水底山水库工程枢纽布置及设计

陈诗阳CHEN Shi-yang

（深圳市水务规划设计院股份有限公司，深圳 518001）

0 引言

深汕西部水源及供水工程位于深圳市深汕特别合作区，合作区现有小型水库6座，主要为城市供水水库，距合作区未来发展的用水需求差距较大。西部组团（鹅埠片区）位于合作区西部，面积100.7km2，西部组团目前供水主要依靠组团内的下径水库和三角山水库向西部水厂供水，下径水库目前为病险水库，虽然已建赤石河引水工程（5.5万方/天），但仅能缓解近几年供水矛盾。随着该区域人口快速增长和经济迅速发展，西部组团将面临无水可用的局面。为解决这一问题，合作区需要尽快开展西部水源及供水工程建设。

1 工程概况

本工程所在行政区属深圳市深汕特别合作区，所在流域位于赤石河一级支流明热河上游。西部水源供水工程供水工程设计规模取35万m3/d，即4.05m3/s。西部水源及供水工程由水库枢纽工程和水底山至西部水厂输水工程两部分组成。水底山水库总库容1929.2万m3，水库总库容大于0.1亿m3小于1.0亿m3，工程规模属中型，水库枢纽工程等别为Ⅲ等。主要建筑物包括挡水、泄水和取水建筑物级别为3级，其他次要建筑物，级别为4级。水底山至西部水厂供水工程（输水管道、隧洞）干线长7.382km，其中隧洞6.163km，DN2000管道1.219km，供水工程设计流量4.05m3/s，供水对象为深汕合作区西部组团，程等别为Ⅲ等，建筑物级别为3级。水底山水库主要建筑物级别为2级，水库工程的合理使用年限为100年，相应挡水建筑物、泄水建筑物、取水建筑物的合理使用年限为100年；水底山水库至西部水厂供水工程建筑物级别为3级，输水工程的合理使用年限为50年，输水工程主要建筑物（输水隧洞和输水管道）合理使用年限为50年。水底山水库枢纽工程建设内容包括挡水建筑物、泄水建筑物和取水建筑物等。以下是针对水底山水库枢纽工程建筑物布置设计分析。

2 水库枢纽工程挡水建筑物布置设计

2.1 坝体结构布置

在本工程中，大坝采用了碾压混凝土重力坝，坝轴线长293m，建基面高程76m，坝顶高程145m，最大坝高69m，坝顶宽度10m，最大坝底宽度53.975m。大坝基础河床坝段置于弱风化下带下部至微风化岩体上部。坝基均设置2m厚混凝土垫层。为增加坝体抗滑稳定性，河床坝段建基面上游侧设置齿槽，齿槽底宽6m，深3m，上、下游侧均按1∶0.5延伸向坝基放坡；岸坡坝段建基面上游侧设置齿槽，齿槽底宽2m，深2m，上、下游侧均按1∶0.5延伸向坝基放坡。

大坝河床段为溢流坝段，左右两岸为挡水坝段。溢流坝段布置在桩号坝横0+112.000～坝横0+153.000m，溢流堰总净宽为36m，分3孔并列布置。挡水坝段布置在两岸，左岸挡水坝段长112m，右岸坝长140m。大坝上游面在EL.99.00向下部设置坡比为1:0.1折坡，以上为铅直面，下游面坡比为1:0.75，折坡点高程132.50m。为增加坝面景观，将挡水坝段下游面设置成台阶状，每级台阶高0.9m，宽0.675m。为避免下游坝坡底部出现应力集中及增加坝体抗滑稳定性，在坝趾处设置2m高的平台。

大坝上游面设置防渗层，防渗层由二级配变态混凝土与二级配碾压混凝土组合形成，标号均为C20W8F100，防渗层厚度在EL.99.00m以上为3m，以下逐渐加厚，最大厚度5.1m，其中迎水面变态混凝土厚度0.5m。坝内主体采用C15W4F100三级配碾压混凝土，下游面考虑耐久性要求，采用C20W4F100三级配变态混凝土，厚度0.5m。坝体河床段建基面及两岸建基面设置2.0m厚垫层，其中水平段采用C20W8F100二级配常态混凝土，倾斜段采用C20W8F100二级配变态混凝土。坝内河床段92m高程设有灌浆兼排水廊道，左、右岸分别通过斜廊道爬升至135.00m、133.00m高程，与坝后交通连接，左、右岸均在122m高程与上部交通廊道连接。上层交通廊道为水平布置，高程122m。

