平正水库泄洪消能建筑物布置与结构设计

刘文龙,张 静

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563002)

1 工程概况

平正水库坝址位于遵义市播州区平正乡红心村境内，距平正乡集镇6 km，距遵义市城区63 km。水库位于长赤水河右岸三级支流田坝沟上，坝址以上流域面积1.96 km2。工程所在地区属于赤水河流域，降雨属较低值区。区域属典型喀斯特岩溶地貌，落水洞、洼地、漏斗等微地貌相当发育，蓄水条件差，地表水漏失严重。地表水系极不发育，且区域集雨面积小，水资源蕴含量较少，同时石漠化严重，植被覆盖率较差，土壤涵养水源能力差[1-2]。受限于特殊的地形地质条件，区域内水源奇缺，且水利工程配套设施不完善，一直缺乏具有可靠供水保证的蓄水工程全面保障饮水安全，资源性及工程性缺水状况突出。水库供水区为平正乡集镇区及周边农村，至2030年供水区缺水量达0.164万m3/d。因此，通过在田坝沟上修建平正水库，建成后水库供水能力0.153万m3/d，考虑再生水回用等可满足供水区安全用水需求。平正水库为平正乡唯一骨干供水水源，属民生水利工程。水库建设凸显“水系民生、水系小康、水系和谐”的现代水利理念，对保障平正集镇及周边农村人饮安全具有积极作用。

2 工程开发任务

根据《平正镇总体规划(2015—2030年)》，到2030年规划水平年集镇区人口为12 000人，现状平正乡仅有黑脚岩水厂供水，日供水量仅260 m3/d。随着集镇规模的扩大和集镇人口的迅速增加，集镇用水将急剧增加，同时黑脚岩提水工程水质污染安全隐患也将极大地威胁居民饮水安全，不宜再作为集中式供水水源。至2030年供水区缺水量为0.164万m3/d，缺水率达100%，人饮缺水量较大，工程性缺水问题尤为突出。由于供水区属典型喀斯特地貌，岩溶特别发育，在田坝沟上修建平正水库，具唯一性和不可替代性。结合平正乡供水规划和需水预测，确定平正水库正常蓄水位1139.00 m，正常库容55.4万m3，兴利库容47.6万m3，供水能力55.8万m3/a(0.153万m3/d)，考虑再生水回用等可满足远期规划水平年(2030年)平正乡集镇区12 000人口及周边205人农村居民的生活用水需求且略有富余，具有供水保证率高、水质优良等优势。同时，平正水库已列入《贵州省乡乡有稳定供水水源规划》、《贵州省水利发展“十三五”规划》、《遵义市“十三五”水务发展规划》，也是《播州区平正乡集镇区及周边农村供水规划》报告中规划为平正乡的唯一骨干供水水源，属民生水利工程，符合优先实施城镇供水和特别缺水地区水源工程的思路。

3 库区工程地质条件

平正水库位于田坝槽谷南侧的田坝沟下游河段，库身由主河道及右岸支沟蒋家沟、曾家沟等组成，正常蓄水位1139.00 m时主河道廻水长约0.667 km，支沟廻水长约0.420 km，库水面宽40～180 m，为不规则的“人”字型展布。主河流在坝址下游约300 m处进入田坝沟落水洞(K1)。库区左岸山体宽厚，无单薄的低矮垭口分布，左岸发育有半沟邻谷及新寨沟邻谷；右岸冲沟发育，地形完整性稍差；在库尾石板坡发育一低矮垭口，鞍部高程1142.00 m，比正常蓄水位高3.00 m。水库库盆主要出露三迭系下统夜郎组(T1y)及第四系(Q)地层，库区南东侧及北部分布有寒武系(∈)、奥陶系(O)、二迭系(P)及三迭系下统茅草铺组(T1m)地层。库区未见大的断层构造发育，岩层单斜，地层延续性较好。库区范围内可溶岩与碎屑岩相间分布，其中可溶岩约占70%，岩性以灰岩、白云岩为主，碎屑岩类次之，地下水类型主要以碳酸岩类裂隙溶洞水为主，碎屑岩基岩裂隙水次之，松散堆积层孔隙水仅在河谷及缓坡零星分布。

4 泄水建筑物设计

4.1 泄洪表孔结构布置

平正水库大坝为堆石混凝土重力坝，泄洪建筑物布置于大坝中段，为开敞式表孔泄洪。堰型为WES实用堰，堰顶高程1139.00 m，溢流坝段净宽10.00 m，共2孔，单孔宽5.00 m。泄洪表孔结构布置如图1所示。

