大斗水库泄洪消能建筑物布置与结构计算

杨堂坤 龙慧

摘 要：溢洪道作为重要的防洪调洪建筑物，合理确定泄水建筑物结构参数和控制泄洪流量对保障水库安全稳定运行尤为重要。针对大斗水库V形横向谷特点，本文结合混凝土面板堆石坝枢纽布置方案，根据《溢洪道设计规范》（SL 253—2018），对溢洪道整体布置和结构体形的设计方案展开详细计算和论证分析。结果表明，在大坝右侧垭口处布置岸边不设闸开敞式溢洪道的方案合理，结构参数和泄流能力均满足相关规范要求，各工况下消能和防冲刷效果良好。

关键词：溢洪道;泄水建筑物;消力池;大斗水库

中图分类号：TV653文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）29-0088-03

Abstract： Spillway is an important flood control and flood regulation structure， it is particularly important to reasonably determine the structural parameters of the discharge structure and control the discharge flow to ensure the safe and stable operation of the reservoir. In view of the characteristics of the V-shaped horizontal valley of Dadou Reservoir， this paper combined the layout plan of the concrete face rockfill dam， and according to the "Specification for Spillway Design" （SL 253—2018）， carried out detailed calculation and demonstration analysis of the overall layout and structural shape of the spillway. The results show that， the plan of arranging an open spillway without gates on the bank in the right pass of the dam is reasonable， the structural parameters and discharge capacity meet the requirements of relevant specifications， and the energy dissipation and anti-scouring effects are good under various working conditions.

Keywords： spillway;discharge structure;stilling basin;Dadou Reservoir

大斗水库位于黎平县水口镇余家坝村，距黎平县城42.0 km，距贵阳市358 km。坝址位于洪洲河一级支流下温河上，属长江流域沅江水系。坝址以上集水面积为46.0 km2，主河道河长为18.96 km，主河道平均坡降为10.24‰。工程任务为城乡供水及农业灌溉，水库正常蓄水位为498 m，相应库容为1 032万m3，死水位为462 m，死库容为31.3万m3。枢纽工程主要由混凝土面板堆石坝、右岸开敞式溢洪道、右岸取水兼放空建筑物等共同组成。工程规模属中型，工程等别为Ⅲ等。

1 工程开发任务

大斗水库工程是一项综合性水利工程，水库总库容为1 189万m3，其主要任务是乡镇供水、灌溉、农村人畜供水。工程建成后，可解决黎平县洪州镇、顺化乡的集镇供水问题，为沿线提供灌溉用水，提高灌区内农村供水保证率，总供水量为1 358万m3/a。根据设计水平，可向黎平县洪州镇、顺化乡2个乡镇供水319万m3/a，设计保证率为95%;向1 385 hm2耕地供水989万m3/a，设计保证率为80%;提供灌区内农村用水量50万m3/a;下放环境水量262万m3/a。为满足供水、灌溉要求，本工程供水流量设计为0.174 m3/s，灌溉流量设计为1.752 m3/s。

2 库区工程地质条件

水库坝址河谷为较对称的V形横向谷，谷底宽为75.0 m，平水期水位为449.4 m，水深为0.2～0.5 m，河床高程为448.9～449.6 m，河流流向为N10.7°W。在正常蓄水位498.0 m高程的条件下，河谷宽为194.5 m，宽高比为3.71。左岸山体较雄厚，右岸山体受河道转弯及冲沟、垭口等切割影响较单薄，主要为侵蚀、剥蚀中低山及河谷地貌。坝址出露的地层岩性主要有第四系残坡积层、冲洪积层、崩塌堆积体、板溪群拱洞组。坝址位于摩天岭背斜南西翼、己树向斜北东翼，未发现大断层，坝址段岩层倾该段河道下游偏左岸，产状N15°～45°E/NW∠20°～40°，总体为单斜构造，层状结构。主要发育的裂隙有四组。受岩性及构造影响，节理裂隙较发育。

岩体风化主要受节理裂隙及地形控制，有以下两个特点：两岸坡风化深度比河床大，主要为裂隙性风化;因冲沟发育，地形破碎，山脊水平风化深度较大。坝址地下水类型主要为覆盖层孔隙水及基岩裂隙水，水量较小，地下水主要在强、弱风化带岩体的节理裂隙中运移，随着地形的抬升，水力比降呈逐渐变缓的趋势，地下水位高于河水位，地下水补给河水。

3 泄水建筑物设计

3.1 溢洪道平面布置

大斗水库大坝为混凝土面板堆石坝，泄水建筑物为岸边开敞式溢洪道，消能方式为底流消能。溢洪道布置于大坝右侧垭口处兼挡水作用，由引渠段、控制段、调整段、渐变段、陡坡泄槽段、消力池组成，溢洪道纵向、横向每15 m設置结构伸缩缝，缝内设止水。溢洪道平面布置如图1所示。

3.1.1 引渠段。溢流堰上游引渠底板高程为480 m，底宽为30 m，采用C20素混凝土浇筑，厚为0.3 m。引两岸边坡以1∶0.5坡度放坡至高程494 m平台，494 m高程以上两岸结合地形设置导墙引水，导墙间最小距离为63 m（溢流堰宽度）。

