陜西省韓城市小迷川水庫溢洪道泄流方式比選

張 蕊，白雪梅

(渭南市水利水電勘測設(shè)計(jì)院，陜西 渭南 714000)

韓城市小迷川水庫是一座具有居民生活供水和農(nóng)業(yè)灌溉功能的Ⅳ等小(1)型水利樞紐工程。水庫距韓城市21 km，壩址位于韓城市涺水河一級支流小迷川王坪村附近。壩址以上控制流域面積46.6 km2，河道長度20.87 km，壩址以上河床平均比降2.12%，多年平均徑流量430萬 m3。水庫建成后興利庫容323萬 m3，總庫容452萬 m3；年可供水量240萬 m3，可解決1.15萬人的城鎮(zhèn)居民生活用水及1.30萬畝的灌溉用水。

小迷川水庫樞紐工程包括均質(zhì)土壩、溢洪道、導(dǎo)流放水洞等。通過壩址選擇，大壩布置在王坪村下游約300 m處的小迷川河道，泄洪建筑物采用開敞式正槽溢洪道，布置在壩體右岸；放水洞兼臨時施工導(dǎo)流布置在壩體左岸，進(jìn)口放水塔控制放水，出口設(shè)消力池與輸水管道連接；結(jié)合現(xiàn)狀路網(wǎng)，交通道路及管理設(shè)施均布置在左岸壩肩。

1 工程地質(zhì)條件

依據(jù)地勘資料，水庫庫區(qū)地處陜北臺凹南部邊緣的中低山區(qū)，地形為中間低、外圍高、向西南開口淺緩的河谷盆地，地形相對高差487 m。小迷川河自西北向東南于薛峰村匯入涺河，河谷呈不對稱的“U”型發(fā)育，左壩肩為基巖斜坡，坡腳28°～38°；右壩肩為二級階地及黃土梁、黃土斜坡，上部為黃土、古土壤，下部為卵石層，岸坡比較平緩，坡腳26°～47°。河谷寬度約7.0 m，分布高程608.0 m；兩岸一級階地高出河床1.5～2.4 m，寬度11～30 m；基座高程607.4～615.0 m；黃土梁前緣分布高程為620～627 m，高出河床12.0～19 m。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015)標(biāo)準(zhǔn)，地震動峰值加速度為0.15 g，地震動反映普特征周期為0.40 s，相對應(yīng)的地震烈度為Ⅶ度。

水庫壩基主要由砂質(zhì)壤土、礫石及三疊系T1砂、泥(頁)巖互層構(gòu)成河谷基底。河床上部堆積的礫石層厚度1.2 m，透水率q=2.7×10-2cm/s，屬強(qiáng)透水性，需截滲；壩基巖體強(qiáng)風(fēng)化帶垂直厚度3.0～5.4 m，巖石飽和抗壓強(qiáng)度Rb=28.7～15 MPa，巖體量等級為Ⅴ級。

左壩肩為高陡的基巖斜坡，高程630 m以上基巖斜坡表層坡積堆積的碎石土層厚5.6～8.1 m，斜坡坡度為26°～38°，邊坡穩(wěn)定；其下為砂泥巖互層，強(qiáng)風(fēng)化帶垂直厚度7.0 m，弱風(fēng)化帶厚22.9～28.7 m，透水率q>5 Lu。

右壩肩為黃土斜坡，地層巖性主要由黃土、古土壤組成，堆積層厚度2.5～22.9 m，斜坡坡腳30°～44°，前緣邊坡基巖出露，坡腳48°，邊坡穩(wěn)定。 Q3eol堆積的黃土及古土壤屬Ⅱ級(中等)自重濕陷性土，濕陷層厚12 m；坡腳18°～47°，邊坡穩(wěn)定。強(qiáng)風(fēng)化帶厚11 m，弱風(fēng)化帶厚32 m，透水率q>5 Lu。

2 工程等級及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

小迷川水庫總庫容為451.63萬 m3，依據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2017)，確定小迷川水庫樞紐工程為IV等工程，工程規(guī)模為小(1)型，大壩、溢洪道、放水洞等主要建筑物為4級。

小迷川水庫樞紐洪水標(biāo)準(zhǔn)按30 a一遇洪水設(shè)計(jì)，300 a一遇洪水校核。相應(yīng)洪峰流量為169 m3/s；300 a一遇洪水校核，相應(yīng)洪峰流量為364 m3/s；溢洪道出口消能按30 a一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)下泄流量120 m3/s；其余部位按照300 a一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)下泄流量269 m3/s。

3 溢洪道泄流方案

3.1 方案擬定

結(jié)合壩址地形地質(zhì)分析，左岸岸坡相對較陡，不利于開敞式溢洪道布置，且上壩道路、庫區(qū)道路均位于左岸，開挖溢洪道對道路構(gòu)成影響；而右岸下游正好位于河流的凸岸，布置相對容易，因此選擇在右岸布設(shè)溢洪道。溢洪道泄流方案主要通過控制段堰型、堰寬及出口消能方式的比較后確定。

3.2 控制段堰型方案

溢洪道堰頂高程取正常蓄水位649.00 m。結(jié)合地勘剖面，控制段底板砂巖分布高程648.47 m，為強(qiáng)風(fēng)化的砂巖。堰頂高程位于土石分界處，砂巖上部具有濕陷性的黃土層全部挖除，溢洪道基礎(chǔ)全部座于巖基上。結(jié)合地質(zhì)條件及泄流分析，選用WES實(shí)用堰和寬頂堰兩種堰型方案進(jìn)行比選；堰頂泄流公式為：

(1)

