趙志遠(yuǎn),龍明星,李斌旭
(1.貴陽市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,貴州 貴陽 550000;2.西安理工大學(xué),陜西 西安 710048)
那卡河水庫位于開陽縣永溫鄉(xiāng),距開陽縣城區(qū)15km,是烏江中游右岸一級(jí)支流那卡河上的一座中型水庫。水庫主要任務(wù)為工業(yè)供水及農(nóng)業(yè)灌溉,是《貴陽市水資源綜合利用與開發(fā)規(guī)劃》的重點(diǎn)水源點(diǎn)之一。壩址以上流域面積60.51km2,多年平均年徑流量2968.8×104m3。水庫正常蓄水位1007.5m,校核洪水位1008.89m,死水位959.5m,興利庫容為979.1×104m3,總庫容1062×104m3。水庫規(guī)模為中型,工程等別為Ⅲ等。工程建成后,年總供水量1093.8×104m3,其中向工業(yè)區(qū)供水1062×104m3,保證灌溉面積1200畝,補(bǔ)充灌溉水量31.8×104m3??偣て?6m。工程靜態(tài)總投資21062萬元,總投資22097萬元。
庫區(qū)河流為山區(qū)型河流,兩岸山體雄厚,河谷狹窄深切,相對(duì)高差為200~300m,岸坡地形坡度較陡。河谷走向大多一致,總體走向近北南向,與巖層走向近于平行,多為走向谷。河床高程為949~1016m,縱坡降為16‰,河床寬20~40m,河槽兩岸地形坡度一般為50°~85°,河谷橫斷面多為“V”型,局部河段河谷兩岸為陡立的箱型谷。庫區(qū)河谷兩岸1000~1035m高程處有不連續(xù)的寬緩平臺(tái)地分布,為耕地分布區(qū)。工程區(qū)河谷無低埡口,兩岸沖溝發(fā)育較少,主要有河邊沖、水頭上、高坎子、谷積分朵等少數(shù)沖溝發(fā)育,其發(fā)育方向多與河流流向近直角相交補(bǔ)給河流。主要地貌類型屬構(gòu)造、剝蝕低中山山地地貌。
庫區(qū)位于處興隆場(chǎng)至鐵廠復(fù)式背斜中心洋水背斜東翼,構(gòu)造形跡以NE~NNE向?yàn)橹鳎郊咕€與構(gòu)造線基本一致,為單斜構(gòu)造,庫區(qū)無斷裂構(gòu)造發(fā)育,巖層產(chǎn)狀:傾向SE,傾角12°~35°。整個(gè)庫區(qū)庫盆及庫岸主要地層巖性為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群(∈2+3Ls)淺灰至深灰色薄夾中厚、厚層白云巖,為碳酸鹽巖巖溶含水巖組;右岸上部為石炭系下統(tǒng)大塘組(C1d)鋁土質(zhì)頁巖,其上覆地層為P1L粘土(頁)巖、粉砂巖為隔水巖組,地下水主要為基巖裂隙水。庫區(qū)正常高蓄水位附近河谷兩岸偶見小規(guī)模的巖溶洞穴發(fā)育,巖溶發(fā)育程度弱,兩岸岸坡均有泉點(diǎn)出露,地下水補(bǔ)給河水,庫區(qū)河段河谷為補(bǔ)給型河谷。
溢洪道布置于壩0+065~壩0+091,由于河床相對(duì)狹窄,為使下泄水流進(jìn)入主河道后不沖刷兩岸,壩頂溢洪道沿拱中心線對(duì)稱布置,共設(shè)3孔。溢流壩段總長26m,為閘門控制的壩頂表孔溢洪道,堰頂高程1004.5m,溢流堰采用WES實(shí)用堰,堰面曲線為:y=0.154x1.85。WES實(shí)用堰前與三圓弧相連,后與半徑R=4m的反弧相連,溢流面采用C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。出口采用挑流消能,坎頂高程1001.34m,挑角α=15°。為減小泄洪對(duì)大壩安全的影響,在挑坎下游20m內(nèi)設(shè)C25鋼筋混凝土護(hù)坦,厚1m,并采用Φ18錨筋錨入基巖,每隔3m梅花型布置。溢洪道每孔凈寬6m,孔間閘墩寬度從上游至下游由2m收縮至1.8m,長7.1m,閘墩上設(shè)寬4.0m的鋼筋混凝土交通橋。
3.2.1 堰型計(jì)算
那卡河水庫溢洪道堰型為WES實(shí)用堰,堰頂高程1004.5m,校核洪水位1008.89m,定型設(shè)計(jì)水頭Hd=(0.75~0.95)Hmax=3.29~4.17m,取Hd=4m,滿足規(guī)范要求。上游段曲線采用三心圓弧形:R1=0.5Hd=2.0m,S1=0.175Hd=0.7m;R2=0.2Hd=0.8m,S2=0.276Hd=1.104m;R3=0.04Hd=0.16m,S3=0.282Hd=1.128m。堰頂下游采用WES冪曲線[1- 2],方程為y=0.154x1.85,計(jì)算成果見表1。
表1 WES冪曲線計(jì)算坐標(biāo)點(diǎn)
3.2.2 泄流能力計(jì)算
溢洪道布置3孔,沿拱壩中心線對(duì)稱布置,每孔凈寬6m。