图1 泄洪表孔结构布置示意图

溢流面由上游面1∶1斜坡段和圆弧曲线、下游面曲线、泄槽直线段和反弧段、底流消能段组成，总长43.13 m。为满足溢流表孔抗冲磨和结构要求，其溢流堰面采取C25钢筋混凝土浇筑，溢流头采用C20混凝土浇筑，桥墩采用C25钢筋混凝土浇筑，消力池底板及边墙均采用C25钢筋混凝土浇筑；孔顶布置6.0 m宽的工作桥连接大坝两端，桥面高程为1141.00 m，采用C25钢筋混凝土梁板结构。

4.2 泄水建筑物计算

4.2.1 堰面水面线计算

为了设计溢洪道边墙高度，根据能量方程采用分段计算[3]，计算公式如下：

(1)

式中：z0为水位差，m；v0、v、φ、h和hw分别为计算断面的行进流速，m/s;平均流速,m/s;流速修正系数(取0.95);计算水深,m;堰面能量损失,m。

经计算，在校核下泄洪水流量时(P=0.5%校核洪水位1140.39 m，24 h校核洪水洪量39.4万m3)，溢洪道堰面各桩号水深及流速计算成果如表1所示。

表1 溢洪道各断面水深及流速计算成果

4.2.2 泄流能力计算

表孔堰顶高程1139.00 m，堰型为WES实用堰，单孔溢流宽度5.00 m。溢流堰泄流能力计算公式为[4-5]：

(2)

式中：Q为流量，m3/s；m为流量系数，取0.479～0.486；ε为闸墩侧收缩系数，取0.92；σs为淹没系数，不淹没时取1.0；B为表孔总净宽，B=10.00 m；H0为未计入行进流速水头的堰上总水头，m。

根据平正水库洪水调度方式，按实用堰分析得表孔过流能力计算成果，如表2所示。

表2 表孔过流能力计算成果

从表2可知，溢流表孔在三种工况条件下的泄流能力均能满足设计下泄流量要求，且略有富余，表孔结构尺寸设计合理。

4.2.3 消力池底板抗浮稳定计算

消力池长10.00 m、底宽11.00 m、厚1.00 m，底板高程为1112.50 m，为满足抗冲耐磨要求，采用C25钢筋混凝土浇筑。出水渠将消力池出水顺引至下游河道中，出水渠长27.50 m，宽11.00 m，底板坡降i=0.005。为了满足抗浮稳定要求，确保消力池结构安全，在消力池混凝土与地基之间设Φ25、间排距3.00 m、单根长4.50 m的梅花形锚杆，锚入基岩4.00 m。根据《溢洪道设计规范》(SL 253—2018)，消力池底板抗浮稳定复核计算公式为[6]：

(3)

式中：P1、P2和P3分别为消力池自重、消力池顶面上的时均压力和采用锚固措施的地基有效重量，t；Q1、Q2为消力池顶面上的脉动压力和底面上的扬压力，t。

消力池抗浮稳定计算成果，如表3所示。

表3 消力池抗浮稳定计算成果

由表3可知，在各种运行工况下(未考虑底板排水孔作用)，消力池底板的抗浮稳定最小安全系数为2.22，大于规范规定的Kf=1.00～1.20；满足规范要求。消力池结构整体抗浮稳定满足规范要求，安全裕度较大。考虑到消力池基岩面与底板间的扬压力较小，底板可不设排水孔。

5 结 论

(1)平正集镇供水区至规划水平年2030年缺水量0.164万m3/d，缺水率达100%。供水区特殊的喀斯特地形地貌和地质条件，修建平正水库具唯一性和不可替代性。平正水库设计供水能力0.153万m3/d，考虑再生水回用等可满足供水区居民生活用水需求且略有富余，具有供水保证率高、水质优良等优势。

(2)泄洪建筑物布置在大坝中段，论证分析和设计计算采用的开敞式表孔泄洪方案，泄洪潜力大且增加坝高较小，各工况下泄流能力均满足设计下泄流量要求，具有较高的技术可行性和经济优越性。

(3)泄洪建筑物采用底流消能方式，经出水渠将消力池出水顺引至下游河道中，各工况下消力池抗浮稳定性好、消能防冲效果好。