塘坎上水库工程泄洪建筑物布置与结构计算

周光臣

摘 要：结合塘坎上水库坝址区地形地质条件，对泄洪建筑物整体布置和结构体型进行了详细分析和计算。结果表明：泄洪建筑物设计方案的表孔泄洪能力、溢流堰特征高程值设置、消能防冲等性能，均能满足设计和规范要求，具有较好的泄流、消能和防冲刷效果。

关键词：泄洪建筑物;溢流堰;挑流消能;塘坎上水库

中图分类号：TV653 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）19-0091-03

Abstract： Combing with the topographic and geological conditions of dam site in Tangkanshang Reservoir， the overall layout and structure of the flood discharge buildings had been analyzed and calculated in detail. The demonstration results show that the performance of flood discharge building design scheme， such as surface flood discharge capacity， overflow manifold feature elevation setting， energy dissipation and impact protectioncan meet the requirements of design and specification. The flood discharge buildings have better effect of drainage， energy dissipation and anti-scour.

Keywords： flood discharge building;overflow weir;picking up energy dissipation;Tangkanshang reservoir

1 工程概况

塘坎上水库位于瓮安河干流中下游河段，拟选坝址位于黔南州瓮安县天文镇高坝村大花山下游1km处的双狮河段。水库距县城约28km，有乡村公路位于库区右岸，交通相对便利。水库坝址控制集水面积787km2，主河道河长53.5km，河床平均比降8.45‰。水库校核洪水位852.99m，总库容6 705m3;水库正常蓄水位848.00m，相应库容为5 527万m3;水库死水位816.00m，相应库容为1 182万m3，兴利库容4 345万m3。工程任务为工业供水及灌溉供水。供水受水区主要为瓮安工业园区拓展区、瓮安县江界河镇麻池村等5个村灌面。水库设计年供水量11 380万m3/a，其中瓮安工业园区拓展区供水量10 750万m3，灌溉供水量630万m3。坝型为碾压混凝土拱坝，工程等别为Ⅲ等，工程规模属中型。

2 项目建设的必要性

2.1 瓮安工业园区拓展区用水困难亟待解决

隨着瓮安工业园区拓展区入驻企业不断增加和小城镇扩大，城镇供水和工业用水量将大幅度增加，现有的供水设施将无法保证供水。根据需水预测结果，瓮安工业园区拓展区的工业最高日需水量为45.24万m3/d，规划拓展区供水规模46万m3/d，其中拓展区中心区40万m3/d，云中港口物流园区3万m3/d，洗马小区3万m3/d。目前，规划区域内无规模化集中供水设施，因此，为保证工业园区拓展区工业用水需求，急需寻求新的、可靠的水源点。

工业园区拓展区处于瓮安河干流右岸，瓮安河来水量大，就近可通过修建蓄水设施来满足工业园区拓展区的用水需求。根据需水预测，塘坎上水库的建设能解决瓮安工业园区拓展区中心区、云中港口物流园区工业企业的工业用水问题。

2.2 农业灌溉用水现状亟待改善

农业是江界河镇的发展基础，在江界河镇的社会经济中具有举足轻重的作用。但根据实地调查，江界河镇灌区分布高程较高，灌面分布较为分散，无较集中的灌面。灌区内河流源短流细，且区内岩溶发育，地表、地下水滞蓄能力差，水资源量可供开发利用程度有限，因此，水利化程度和保证率不高，加之降雨年际、年内分布不均，旱灾频繁，耕地大多为靠天吃饭的“望天田”，无可靠的水源保证。灌区缺水属工程性缺水，只有修建骨干型水源工程解决径流在时空上再分布的问题，才能从根本上扭转大面积农田缺水的局面。

塘坎上水库的建设可以有效地为江界河镇生活用水及农田灌溉提供强有力的保证，该水库的建设势在必行。

3 工程地形地质条件

坝址位于左岸1号、2号和右岸5号、6号冲沟之间的双狮峡谷口处，河流流向N10°～40°W，局部段转变为N20°～40°E，两岸冲沟（负地形）一般发育，为深切峡谷地貌，呈对称“V”型横向谷，两岸地形坡度45°～70°，局部为直立陡崖或倒悬山体，在茅口组（P2m）与栖霞组（P2q）地层界线之间，因茅口组（P2m）下部夹薄层硅质灰岩及少量硅质页岩，受构造、风化剥蚀作用，上部栖霞组（P2q）地层崩塌至河床后，形成了P2m/P2q界线之间的凹槽负地形。坝址区河谷结构基本为横向河谷，岩层倾上游偏右岸，产状N40～60°E/SE∠55～65°，局部倾角近70°。坝址区无大的断层、褶皱发育，主要构造以裂隙为主，裂隙多以陡倾角卸荷、剪裂隙为主，偶见少数倾角小于40°的剪裂隙，裂隙走向垂直或者斜交河床，充填物主要为泥质、岩屑、方解石。两岸覆盖层0～5m（局部可能覆盖更深），强风化厚3.0～8.0m，弱风化厚9～16.0m，局部遇顺层岩溶发育带，风化深度不均匀，局部加深;河床覆盖层厚3.0～8.0m，强风化厚2.0～3.0m，弱风化厚8.0～9.0m。

