那卡河水库大坝溢洪道布置与设计计算

赵志远，龙明星，李斌旭

(1.贵阳市水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550000；2.西安理工大学，陕西 西安 710048)

1 工程概况

那卡河水库位于开阳县永温乡，距开阳县城区15km，是乌江中游右岸一级支流那卡河上的一座中型水库。水库主要任务为工业供水及农业灌溉，是《贵阳市水资源综合利用与开发规划》的重点水源点之一。坝址以上流域面积60.51km2，多年平均年径流量2968.8×104m3。水库正常蓄水位1007.5m，校核洪水位1008.89m，死水位959.5m，兴利库容为979.1×104m3，总库容1062×104m3。水库规模为中型，工程等别为Ⅲ等。工程建成后，年总供水量1093.8×104m3，其中向工业区供水1062×104m3，保证灌溉面积1200亩，补充灌溉水量31.8×104m3。总工期36m。工程静态总投资21062万元，总投资22097万元。

2 地形地貌及水文地质条件

库区河流为山区型河流，两岸山体雄厚，河谷狭窄深切，相对高差为200～300m，岸坡地形坡度较陡。河谷走向大多一致，总体走向近北南向，与岩层走向近于平行，多为走向谷。河床高程为949～1016m，纵坡降为16‰，河床宽20～40m，河槽两岸地形坡度一般为50°～85°，河谷横断面多为“V”型，局部河段河谷两岸为陡立的箱型谷。库区河谷两岸1000～1035m高程处有不连续的宽缓平台地分布，为耕地分布区。工程区河谷无低垭口，两岸冲沟发育较少，主要有河边冲、水头上、高坎子、谷积分朵等少数冲沟发育，其发育方向多与河流流向近直角相交补给河流。主要地貌类型属构造、剥蚀低中山山地地貌。

库区位于处兴隆场至铁厂复式背斜中心洋水背斜东翼，构造形迹以NE～NNE向为主，山脊线与构造线基本一致，为单斜构造，库区无断裂构造发育，岩层产状：倾向SE，倾角12°～35°。整个库区库盆及库岸主要地层岩性为寒武系中上统娄山关群(∈2+3Ls)浅灰至深灰色薄夹中厚、厚层白云岩，为碳酸盐岩岩溶含水岩组；右岸上部为石炭系下统大塘组(C1d)铝土质页岩，其上覆地层为P1L粘土(页)岩、粉砂岩为隔水岩组，地下水主要为基岩裂隙水。库区正常高蓄水位附近河谷两岸偶见小规模的岩溶洞穴发育，岩溶发育程度弱，两岸岸坡均有泉点出露，地下水补给河水，库区河段河谷为补给型河谷。

3 泄洪建筑物设计

3.1 泄洪建筑物布置

溢洪道布置于坝0+065～坝0+091，由于河床相对狭窄，为使下泄水流进入主河道后不冲刷两岸，坝顶溢洪道沿拱中心线对称布置，共设3孔。溢流坝段总长26m，为闸门控制的坝顶表孔溢洪道，堰顶高程1004.5m，溢流堰采用WES实用堰，堰面曲线为：y=0.154x1.85。WES实用堰前与三圆弧相连，后与半径R=4m的反弧相连，溢流面采用C35钢筋混凝土结构。出口采用挑流消能，坎顶高程1001.34m，挑角α=15°。为减小泄洪对大坝安全的影响，在挑坎下游20m内设C25钢筋混凝土护坦，厚1m，并采用Φ18锚筋锚入基岩，每隔3m梅花型布置。溢洪道每孔净宽6m，孔间闸墩宽度从上游至下游由2m收缩至1.8m，长7.1m，闸墩上设宽4.0m的钢筋混凝土交通桥。

3.2 泄水建筑物设计计算

3.2.1 堰型计算

那卡河水库溢洪道堰型为WES实用堰，堰顶高程1004.5m，校核洪水位1008.89m，定型设计水头Hd=(0.75～0.95)Hmax=3.29～4.17m，取Hd=4m，满足规范要求。上游段曲线采用三心圆弧形：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。堰顶下游采用WES幂曲线[1- 2]，方程为y=0.154x1.85，计算成果见表1。