工況一:當(dāng)閘門全開時(shí),溢洪道的泄流能力按SL253- 2000《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》中開敞式WES型實(shí)用堰的泄流能力公式進(jìn)行計(jì)算[3- 4],即:
(1)
工況二:當(dāng)閘門非全開時(shí),按孔口泄流計(jì)算,泄流能力按SL253- 2000中帶胸墻孔口實(shí)用堰泄流能力公式計(jì)算[5],即:
(2)
式中,Ak—出口處面積,m2;H0—自由泄流時(shí)為孔口中心線處的作用水頭,m;μ—孔口流量系數(shù),此處取μ=0.70。
根據(jù)那卡河水庫洪水調(diào)度方式:當(dāng)來水流量小于溢流堰泄流能力時(shí),維持水庫水位保持在正常蓄水位,變幅可控制在±0.1m左右。隨著來水流量增大,加大閘門開啟度[6]。水庫閘門開度分4級(jí)運(yùn)行,開度e分別為0.5m、1m、1.5m及2m,2m后閘門全開,溢流堰呈自由溢流,來水流量繼續(xù)增大,水庫水位繼續(xù)上升,直到最高水位,最大泄量等于來水流量。其后,隨著來水流量減少,水庫水位下降至正常蓄水位附近,逐漸關(guān)閉閘門,直到泄洪結(jié)束,閘門全關(guān),庫水位仍回到正常蓄水位。在正常蓄水位時(shí),開啟閘門,先是孔流狀態(tài),當(dāng)e/H0≥0.75時(shí)按堰流計(jì)算[7]。計(jì)算得溢洪道的泄流能力成果,見表2。
表2 溢洪道泄流能力計(jì)算表
從表2可知溢洪道滿足泄洪要求,泄洪消能防沖、設(shè)計(jì)洪水、校核洪水工況時(shí),閘門全開。泄20年及5年一遇洪水時(shí),閘門分別開2孔加1孔開2m及1孔全開。
3.2.3 泄槽水面線計(jì)算
溢流面水面線計(jì)算部分為溢洪道堰頂至反弧段挑坎,選取兩個(gè)代表斷面進(jìn)行計(jì)算[8],斷面1為WES曲線與反弧斷交點(diǎn),斷面2為挑流坎頂,其計(jì)算公式為[9]:
(3)
其中:
式中,Δl1-2—分段長度,m;h1、h2—分段始、末斷面水深,m;v1、v2—分段始、末斷面平均流速,m/s;a1、a2—流速分布不均勻系數(shù),此處取1.05;θ—泄槽底坡角度;i—泄槽底坡;n—槽身糙率系數(shù),0.012。
溢洪道水面線計(jì)算簡圖,如圖1所示。
圖1 溢洪道水面線計(jì)算簡圖
根據(jù)式(3)和圖1,計(jì)算獲得校核工況下泄槽水面線成果,見表3。
表3 校核工況下泄槽水面線計(jì)算成果
從表3計(jì)算成果可知,泄槽斷導(dǎo)墻滿足泄洪水深要求。為避免泄洪水流影響底孔,溢洪道出口邊墩上設(shè)置貼角,貼角坡度為1∶0.2。
3.2.4 消能防沖計(jì)算
(1)挑流及跌流消能
壩址河床巖體呈大塊狀結(jié)構(gòu),以構(gòu)造型為主,多密閉,少有充填,節(jié)理較發(fā)育,有節(jié)理2至3組,呈X形較規(guī)則。沖刷分類為Ⅱ類。按SL253- 2000中挑流水舌外緣挑距和沖刷坑最大水墊深度、跌流消能和水舌沖擊區(qū)上游水墊深度公式進(jìn)行計(jì)算[10]。分析成果表明:下游最大沖坑深度為10.53m,挑流消能時(shí)各頻率下泄洪水沖坑后坡均小于允許后坡,沖刷坑不會(huì)危急壩身安全。但當(dāng)未形成挑流的跌流消能時(shí),沖坑后坡大于允許后坡,下游須設(shè)護(hù)坦,以維護(hù)下游壩腳。
(2)下游護(hù)坦設(shè)計(jì)
跌流消能計(jì)算表明:沖坑后坡大于允許后坡,會(huì)危急大壩安全,設(shè)計(jì)考慮在下游設(shè)護(hù)坦,確定在鼻坎下游20m范圍內(nèi)設(shè)置護(hù)坦,護(hù)坦底板高程及厚度根據(jù)沖擊動(dòng)水壓力確定。
結(jié)合護(hù)坦底板動(dòng)水壓力計(jì)算成果,設(shè)計(jì)在挑坎下游20m內(nèi)設(shè)C25鋼筋混凝土護(hù)坦,護(hù)坦采用Φ18的錨筋錨入基巖,每隔3m梅花型布置,厚1m。底板每隔3m,梅花型布置排水孔。
那卡河水庫是貴陽市重要的工業(yè)供水及農(nóng)業(yè)灌溉水源點(diǎn)之一。受河床相對(duì)狹窄、兩岸地形的影響,水庫不能布置河岸式溢洪道。針對(duì)溢洪道布置現(xiàn)存問題,從壩址區(qū)地形地質(zhì)、堰型、泄洪能力和消能防沖等方面,對(duì)溢洪道整體布置和結(jié)構(gòu)體形進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算和方案優(yōu)化。優(yōu)選技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)節(jié)能的沿拱中心線對(duì)稱布置的3孔壩頂溢洪道方案,為水庫防洪功能的正常穩(wěn)定發(fā)揮提供了重要技術(shù)支撐。