刁口水库泄水建筑物泄洪消能设计

任衍红

（临汾市水利勘测设计院 山西 临汾 041000）

1 工程概况

蒲县刁口水库位于临汾市蒲县城南约8km处枣林镇屯里村，是黄河流域昕水河水系一级支流南川河支流的屯里沟河上的小（一）型水库，是一座以城镇生活和工业供水、农业灌溉为主，兼有防洪等综合利用的水利枢纽工程。刁口水库是山西省大水网中部黄蒲县供水工程配套的调蓄水库，已列入《山西省黄河流域小型水库更新建设规划（2011-2015年）》。

坝址位于屯里沟口上游3.18km处，河谷宽约80m，河槽宽8m～13m，河底高程1097.1m～1098.7m，河床及左、右两岸基岩裸露，上部为黄土覆盖。左岸岸坡较陡，右岸较缓，右岸有阶地分布。主河槽坝基以厚层砂岩、砾岩为主，夹薄层、微薄层泥岩、砂质泥岩。左、右坝肩岸坡为厚层砂岩、薄层砂质泥岩、泥岩，岩层较缓，岩层倾角4°～11°，岩层倾向左岸偏下游，节理裂隙发育。

水库坝址以上控制流域面积55.6km2，多年平均径流量为145.79万m3，200年一遇洪峰270.56m3/s，100年一遇洪峰213.1 m3/s，50年一遇洪峰 156.3m3/s，30年一遇洪峰150.1m3/s，5年一遇洪峰94.1m3/s。

刁口水库为自密实砼堆石重力坝，工程枢纽建筑物分为四个坝段，自左向右依次为左岸挡水坝段、灌溉输水洞坝段、泄洪排沙洞坝段、右岸挡水坝段。大坝为自密实砼堆石重力坝，最大坝高40.5m，坝顶宽9.0m，坝顶全长165m。水库总库容184.67万m3，工程等别为Ⅳ等，规模为小(1)型。大坝洪水标准为30年一遇设计，为200年一遇校核。

2 泄洪方案选择

大坝采用自密实砼堆石重力坝，可利用坝身布孔或坝顶溢流解决水库防洪问题，且可在主河槽坝段设置泄洪排沙底孔，利用异重流排沙、蓄清排浑等运行方式有效解决山区多沙河流上洪水大、泥沙多、淤积严重、正常使用年限短等问题。

2.1 洪水调节原则

水库洪水调节的起调水位为汛限水位，本水库的汛限水位与正常蓄水位相同为1131.0m。由于水库下游没有防洪要求，水库洪水调节不设限制泄量，为保障水库的正常蓄水位，当汛期有洪水入库时，开启泄洪洞闸门开始泄洪，洪水起涨初期阶段，应使库水位保持在汛限水位，随着库水位的逐渐升高，闸门开启度根据水库水位决定。当库水位达到汛限水位以上0.5m时，泄洪洞闸门开启三分之一；当库水位达到汛限水位以上1.0m时，泄洪洞闸门开启三分之二；当库水位达到汛限水位以上1.5m时，泄洪洞闸门全部开启。洪峰过后，水库水位开始回落，调整闸门开启度，当库水位下降到汛限水位以下1.5m时，泄洪洞闸门关闭三分之一；当库水位下降到汛限水位以下1.0m时，泄洪洞闸门关闭三分之二；当库水位下降到汛限水位以下0.5m时，泄洪洞闸门逐渐关闭，直到水库水位回落到汛限水位，洪水结束，闸门全部关闭。

2.2 泄洪方案比较

表1 闸门调洪比较成果表

表2 闸门方案投资比较表

根据坝址地形地质条件，泄洪方案确定在大坝河槽处布置泄洪排沙洞，进口底高程根据坝体灌浆排水廊道布置、坝前淤积高程、有利于排沙及施工导流方案综合考虑，从而确定进口洞底高程为1104.0m。根据水库的调度方式进行洪水调节计算，孔口尺寸按 4.5m×4.5m、3.6m×3.6m、3.0m×3.0m三个方案进行调洪，比较成果见表1。