大坝排水廊道分设在溢流坝段两侧，出口至坝顶设有人行踏步。考虑波浪壅高，坝顶上游设防浪墙，防浪墙顶高程为146.00m。坝顶下游设青石栏杆，栏杆顶高程146.2m。根据地质专业提供帷幕灌浆线路，左岸坝顶岸坡较陡，需设置灌浆平洞灌浆。（图1）

2.2 大坝设计与计算

以大坝坝顶高程设计计算为例，根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2018）有关规定要求，坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程与正常蓄水位或校核洪水位的高差按下式确定，并选高者作为选定高程：

在式（1）中：Δh—防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差（m）；h1%—波高（m）；hz—波浪中心线至正常或校核洪水位的高差（m）；hc—安全超高，本工程大坝级别为2级，正常蓄水位工况，坝顶安全超高取0.5m，校核洪水位工况，坝顶安全超高取0.4m。

坝址区缺乏实测气象资料，根据海丰县气象局统计资料，海丰县多年平均年最大风速为20m/s，深圳特区台风登陆频发，本次计算采用深圳多年平均年最大风速24m/s，风向东北。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）中第5.3.5条规定，非常运用条件下，采用多年平均年最大风速W=24m/s；正常运用条件下的2级坝，采用多年平均年最大风速的1.5～2.0倍，本次取1.5W=36m/s。通过计算可得，正常蓄水位工况对应的风区长度为287.9m，校核洪水位工况对应的风区长度为290.8m。在完成波浪要素计算后，可得两种工况下的坝顶高程，计算结果见表1。

表1 坝顶高程计算结果

由表1可知，正常蓄水位、校核洪水位工况下防浪墙顶高程较大值为146.02m，坝顶高程较大值为144.82m，若不设防浪墙，则坝顶高程取146m，建基面高程为76m，最大坝高为70m，达到高坝的下限。为不突破70m的界限，坝顶上游设置防浪墙，防浪墙顶高程为146m，相应坝顶高程取为145m。根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319—2018）中第8.1.3条，溢流段设计坝顶交通桥，桥下应有足够的净空。因溢流坝段采用无闸方案，桥下净空不受闸门安装、启闭及检修，同时便于与两侧挡水坝段坝顶相连，将溢流坝段交通桥桥面高程取为145.00m。交通桥上游侧对应水面线高程为143.585m，梁底高程为144.12m，净空尺寸为0.535m，大于《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）第3.4.3条第三款所规定的0.50m净空要求，且满足《水闸设计规范》（SL265-2016）第4.2.22条第3款中梁底距最高洪水位0.5m要求，故交通桥布置满足要求，不会阻碍行洪，故将溢流坝段交通桥桥面高程定为145.00m。

3 水库枢纽工程泄洪消能建筑物布置设计

3.1 泄洪消能建筑物结构布置

本工程泄水建筑物级别为2级，校核洪水位143.86m（P=0.05%）时，相应下泄流量为553.3m3/s；设计洪水位143.43m（P=0.2%）时，相应下泄流量为459.9m3/s，消能防冲洪水位142.64m（P=2%）时，相应下泄流量为302.9m3/s。

水底山水库为中型水库，为应对超标准洪水，确保大坝安全，溢洪道应具备足够的超泄能力，故选用超泄能力更强的开敞式溢洪道方案。水库任务为供水，无下游河道防洪任务，经泄水建筑物型式比选，选定具有运行管理优势且投资增加相对较小的无闸方案。经3*12m、3*13m、3*14m无闸方案比选，选定下游岸坡防护及消力池工程量相对较少的3*12m方案。

坝身溢流表孔布置在主河床坝段桩号坝横0+112.00m～坝横0+153.00m之间，通过泄水建筑物型式比选，确定选用无闸方案，为保证水库蓄至正常蓄水位，将堰顶高程与正常水位齐平，堰顶高程140.00m，溢流堰前沿总净宽36m，共设3孔，每孔净宽12m。闸墩总长13m，因采用无闸方案，闸墩承受荷载为交通桥荷载，荷载减轻，闸墩厚度相比有闸方案减小，中墩厚1.5m，边墩厚1m。溢洪表孔上方设交通桥，桥面宽10.0m，厚0.88m。溢流堰采用WES实用堰型，定型设计水头3.5m，上游堰头曲线段采用椭圆曲线，长轴半径1.05m，短轴半径0.593m，下游堰面为WES曲线y=0.172x1.85。堰面曲线后接坡比为1∶0.75的泄槽直线段，过闸墩后与坡比为1:0.75的消能台阶相接，第一级台阶高度为0.6m，后每级台阶为0.9m，共45级，至EL.88.00m后接反弧段，反弧段半径为10m，中心角为53.1°，反弧段后接综合式消力池，消力池尾部设置消能坎，坎高3.5m。

