夹岩水库泄洪消能建筑物布置与结构计算

(1.贵州省水利投资(集团)有限责任公司，贵州 贵阳 550081； 2.西北农林科技大学水利水电科学研究院，陕西 杨凌 712100)

1 工程概况

夹岩水利枢纽及黔西北供水工程是国务院纳入规划建设的172项重大水利工程之一，也是贵州省水利建设“三大会战”的龙头项目，贵州水利建设“一号工程”。这是一项以城乡供水和农田灌溉为主要任务、兼顾发电的综合性大型水利枢纽工程，工程坝址位于乌江左岸一级支流六冲河中游毕节市七星关区和纳雍县界河段[1-2]。夹岩水库正常蓄水位1323m，总库容13.23亿m3，坝后电站装机容量9万kW，设计灌溉面积90.03万亩，总供水人口267万。夹岩水库属峡谷型水库，河谷基本呈对称V形，左、右岸均较陡，河谷形态完整性较好。水库大坝为混凝土面板堆石坝，为Ⅰ等大(1)型工程。面板堆石坝、溢洪道、泄洪洞、放空洞、消能防冲设施建筑物等级为1级。图1为坝址上下游立视图。

图1 坝址上下游立视图

夹岩水库坝址处河谷狭窄，洪水峰高，水位变幅较大。高坝总和河谷狭窄紧密联系在一起，通常大坝越高，坝址处河谷也越狭窄，这对于坝高154m的夹岩水库混凝土面板堆石高坝而言，溢洪道布置十分困难。峡谷型高坝方案设计，除了要考虑建坝河段河势、地形、地质、结构和施工等因素外，泄洪建筑物的合理布置及结构型式优化也是一个关键技术问题[1]。为确保大坝泄洪建筑物方案与工程地形地质具有较好的适应性，结合地质勘探揭露情况，从泄洪建筑物平面布置、泄流能力和结构稳定性等方面进行详细论证分析，确保岸边溢洪道与泄洪洞组合运用泄洪方式具有良好泄洪消能效果，为大坝枢纽综合布置优化提供技术支撑[2]。

2 泄洪建筑物工程地质条件

溢洪道拟布置在左坝肩斜坡上，水平总长530m，由引渠段、控制段、泄槽段及挑流消能段等组成，开挖底宽33m，堰顶高程1285.00m。溢洪道边坡地形坡度30°～42°，开挖后左侧(后缘)边坡高20～90m，局部段大于100m，为中高边坡。溢洪道沿线基岩多裸露，覆盖层厚0～3m，强风化带厚度基岩面以下8～13m。溢洪道由上游至下游依次穿越岩性为T1f2-3-3薄—中厚层泥质粉砂岩、T1f2-3-2中厚层细砂岩、T1f2-3-1泥质粉砂岩夹细砂岩、T1f2-2薄—中厚层泥质粉砂岩与细砂岩互层、T1f2-1-2中厚层灰岩和T1f2-1-1薄—中厚层细砂岩夹薄层泥灰岩。岩体属于中硬岩类。岩层走向N40°～47°E/NW∠24°～31°，岩层倾向溢洪道上游，走向线与溢洪道方向近于直交，两侧边坡为层状结构，斜向岩质边坡，边坡未发现大的不利地质结构面，自然边坡整体稳定。

泄洪隧洞布置在坝址左岸，隧洞进口位于潘家岩脚冲沟左岸，出口位于溢洪道下游。泄洪隧洞身长约806m，隧洞净空断面6.2m×8.84m，埋深20～145m。隧洞依次穿越地层为T1f2-3-3紫红色、灰色薄—中厚层泥质粉砂岩，T1f2-3-2细砂岩，T1f2-3-1紫红色薄—中厚层泥质粉砂岩夹薄层细砂岩，T1f2-2薄—中厚层泥质粉砂岩与细砂岩互层，T1f2-2中厚层灰岩，T1f2-1薄—中厚层细砂岩夹灰岩，T1f1薄—中厚层粉砂质泥岩夹细砂质，岩质属中硬岩。岩层产状310°～315°∠24°～30°，岩层走向与隧洞洞线近于直交。隧洞除进出口洞段外，隧洞围岩均处于微—新鲜状态，位于地下水位之下。

