约为1 899×104m3/a，可满足平塘县城新老城区及平湖工业园区的用水需求及下放下游河道环境水量5 046×104m3。水库建成后，可兼顾发电功能，电站装机2台，总装机容量5 MW，年发电量1 152×104kW·h。

大坝溢流表孔位于坝身河床段坝横0+108.000 m～坝横0+134.00 m位置，为有闸控制的开敞式溢洪道，堰顶高程736.0 m，溢流前沿净宽18.0 m，采用3孔6 m×8 m(宽×高)的闸门控制，中墩厚度为2.5 m，边墩厚度为1.5 m；泄洪底孔与溢流表孔并列布置，位于左坝身河床段坝横0+134.000～坝横0+150.500 m位置，分2孔泄洪，泄洪净宽10.0 m，进口底板高程为719.0 m，设事故闸门(孔口尺寸为5 m×7 m)，事故闸门后接弧形工作闸门，闸孔尺寸为5 m×6 m(宽×高)，中墩厚度为3.0 m，边墩厚度为1.75 m。

2 泄水建筑物设计

2.1 溢流表孔设计[1-2]

2.1.1 溢流表孔结构布置

本工程推荐坝型为碾压混凝土重力坝，坝身可过水，由于下泄洪水量较大, 溢流表孔布置以满足尽量不冲两岸坡为原则,稍靠河床右岸。从地形看坝身不宜布置过大的溢流宽度，结合下游河道走势及其它建筑物的布置、上游水库淹没影响等，溢流表孔布置在坝身河床段坝横0+108.000 m～坝横0+134.00 m位置，为有闸控制的开敞式溢流表孔。堰顶高程736 m，溢流前沿净宽18.0 m，采用3孔6 m×8 m(宽×高)的闸门控制，中墩、边墩厚度为2 m，溢流表孔靠下游闸墩之间设交通桥，与左右岸交通连接，桥面宽为4.5 m。溢流堰采用WES幂曲线，曲线方程为y=0.070 6X1.85, 堰面曲线后与1∶0.8的泄槽底板相连，之后与半径R=10 m、中心角为51.34°的反弧相接。溢流面采用厚1 200 mm的C30钢筋砼设计，出口采用底流消能。消力池结合溢流表孔及泄洪底孔联合泄洪情况计算消能及考虑下游河道地形地貌布置，底流消力池长度为57.5 m，宽度39.25 m，C25钢筋砼浇筑，消力池底板高程704.00 m，消力池底板水平，厚度为2 m，尾部设坎，坎顶高程710.00 m，坎高为6.0 m；左边墙为重力式挡墙，厚度1.5～4.0 m，高度为21.5 m，右边墙结合电站尾水渠边墙布置，采用直墙式，厚度2 m，设计考虑在尾水渠底板高程以上消力池边墙上设置两排平压孔，平压孔间排距为2 m，孔径为300 mm。

2.1.2 溢流表孔泄流计算

1) 堰面曲线计算。根据《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2018)[2]附录A，开敞式堰面堰顶下游堰面采用WES幂曲线，可按下式计算：

(1)

式中：Hd为定型设计水头，m，按堰顶最大作用水头Hmax的75%～95%计算；x、y为原点下游堰面曲线横纵坐标；n为与上游堰坡有关的指数，上游面为铅直时，k=2.0，n=1.85；k为当P1/Hd≤1.0时，取k=2～2.2，P为上游相对堰高。

2) 开敞式堰面堰顶上游堰头曲线采用椭圆曲线，如下式：

(2)

式中：aHd、bHd为椭圆曲线的长半轴和短半轴(当P1/Hd≥2时，a=0.280～0.300，a/b=0.87+3a)；当P1/Hd≤2时，a=0.215～0.280，b=0.127～0.163，当P1/Hd取小值时，a、b相应取小值。

3) 设3孔6 m×8 m(宽×高)的弧形闸门，当闸门全开时，开敞式溢流堰根据《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2018)附录A按公式计算，计算公式为：

(3)

式中：Q为流量，m3/s；C为上游面坡度影响修正系数；ε为侧收缩系数，根据闸墩厚度及墩头形状而定，取0.9～0.95；B为溢流宽度，m；σm为淹没系数，视泄流的淹没程度而定，不淹没时为1；m为流量系数；H0为计入行近流速水头堰上总水头。

经水文调算，校核洪水位(P=0.2%)时，下泄流量Q=1 551 m3/s(10年→50年)；设计洪水位(P=2%)时，下泄流量Q=1 050 m3/s(10年→50年)；消能防冲洪水位(P=0.33%)时，下泄流量Q=1 010 m3/s(10年→50年)，实际表孔泄流能力计算见表1。