经调洪计算，三组闸门均满足泄洪要求，其泄洪方案的结构布置相差不大，都能满足结构设计和水力设计要求。方案一的泄洪排沙洞孔口尺寸较大，泄流能力强，不便于水库运行管理，方案三泄洪排沙洞孔口尺寸较小，泄流能力不够，且不利于排沙，造成校核洪水位较高。三组闸门泄洪方案投资比较见表2。

经综合比较，选用3.6m×3.6m表孔为该工程泄洪方案。

表3 挑流消能挑距及冲坑深度计算成果表

3 泄洪排沙洞结构

泄洪排沙洞坝段长15m，共1孔，位于大坝桩号0+075～0+090，泄洪排沙洞是枢纽主要的泄洪排沙建筑物，采用有压短进口无压坝身泄水孔型式。最大泄量233.37m3/s，为单孔洞，洞长53.2m，孔口尺寸为：检修闸门3.6m×4.2m（宽×高），工作闸门3.6m×3.6m（宽×高），进口底坎高程为1104.0m。

泄洪排沙洞布置在坝段右侧，由进口段、压坡段、明流段组成。采用喇叭形进口，进口顶部及侧面均采用四分之一椭圆曲线，底部采用半径为0.5m的1/4圆弧曲线；顶部曲线方程为x2/4.22+y2/1.42=1，其轴线为一水平线，侧面曲线方程为x2/2.72+y2/0.92=1。进口段后布置进水塔，内设检修闸门，启闭机室设在坝顶上游侧，启闭平台高程1140.2m，检修平台高程1131.2m；在检修闸门与工作闸门之间设压坡段，工作门为弧形钢闸门，门铰设计安装高度4.8m，弧门面板半径7.2m。启闭机房设在大坝下游侧，启闭平台高程1124.5m。该坝段左侧设楼梯从坝顶通往工作闸门启闭平台（1135m～1124.5m），启闭平台宽6.5m。从启闭平台再设楼梯通往1114.0m（1124.5m～1114m）平台，平台宽8.4m，长17.9m，与相邻灌溉洞坝段相通。

按照设计工作水头，闸后底板在0+015.3处与i=1/50的斜线段相接，直到0+035.7处与一圆弧相接至挑流鼻坎，鼻坎顶高程为1105.9m，反弧半径25m，挑坎角度为25°。

4 消能计算

泄洪排沙洞采用窄缝式鼻坎挑流消能方式，挑流消能挑距及冲坑深度按有关公式进行计算。

4.1 挑流消能计算

泄洪排沙孔进口底高程为1104.0m，后接水平段和i=1/50缓坡段，挑流鼻坎高程为1105.9m，反弧半径为25m，挑角25°。

消能计算考虑设计洪水位1131.9m时，底孔泄量113.14m3/s；校核洪水位1133.7m时，底孔泄量233.37m3/s。

挑流消能挑距及冲坑深度采用《混凝土重力坝设计规范》中的公式进行计算。

挑流水舌外缘挑距采用下式计算：

冲刷坑最大水垫深度采用下式计算：

设计洪水和校核洪水情况下挑距及最大冲刷坑深度计算结果见表3。

4.2 冲坑对建筑物的影响

《混凝土重力坝规范》规定挑流消能的安全挑距，应不影响坝趾基岩稳定，冲坑最低点距坝址的距离应大于2.5倍坑深。由上表可知两种情况下计算结果均满足规范要求。

5 结论

晋西高原河流多属山区型河流，峡谷地貌，在水库建设中，泄洪建筑物在整个工程投资比重中占有很大比例，如何选择经济合理、技术可行的设计，对于加快骨干工程的建设有着积极意义。本文对刁口水库泄洪排沙洞结构从调洪结果和投资两方面进行了比较，最终选用3.6m×3.6m表孔为该工程泄洪方案。消能方式采用挑流消能，并对挑流消能挑距及冲坑深度进行计算，均满足规范要求，确保了工程的安全，提高了工程的效益。陕西水利

[1]SL319-2005混凝土重力坝设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2005.