3.1.2 控制段。控制段由溢流部分与非溢流部分组成，总宽为93 m。其中，溢流段为无闸控制的开敞式溢流堰，宽为63 m，由三个宽1 m中墩（桥墩）隔为四孔，每孔宽为15 m，溢流堰净宽为60 m。溢流堰基础高程为470 m，堰顶高程为498.0 m，溢流堰采用WES实用堰，溢流堰体采用C25混凝土，堰顶下游的堰面曲线为[y=0.246x1.85]，后接1∶0.7坡度直线段，末端为半径为10 m的反弧段，反弧末端底部高程为482.0 m。

3.1.3 調整段与渐变段。调整段长为15 m，宽为63 m，而后接渐变段，渐变由63 m收缩至30 m，长为35 m，收缩角为25.2°，侧墙边墙高度为3 m，纵向坡度为1∶100，采用C35混凝土浇筑。

3.1.4 陡坡泄槽段。陡坡泄槽段水平长度约为58.5m，宽为30 m，边墙高为2 m，底板厚为1 m，采用C40混凝土，纵向坡度1∶1.2，以抛物线形式接于渐变段之后，抛物线曲线为[y=x2/64.88]。

3.1.5 消力池。泄力池采用半径为4 m的反弧段与陡坡泄槽段末端相接，反弧段流速为28 m/s。消能方式采用底流消能，池长为35 m，消力池底板高程为445.0 m，边墙高度为8 m，底板厚度为2 m，采用C40混凝土。

3.2 泄水建筑物计算

3.2.1 泄流能力计算。大斗水库溢洪道为不设闸式泄洪，堰型为实用堰，堰面曲线采用WES幂曲线。溢洪道为开敞式，根据《溢洪道设计规范》（SL 253-2018），泄流能力计算公式为[1-2]：

式中，[Q]为流量，m3/s;[B]为溢流堰总净宽，[B]=60 m;[H0]为计入行近流速水头的堰上总水头，m;[c]为上游堰坡影响系数，[c]=1.0;[m]为流量系数;[ε]为闸墩侧收缩系数;[σs]为淹没系数;g为重力加速度，m/s2。

其中，[ε]用公式可以表示为：

式中，[ζK]为边墩形状系数，取0.1;[ζo]为中墩形状系数，取0;[n]为闸孔数目，个;[b]为单孔宽度，m。

根据大斗水库洪水调度方式，分析得溢洪道泄流能力计算成果，如表1所示。

从表1可知，发生1 000 a一遇洪水（校核洪水）时，[Q]=559 m3/s（[P]=0.1%）;发生50 a一遇洪水（设计洪水）时，[Q]=288 m3/s（[P]=2.0%）;发生30 a一遇洪水（消能防冲洪水）时，[Q]=244 m3/s（[P]=3.33%）。三种工况下，溢洪道的计算可下泄流量均不小于设计下泄流量，溢洪道泄流能力满足要求，拟定的溢流堰宽合适。

3.2.2 泄槽水面线计算。泄槽水流为非均匀渐变流，泄槽水面线根据《溢洪道设计规范》（SL 253-2018）中的能量方程，用分段求和法进行设计计算[3]，即

式中，[q]为泄槽单宽流量，m3/（s·m）;[H]为起始计算断面渠底以上总水头，m;[g]为重力加速度，m/s2;[φ]为起始计算断面流速系数，取0.95;[θ]为泄槽底坡坡角，本工程泄槽首端坡度[tanθ]=1∶100。

经计算，在处于校核洪水位（[P]=0.1%）时，起始水深[h1]=0.521 m;在处于消能防冲洪水位（[P]=3.3%）时，起始水深[h1]=0.230 m。

水面线按照能量方程试算，公式如下：

式中，ΔS为分段长度，m;ΔES为分段末断面能量ΔEsd与始断面能量ΔEsu之差;i为泄槽底坡;J为分段内平均摩阻坡降。经计算，在处于校核洪水位（[P]=0.1%）时，泄槽末端水深[h]=0.6 m，流速[v]=32.11 m/s;在处于消能防冲洪水位（[P]=3.3%）时，泄槽末端水深[h]=0.6 m，流速[v]=15.8 m/s。

3.2.3 消力池底板抗浮稳定计算

消力池边墙顶高程为441.0 m，消力池底板高程为428.5 m，底板厚为2 m，边墙采用衡重式挡土墙结构。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：

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，kN;[Q1]、[Q2]为消力池顶面上的脉动压力和底面上的扬压力，kN。

消力池抗浮稳定计算成果如表2所示。

由表2可知，在校核工况（P=0.1%）下，即使不采取基础锚固措施，护坦抗浮稳定性也能满足规范要求。

4 结论

为确保大斗水库混凝土面板堆石坝具有良好的泄流、消能和防冲刷效果，规划设计阶段结合工程地形地质、洪水调度等成果，对泄洪建筑物平面布置及结构体型进行了优化调整。论证分析和设计计算表明，大斗水库布置的岸边不设闸开敞式溢洪道及所采取的底流消能方式，与工程实际匹配性好，具有较高的技术可行性和经济合理性，满足设计规范要求。

参考文献：

[1]杨秀东.岩门子水库枢纽平面布置及泄洪建筑物设计[J].吉林水利，2018（5）：30-32.

[2]陈禹衡.龙潭水库溢洪道除险加固设计与计算分析[J].水利规划与设计，2016（9）：141-144.

[3]张同丽.水工模型试验在南沟门溢洪道设计中的应用[J].陕西水利，2018（4）：90-92.