水库工程挡水建筑物及泄水建筑物设计研究

宋思亮

（梅州市水利水电勘测设计院有限公司,广东 梅州 514400）

1 工程概况

丰顺县教堂水库工程位于丰顺县丰良河二级支流银山水上,坝址位于银山水与坳头支流汇入口上游约130 m 处,见图1。本项目为综合利用工程,建坝蓄水的主要用途为灌溉和供水,根据丰良镇经济社会发展要求,并结合镇政府和当地水务部门的意见后,确定本工程的任务为供水和灌溉,提高供水和灌溉保证率。结合工程区情况,以为水稻主,兼种旱作、稻旱轮作等实际情况,灌溉设计保证频率取90%,供水保证率取95%。

图1 工程地理位置

2 确定工程规模

本工程灌溉范围为大椹水沿岸成西、成东、复兴、莘桥等村委耕地,共计6761 亩,其中：成西村2338 亩、成东村2054 亩、复兴村1735 亩、莘桥村635 亩。供水范围为现成西水厂供水范围,包括丰良镇区及成西、成东、莘桥、复兴、小椹、丰京、丰溪等7 个行政村,到规划水平年2030年供水范围人口为35320 人,其中常住人口18292 人,外出务工人员为17028 人[1]。

经水库调节计算,本工程水库总库容上坝址方案为208.05 万m3, 中坝址方案为213.25 万m3, 下坝址方案为264.43 万m3；设计灌溉面积为0.68 万亩；年引水量（供水）130.97 万m3。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）,确定本工程规模为Ⅳ等小（1）型。

3 做好洪水设计

3.1 设计洪水

由于工程流域内无实测洪水资料,因此设计洪水由设计暴雨推求,设计洪水根据“多种方法,综合分析,合理取值”的原则,以《广东省暴雨径流查算图表》及《广东省暴雨参数等值线图》为基础,采用广东省综合单位线法及推理公式法（1988年修订）两种不同方法进行计算,通过反复试算调整汇流参数协调两种方法计算的成果,并分析成果的合理性,最终选定采用广东省综合单位线法计算成果[2],计算结果见表1。

表1 设计洪水计算成果表 单位：m3/s

3.2 施工洪水

工程临时导流建筑物级别确定为5 级,导流建筑物洪水标准按导流建筑物类型确定。根据本工程施工组织设计,上坝址及中坝址方案坝型为重力坝,施工导流采用坝体底孔导流,故确定上坝址及中坝址方案导流建筑物洪水标准按取3年一遇（全年）,坝体施工期临时渡汛洪水标准按取10年一遇（全年）。下坝址方案为土石坝,围堰采用土石围堰,导流建筑物洪水标准按取5年一遇（全年）[3]。

施工期导流洪水采用广东省综合单位线法计算,上坝址3年一遇（P=33.3%）设计洪峰流量为74.4 m3/s,10年一遇（P=10%）设计洪峰流量为105 m3/s；中坝址3年一遇（P=33.3%）设计洪峰流量为92.3 m3/s,10年一遇（P=10%）设计洪峰流量为131 m3/s,下坝址5年一遇（P=20%）设计洪峰流量为117 m3/s。

4 主要建筑物设计

4.1 挡水建筑物设计

在挡水建筑物设计中,需要做好波浪要素和波浪高度的计算[4]。

（1）波浪要素计算

根据《水工建筑物荷载设计规范》（SL 744-2016）,波浪要素采用莆田公式计算。

1）平均波高计算

根据丰顺县气象资料,多年平均年最大风速为13.29 m/s,重现期P=2%年最大风速为21.0 m/s。平均波高计算公式如下：

式中：H 为平均波高,m；V 为计算风速,m/s；F 为风区长度,m；d 为水域的平均水深[5],m；g 为重力加速度,取9.81 m/s2。

平均波高计算结果见表2。

表2 平均波高计算成果

2）平均波周期计算

平均波周期按如下公式计算：

式中：T 为平均波周期,s。

3）平均波长计算

波长按如下公式计算：

式中：L 为平均波长[6],m。

（2）波浪高度计算

根据《水工建筑物荷载设计规范》（SL 744-2016）,波浪高度采用如下公式计算：

式中：hz为波浪中心线至计算水位的高度,m；H 为挡水建筑物迎水面的水深,m；hp%为累积频率为P%的波高,m,本工程取h1%。

波浪高度计算成果见表3。

表3 波浪高度计算成果

（3）挡水建筑物设计

拦河坝采用常态混凝土重力坝,坝底高程188 m 坝顶高程240.3 m,最大坝高52.3 m,坝顶宽度6.0 m,最大坝底宽度44.18 m,坝顶轴线长113.36 m,溢流坝段布置在大坝中部,长度为12.5 m,左侧非溢流坝段长度为50.05 m,右侧非溢流坝段长50.81 m[7]。