式中：Qm為泄流量(m3/s)；σ為淹沒系數(shù)，經(jīng)分析取用0.96；m為流量系數(shù)；B為溢流堰凈寬度(m)；H0為堰上水頭(m)。

3.2.1 寬頂堰方案

堰寬取20 m，堰長20 m，底板厚度60 cm；采用鋼筋砼結(jié)構(gòu)，砼等級為C25。經(jīng)調(diào)洪分析，發(fā)生校核洪水時堰上水頭H0=4.09 m，兩岸側(cè)墻高度結(jié)合壩頂高程取6 m。

3.2.2 WES實(shí)用堰方案

堰高3 m，堰寬取16 m，堰長7.7 m，堰后消力池長度20 m；采用鋼筋砼結(jié)構(gòu)，砼等級為C25。經(jīng)調(diào)洪演算，發(fā)生校核洪水時堰上水頭3.97 m，兩岸側(cè)墻高度結(jié)合壩頂高程取10～5.5 m。

兩種堰型比較見表1。

表1 不同堰型方案比較表

經(jīng)分析比較，實(shí)用堰流量系數(shù)大，堰寬小，但施工較復(fù)雜、投資大，故采用易于施工、且投資較小的寬頂堰型。

3.3 控制段堰寬方案

按照上述分析，溢洪道控制段采用寬頂堰型，堰頂高程649.00 m，堰頂寬度參考類似工程單寬流量選取，分別取15 m、20 m、25 m，不同寬度調(diào)洪計(jì)算結(jié)果及工程量計(jì)算、費(fèi)用計(jì)算分別見表2和表3。

以上三個方案在技術(shù)上均可行，經(jīng)濟(jì)上差別不大，從工期比較三個方案基本無差別，按單寬流量控制選取20 m堰寬方案。

3.4 泄槽及出口消能方案

3.4.1 一級陡坡+挑流消能方案

設(shè)計(jì)陡坡段長270 m，寬20～15 m，底坡10%，側(cè)墻墻高6～2 m，底板襯砌厚度0.4 m；出口挑流鼻坎頂高程625.00 m，反弧半徑7 m，挑射角30°，鼻坎后防止小洪水沖刷，采用明渠+鋼筋砼消力池結(jié)構(gòu)；明渠長70 m，底板厚度40 cm。

挑流水舌外緣挑距按下式計(jì)算：

(2)

式中：θ為挑角，(°)；h1為挑流鼻坎末端法方向水深(m)；V1為鼻坎頂水面流速(m/s)。

沖刷坑水墊最大深度按下式計(jì)算：

式中：k為綜合沖刷系數(shù)，取1.2；q為鼻坎末端斷面單寬流量(m3/s)；z為上下流水位差(m)。

經(jīng)計(jì)算，校核洪水情況下，挑距54 m，最大沖坑深度8 m。

表2 不同堰寬方案調(diào)洪計(jì)算結(jié)果表

表3 不同堰寬方案直接費(fèi)用計(jì)算結(jié)果表

3.4.2 兩級陡坡+底流消能方案

設(shè)計(jì)一級陡坡段長125 m，寬20～15 m，底坡12%，側(cè)墻墻高6～2 m，底板襯砌厚度0.4 m。平流段長85 m，寬15 m，底坡1/850，側(cè)墻墻高2.0 m。二級陡坡段長140 m，寬15 m，底坡1/4，側(cè)墻墻高2 m，底板襯砌厚度0.4 m。二級陡坡后采用底流消能方式，底流消能計(jì)算公式：

d=σh2-ht-ΔZ

(3)

Lk=0.8L

(4)

式中：d為消力池深度，(m)；σ為水躍淹沒度，可取σ=1.05；h2為池中發(fā)生臨界水躍時的躍后水深，(m)；ht為消力池出口下游水深，(m)；ΔZ為消力池尾部出口水面跌落，(m)；Q為流量，(m3/s)；b為消力池寬度，(m)；

(5)

式中：φ為消力池出口段流速系數(shù)，可取0.95；L為自由水躍的長度，(m)。

經(jīng)分析計(jì)算，確定消力池長度36 m，池深3 m，底板厚度80 cm。池后護(hù)坦長29 m，底板厚度100 cm。

兩種方案比較見表4。

表4 泄槽及出口消能方案比較表

從兩方案比較分析，底流消能總體挖方量較大，總投資稍大；且需要設(shè)置兩級陡坡，雖然平流段的側(cè)墻高度較高，但整體能夠適應(yīng)不同量級洪水流量，安全性高。挑流消能在挑流鼻坎前僅設(shè)置一級陡坡，挖方量較少，總投資少；但在發(fā)生設(shè)計(jì)和校核洪水的情況下，挑距分別為41 m和54 m，尚未至主河槽，沖坑位于岸坡坡腳的頁巖上，初估最大沖坑深度8 m，設(shè)計(jì)后坡長度70 m；同時考慮到不能起挑的小流量洪水的影響，鼻坎后的陡坡仍然需要采取處理措施，以防止對挑流鼻坎的破壞，且挑流鼻坎以后的流態(tài)較難控制，容易發(fā)生脈動及氣蝕破壞。綜合分析認(rèn)為，底流消能方案是適應(yīng)該處地形及巖性的最佳消能方案。

4 結(jié)語

溢洪道泄流方案是水庫樞紐工程設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，本文通過對小迷川水庫溢洪道泄流方式選擇，并分別從地形及地質(zhì)條件、當(dāng)?shù)夭牧?、主要工程量及施工條件、工程投資等方面分析比較，推薦采用溢洪道泄流方案為進(jìn)口寬頂堰控制、出口采用底流消能方式。