4 泄水建筑物设计

4.1 溢洪道平面布置

塘坎上水库大坝枢纽布置为碾压混凝土双曲拱坝+坝顶溢流表孔+坝身放空底孔+右岸岸边式取水口。坝顶溢洪道前缘净宽24m，采用闸孔溢流方式，堰顶高程840.00m，分3孔，每孔净宽8.0m，分别设8.0m×8.5m的弧形钢闸门。溢流堰为WES型实用堰，由上游面曲线、下游面曲线和下游反弧挑流消能段组成，总长25.770m。其中，上游面曲线采用的椭圆曲线方程如式（1）所示;下游面曲线方程如式（2）所示;下游采用反弧挑流消能，反弧半径为9.0m，挑射角为15.0°，挑流鼻坎顶高程831.70m。

（1）

（2）

4.2 泄水建筑物计算

4.2.1 堰顶负压计算。塘坎上水库溢洪道宣泄校核洪水时，根据《混凝土拱坝设计规范》（SL 282—2003）可得，[HsHmax]=0.77，则最大负压值[hmaxHs]=0.45，则最大负压值[hmax]=0.45×[Hs]=0.045MPa<（0.03～0.06）MPa，满足规范要求。

4.2.2 泄流能力计算。塘坎上水库为设闸式泄洪，溢流堰为WES实用堰，坝顶表孔前缘净宽24m，堰顶高程840.0m，分3孔，分别设8.0m×8.5m的弧形钢闸门。溢洪道泄洪能力按开敞式WES实用堰自由出流计算，其泄流能力分析函数表达为[1]：

（3）

式中：[Q]为流量（m3/s）;[c]为上游堰坡影响系数;[m]为流量系数;[ε]为闸墩侧收缩系数;[σs]为淹没系数;[B]为溢流堰总净宽;[H0]为计入行近流速水头的堰上总水头。

根据塘坎上水库洪水调度方式，计算得各频率下相应的下泄流量计算成果，如表1所示。

从表1可知，发生1 000年一遇洪水（校核洪水）时，[Q实际]=2 332m3/s（[P]=0.1%）大于[Q设计]=2 250m3/s;发生100年一遇洪水（设计洪水）时，[Q实际]=1 617m3/s（[P]=0.1%）大于[Q设计]=1 590m3/s;发生30年一遇洪水时，[Q实际]=1 300m3/s（[P]=3.33%）大于[Q设计]=1 290m3/s。在各种频率水位下，表孔泄洪量均大于水库最大下泄流量，故表孔泄洪能力满足设计要求。

4.2.3 溢流面水面线计算。为了设计闸墩高度、边墙顶高程，以及选定弧形闸门门轴高程、弧门支铰铰心高程，需要知道溢洪道的水面曲线[2]。溢流堰坐标系统以堰顶高程为原点，[X]轴水平指向下游为正，[Y]軸铅直向下为正。堰顶水头取[H]=7.49m，根据《水工设计手册》P6-177～P6-181得出上游面及WES型堰面的水面线坐标表如表2所示。

弧门支铰中心坐标为（10.839，-5.000），铰心对应的水面线坐标为（10.839，-4.463）。水面线低于铰中心高程0.54m，满足水面以上安全超高0.5～1.5m的规范要求。

4.2.4 消能计算。表孔采用高鼻坎挑流，因溢流堰反弧段半径较小，水流有可能无法形成挑流，故又进行了各级流量下的跌流消能计算[3]。经计算得出的表孔挑流/跌流消能成果如表3所示。

从表3可以看出，在各种情况下，挑流消能冲坑后坡比满足规范小于1∶3的要求，冲坑底部高程高于大坝建基面758.00m，且冲坑位置离大坝坝脚较远，不会影响大坝安全。但从跌流消能的计算成果看，各工况下冲坑后坡比均大于1∶3的临界状态。为保护坝脚免受小流量洪水冲刷，决定在大坝下游设置钢筋混凝土护坦，护坦紧接拱坝混凝土垫层，顺河向长45m，横河向宽30～22m，厚2.0m，护坦顶部高程762.00m。为了减小或消除护坦下的渗透压力，在底部铺筑排水反选层，并在水平段后半部设置排水孔。为保证护坦的抗浮稳定，护坦底部与基岩采用Φ25锚杆连接，锚杆深入基岩5m，呈梅花型布置，间排距均为2.5m。

5 结论

为确保塘坎上水库大坝具有良好的泄流、消能和防冲刷效果，在可行性研究阶段，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泄洪建筑物平面布置方案、结构体型及特征参数，均满足规范和设计要求，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。

参考文献：

[1]杨长春，马玉林，陈欢.夹岩水库泄洪消能建筑物布置与结构计算[J].水利科技与经济，2019（6）：1-5.

[2]万玲，邹娟茹.塘澄水库工程泄洪建筑物布置与设计[J].水利规划与设计，2017（12）：149-152.

[3]陈宝.月潭水库工程泄洪建筑物优化设计[J].江淮水利科技，2017（4）：10，48.