表1 WES幂曲线计算坐标点

3.2.2 泄流能力计算

溢洪道布置3孔，沿拱坝中心线对称布置，每孔净宽6m。

工况一：当闸门全开时，溢洪道的泄流能力按SL253- 2000《溢洪道设计规范》中开敞式WES型实用堰的泄流能力公式进行计算[3- 4]，即：

(1)

工况二：当闸门非全开时，按孔口泄流计算，泄流能力按SL253- 2000中带胸墙孔口实用堰泄流能力公式计算[5]，即：

(2)

式中，Ak—出口处面积，m2；H0—自由泄流时为孔口中心线处的作用水头，m；μ—孔口流量系数，此处取μ=0.70。

根据那卡河水库洪水调度方式：当来水流量小于溢流堰泄流能力时，维持水库水位保持在正常蓄水位，变幅可控制在±0.1m左右。随着来水流量增大，加大闸门开启度[6]。水库闸门开度分4级运行，开度e分别为0.5m、1m、1.5m及2m，2m后闸门全开，溢流堰呈自由溢流，来水流量继续增大，水库水位继续上升，直到最高水位，最大泄量等于来水流量。其后，随着来水流量减少，水库水位下降至正常蓄水位附近，逐渐关闭闸门，直到泄洪结束，闸门全关，库水位仍回到正常蓄水位。在正常蓄水位时，开启闸门，先是孔流状态，当e/H0≥0.75时按堰流计算[7]。计算得溢洪道的泄流能力成果，见表2。

表2 溢洪道泄流能力计算表

从表2可知溢洪道满足泄洪要求，泄洪消能防冲、设计洪水、校核洪水工况时，闸门全开。泄20年及5年一遇洪水时，闸门分别开2孔加1孔开2m及1孔全开。

3.2.3 泄槽水面线计算

溢流面水面线计算部分为溢洪道堰顶至反弧段挑坎，选取两个代表断面进行计算[8]，断面1为WES曲线与反弧断交点，断面2为挑流坎顶，其计算公式为[9]：

(3)

其中：

式中，Δl1-2—分段长度，m；h1、h2—分段始、末断面水深，m；v1、v2—分段始、末断面平均流速，m/s；a1、a2—流速分布不均匀系数，此处取1.05；θ—泄槽底坡角度；i—泄槽底坡；n—槽身糙率系数，0.012。

溢洪道水面线计算简图，如图1所示。

图1 溢洪道水面线计算简图

根据式(3)和图1，计算获得校核工况下泄槽水面线成果，见表3。

表3 校核工况下泄槽水面线计算成果

从表3计算成果可知，泄槽断导墙满足泄洪水深要求。为避免泄洪水流影响底孔，溢洪道出口边墩上设置贴角，贴角坡度为1∶0.2。

3.2.4 消能防冲计算

(1)挑流及跌流消能

坝址河床岩体呈大块状结构，以构造型为主，多密闭，少有充填，节理较发育，有节理2至3组，呈X形较规则。冲刷分类为Ⅱ类。按SL253- 2000中挑流水舌外缘挑距和冲刷坑最大水垫深度、跌流消能和水舌冲击区上游水垫深度公式进行计算[10]。分析成果表明：下游最大冲坑深度为10.53m，挑流消能时各频率下泄洪水冲坑后坡均小于允许后坡，冲刷坑不会危急坝身安全。但当未形成挑流的跌流消能时，冲坑后坡大于允许后坡，下游须设护坦，以维护下游坝脚。

(2)下游护坦设计

跌流消能计算表明：冲坑后坡大于允许后坡，会危急大坝安全，设计考虑在下游设护坦，确定在鼻坎下游20m范围内设置护坦，护坦底板高程及厚度根据冲击动水压力确定。

结合护坦底板动水压力计算成果，设计在挑坎下游20m内设C25钢筋混凝土护坦，护坦采用Φ18的锚筋锚入基岩，每隔3m梅花型布置，厚1m。底板每隔3m，梅花型布置排水孔。

4 结论

那卡河水库是贵阳市重要的工业供水及农业灌溉水源点之一。受河床相对狭窄、两岸地形的影响，水库不能布置河岸式溢洪道。针对溢洪道布置现存问题，从坝址区地形地质、堰型、泄洪能力和消能防冲等方面，对溢洪道整体布置和结构体形进行了详细设计计算和方案优化。优选技术可行、经济节能的沿拱中心线对称布置的3孔坝顶溢洪道方案，为水库防洪功能的正常稳定发挥提供了重要技术支撑。