表1 表孔泄流能力计算表

由表1可看出，各工况下表孔实际泄流能力皆大于调洪设计泄流能力。

2.1.3 溢流表孔泄槽段水面线计算

泄槽段水面线按下式计算：

(4)

泄槽段掺气水深按下式计算：

(5)

式中：h为计算断面的水深，m；hb为计算断面掺气水深，m；v为不掺气流速，m/s；ζ为修正系数。

溢流表孔校核洪水位情况水面线计算成果见表2。

表2 溢流表孔泄槽水面线计算成果表

2.1.4 溢流表孔底流消能计算

因大坝下游洪水位较高，校核洪水位下游水位726.81 m(P=0.2%，远期)，设计洪水位下游水位724.12 m(P=2%，近期)，河床高程较低为709 m左右，因此溢洪道末端采用底流消能方式较为合理。溢流表孔下游出口接消力池消能，溢流表孔与泄洪底孔在坝纵0+042.00 m下游共用一个消力池。因此，计算采用洪水频率为3.33%，相应总下泄流量为1 010 m3/s。

根据下式试算得出口末端收缩水深：

(6)

式中：E0为上游总水头，m；φ为流速系数；q为单宽流量，m2/s。经计算，消能防冲水位下，末端收缩水深hc=1.758 m。

判别是否需要建消力池，按下式计算：

(7)

消力池深度根据下式计算：

(8)

式中：σ为安全系数，1.05～1.1；ht为下游水深，m；S为下挖池深，m；ΔZ为消力池出口水面落差，m。

2.2 泄洪底孔设计

2.2.1 泄洪底孔结构布置

泄洪底孔与溢流表孔并列布置且紧接溢流表孔，位于左坝身河床段坝横0+134.000～坝横0+150.50 m位置，分2孔泄洪，进口底板高程为719 m，进口顶面和两侧面采用三面收缩的椭圆曲线，侧面曲线方程为X2/52+Y2/1.32=1，顶面曲线方程为X2/7.22+Y2/2.42=1，其后接斜率为1∶5.5的压板，经过事故闸门(孔口尺寸为5 m×7 m)，后采用斜率为1∶4的压板进行压坡后接弧形工作闸门，压坡后闸孔尺寸为5 m×6 m(宽×高)。弧形闸门后接底孔泄流段，其堰面采用WES幂曲线，曲线方程为y=0.032 95X1.85, 堰面曲线后与1∶1.5的泄槽底板相连，之后与半径R=10 m、中心角为33.69°的反弧相接。过面采用厚1 000 mm的C30钢筋砼设计，出口采用底流消能，底孔消力池与泄洪底孔消力池合并布置。

2.2.2 泄洪底孔泄流计算

根据《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2018)，泄洪底孔的泄流能力按下式计算：

(9)

式中：Q为流量，m3/s；H为自由出流时孔口中心处的作用水头，淹没泄流时为上下游水位差，m；A为出口处的面积，m2；μ为孔口或管道流量系数，对短有压深孔，取μ=0.83～0.93；g为重力加速度，m/s2。

经水文调算，校核洪水(P=0.2%)时，下泄流量1 189 m3/s(10年→20年)；设计洪水(P=2%)时，下泄流量1 006 m3/s(10年→20年)；消能防冲洪(P=0.33%)水位时，下泄流量814 m3/s(10年→20年)。实际底孔泄流能力计算见表3。

由表3可看出，各工况下底孔实际泄流能力皆大于调洪设计泄流能力。

表3 底孔泄流能力计算表

2.2.3 泄洪底孔泄槽段水面线计算

泄洪底孔水面线推求方法与溢流表孔类似，泄洪底孔校核洪水位情况水面线计算成果见表4。

表4 泄洪底孔泄槽水面线计算成果表

2.2.4 泄洪底孔底流消能计算

因泄洪底孔与溢洪道共用一个消力池，在进行溢洪道底流消能计算时，已综合考虑泄洪底孔消能问题。考虑在非常洪水来临泄洪时，消力池右侧边墙(右侧边墙外侧为发电站尾水渠，该边墙与尾水渠共用)承水头较高，设计考虑在尾水渠底板高程以上消力池边墙上设置两排平压孔，平压孔间排距为2 m，孔径为300 mm。

3 结 论

结合擦耳岩水库需满足防洪要求，也考虑到下游河道的过流承受能力的特点，因地制宜的提出了溢流表孔与泄洪底孔相结合的布置方案。通过对擦耳岩水库泄水建筑物的有关计算，计算结果表明，泄水建筑物的实际泄流能力皆大于调洪设计泄流能力、泄水建筑物的结构布置能满足水面线计算结果和底孔消能的能力，即泄水建筑物采用溢流表孔+泄洪底孔的布置方案是可行的。