非溢流坝段坝顶高程240.3 m,坝顶宽度6 m,上游坝面205.4 m～240.3 m 高程以上铅直,205.4 m 以下坝面坡度为1∶0.15,下游坝面高程230.6 m 以上铅直,高程230.6 以下坡度为1∶0.8。

溢流坝段堰顶高程为234.82 m,溢流堰采用曲线型实用堰,上游坝面高程205.4 m～234.44 m 铅直,205.4 m 高程以下坝面坡度为1∶0.15,下游坝面高程205.63 m～232.12 m 坡度为1∶0.8,205.63 m 高程以下接挑流反弧段。溢流堰宽共11.0 m,设2 孔,每孔净宽为5.5 m,中间设中墩,中墩厚1.5 m,两边设边墩,边墩厚1.5 m,墩顶高程为240.3 m,坝顶设交通桥。

坝体内设灌浆廊道,采用城门洞,宽2.5 m,高3.25 m,顶拱中心角180°,廊道中心线位于坝顶中心线下游1.25 m,河谷水平段底高程为200 m,两侧坝肩段高程为200 m～221.3 m,坡度为1∶1,在两侧坝肩221.3 m 高程处各设一个出口,灌浆廊道底部坝体混凝土厚度按不小于3 m 控制[8]。

4.2 泄水建筑物设计

由于开敞式溢洪道泄流能力大,且运行检修方便,故本工程泄水建筑物采用开敞式溢洪道,堰型采用流量系数较大的曲线型实用堰。设计出了两个方案：

方案1：堰顶高程为正常蓄水位,堰顶不设闸门,溢流堰净宽26.8 m,布置4 孔,每孔6.7 m,设3 个中墩,中墩宽1.5 m,溢流堰总宽31.3 m。

方案2：堰顶低于正常蓄水位,堰顶设闸门,布置方式如方案1。

方案1 的优点为堰顶不设闸门,可节约防洪闸及启闭机的投资,减少值班管理人员。缺点是溢流堰总宽过大,不利于引水等进水口建筑物的布置；方案2 的优点是可以减少溢流堰宽度,有利于其他建筑物的布置。缺点是需增加闸防洪闸及启闭机的投资,增加值班管理人员[9]。

对比两种方案,若采用方案1,因坝址段河谷狭窄,引水及放空设施进水口难于布置,堰顶至坝下挑流鼻坎之间的溢洪道边墙收缩角过大,产生的冲击波过大,不利于建筑物的安全,故本工程溢洪道设计采用方案2。

泄水建筑物布置于大坝溢流坝段,采用开敞式溢洪道,溢流堰宽共11.0 m,设2 孔,每孔净宽为5.5 m,堰顶高程为234.82 m,堰型采用曲线型实用堰（WES 幂曲线）,定型设计水头为Hd=2.8 m,Hd/Hmax=84.8%,上游堰头采用三圆弧曲线,圆弧半径为R1=1.4 m,R2=0.56 m,R3=0.11 m,下游堰面采用WES幂曲线,曲线方程参数k=2.0,n=1.85。堰体下游高程232.12 m处接溢洪道泄槽,泄槽宽12.5 m,坡度1∶0.8,长33.93 m,两侧设边墙,边墙高2.4 m。泄槽末端高程205.63 m 处接消能建筑物,本工程采用挑流消能,槽宽12.5 m,反弧半径为15 m,挑射角为15°,反弧最低点高程为200 m,挑流鼻坎高程为200.51 m[10]。

5 结论

（1）灌溉效益。工程建成后,灌溉面积0.68 万亩（水田）。在农业技术措施不变的情况下,预计土地灌溉面积的年产量在原基础上增加50%,即水稻产量增加418.1 kg/（亩·a）。稻谷的价格以1.9 元/kg 计。则灌溉效益：0.68×418.1×1.9=540.18 万元。

（2）供水效益。经综合考虑,国民经济评价应急水价按1.7 元/m3计算,则此工程的年应急供水效益为181.68 万元。

（3）社会效益。工程的建设能优化水资源配置,在保证灌溉的基础上,有效提高成西水厂的供水保证率,满足民众的用水要求,解决供水与灌溉用水的矛盾,从而减少社会矛盾,对维护社会和谐与稳定起到积极作用。以损失法计算,按工农业生产受项目影响造成的损失,则工程社会效益为92 万元。