溢流堰顶不设闸门，无闸门安装、启闭及检修空间要求，桥下净空只有过流要求，故将溢流坝段交通桥桥面高程与坝顶高程齐平，取为145.00m。交通桥上游侧对应水面线高程为143.585m，梁底高程为144.12m，净空尺寸为0.535m，大于《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）第3.4.3条第三款所规定的0.50m净空要求，且满足《水闸设计规范》（SL265-2016）第4.2.22条第3款中梁底距最高洪水位0.5m要求，故交通桥布置满足要求，不会阻碍行洪，故将溢流坝段交通桥桥面高程定为145.00m。

3.2 溢洪道设计计算

以堰面曲线计算为例，溢洪道采用超泄能力更强的开敞溢流式，其堰面曲线包含堰顶曲线段、泄槽直线段、消能台阶段及下游反弧段。

①堰顶曲线段，取顶部最高点的坐标为原点（0，0），以堰顶为界将堰顶曲线分为上游段和下游段两部分。

1）上游堰头曲线。溢洪道上游堰头曲线采用椭圆曲线，椭圆的长半轴为1.05m，短半轴0.593m，则上游堰头曲线方程为：

2）下游堰面曲线。下游堰面曲线采用WES幂曲线，WES幂曲线基本型式如下：

在式（3）中：Hd—定型设计水头，按堰顶最大作用水头Hmax的75%～95%。Hmax=143.86-140=3.86m，则Hd=2.90～3.67m，本次设计取为3.5m；

x、y—原点下游堰面曲线的横、纵坐标；

r—与上游堰坡相关的指数，由于溢流坝上游面直立，故取为1.85；

k—P1与Hd取值及上游面坡度相关，取为2.0。

下游堰面曲线方程为：

即：y=0.172x1.85

②泄槽直线段，分别与堰顶曲线段及下游反弧段相切，坡比与非溢流坝段一致，取为1∶0.75，直线段起点坐标为（5.38，3.88），对应高程为136.122m，过闸墩后与消能台阶相接。

③消能台阶段，台阶起始点与闸墩尾部相接，起点坐标为（11.20，11.64），对应桩号为坝纵0+002.250m，第一级台阶高度取为0.6m。台阶坡比与直线段坡比一致为1:0.75，结合碾压混凝土施工特点，坯层铺筑厚度一般为0.3m，为便于台阶施工，将台阶高度取成铺筑厚度的3倍，即为0.9m，相应台阶宽度为0.675m，台阶末端接反弧段，末端坐标为（41.74，52.00），对应高程为88.00m。

④下游反弧段，根据《水工设计手册》（第二版 第5卷混凝土土坝）P34页中提出“对于底流消能，反弧半径可采用（4～10）h，h为校核洪水闸门全开时反弧段最低点处的水深，当反弧段后设置护坦或平直段时，反弧半径应尽量采用较大值”，因联合消能反弧段最低点水深无法利用常规公式计算，参考挑流消能工，校核洪水工况时反弧段最低点的水深约为1m，故反弧段半径取10m。

4 取水塔设计计算

以取水塔进水口最小淹没深度计算为例，在本工程项目中，水库死水位为104.0m，取水口前淤沙高程为100.68m，3个工作闸门运行方式为，全开或者全关，不考虑控制流量，仅起分层进水的作用，故在设置取水高程时不考虑最小淹没深度对其影响。而输水管道要保证后续为有压流，故应核算其最小淹没深度。为防止出现旋涡和吸气漏斗，有压进水口的最小淹没深度S按水利水电工程进水口设计规范》（SL285-2003）附录B.2.1条计算。计算公式如下：

式中：S——最小淹没深度，m；d——闸孔高度，2m；V——闸孔断面平均流速，m/s；C——系数，边界复杂和侧向水流取0.73。

经计算，平均流速为1.05m/s，最小淹没深度S为0.82m，死水位下，最小淹没深度为11.4m，大于最小淹没深度，符合规范要求。

5 总结

总而言之，深汕西部水源及供水工程布置及设计是一项专业复杂的工程。在实际进行设计过程中，必须要明确重点内容。在本工程中，水底山水库枢纽工程是一项重点内容，必须要加强该工程建筑物布置设计分析，才能更好地保证整体工程设计建设质量。