3 泄洪建筑物联合泄洪布置

夹岩水库混凝土面板堆石坝方案枢纽总布置为混凝土面板堆石坝+左岸边溢洪道+泄洪洞+放空洞+右岸发电引水系统及坝后电站。其中，泄洪建筑物采用溢洪道与泄洪隧洞相联合的组合运用泄洪布置方案，为1级建筑物。

3.1 溢洪道与泄洪洞的泄洪比例

设计计算论证分析表明，若泄洪洞参与泄洪，溢洪道前缘宽度可由32m减少到24m，减少25%泄洪宽度，除可大大降低溢洪道工程投资外，还可减小岸边式溢洪道开挖边坡高度，降低溢洪道整体施工难度和工程风险。

不同泄洪组合方案其调洪目的是不致对水库淹没造成大的影响。设计在选定溢洪道和泄洪隧洞联合泄洪方案基础上，优选三种方案对两个泄洪建筑物的泄洪规模进行经济比较，以确定两者间合适泄洪比例。经防洪调算，方案一：泄洪洞短洞尺寸(出口宽×高=5m×5m)+溢洪道3孔(宽×高=9m×12m)；方案二：泄洪洞短洞尺寸(出口宽×高=5.50m×6m)+溢洪道3孔(宽×高=8m×12m)；方案三：泄洪洞短洞尺寸(出口宽×高=6m×7m)+溢洪道3孔(宽×高=7m×12m)。

经方案比较分析，方案二技术可行、投资最省，同时考虑坝区潘家岩崩塌体处理、库岸边坡稳定，以及内水对面板的破坏影响，适当延缓水库放空时间，设计优选方案二，即：最大下泄流量3350m3/s，泄洪洞分摊比例为28.03%(接近30%)，泄洪工程技术、经济性均较优。

3.2 泄洪建筑物平面布置

溢洪道布置在大坝左岸，为岸边式溢洪道，由引渠段、控制段、泄槽段及挑流消能工等组成，水平总长约399.13m，轴线方位角为NW33.964°。引渠段长度90.48m，底板高程1307.00m。控制段长度26m，堰型采用实用堰型式，堰高4m，堰顶高程为1311.00m，溢流净宽24m，设3扇8m×12m的弧形工作闸门。泄槽段总长260.06m，起始点高程1299.80m，末端高程1239.01m，桩号0+026.00～0+130.58底板纵坡为i=0.03，桩号0+146.93～0+283.93底板纵坡为i=0.395，不同纵坡底板间由抛物线段连接[3]。泄槽断面为矩形，底板宽30m。出口挑流段长度24.75m，挑流鼻坎半径30m，挑角25°，挑流鼻坎末端高程1239.75m。

泄洪隧洞布置在左岸，由岸塔式进水口、洞身段、出口段三部分组成。岸塔式进水口段长度33.42m，进口底板高程1265.00m，塔顶高程1329.00m，塔高64m，塔身平面尺寸为18m×28.26m(长×宽)，进口设5.50m×8m平面检修门与5.50m×6m弧形工作闸门各1扇；洞身段为无压隧洞段，轴线方位角NW32.886°，长度820.42m，隧洞为净空断面尺寸为6.20m×8.59m的城门洞形；出口段采用挑流消能，反弧半径60m，挑射角25°，挑流鼻坎高程1246.02m。泄洪建筑物平面布置见图2。

4 泄洪建筑物设计计算

4.1 溢洪道水力学计算

4.1.1 堰面曲线

堰面曲线采用幂曲线，其表达为

Xn=KHdn-1y

(1)

式中Hd——定型设计水头，m，设计取Hd=11.50m(Hd取堰上最大水头的76.36%，满足65%～85%要求)；

n=1.85；

K=2。经计算得幂曲线方程为y=0.06272x1.85。原点上游采用三圆弧曲线，幂曲线典型坐标见表1。

图2 泄洪建筑物平面布置

表1 幂曲线典型坐标单位：m

4.1.2 溢流堰稳定性分析

溢洪道溢流堰为实用堰型，其抗滑稳定按整体抗滑进行考虑，所受荷载主要有结构自重、静水压力、扬压力、浪压力、动水压力等[4]。扬压力折减系数按0.5考虑。溢流堰基底面抗滑稳定安全系数按抗剪强度公式进行分析，结果见表2。

表2 溢流堰抗滑稳定安全系数

由表2可以看出，溢流堰在各种荷载组合条件下，其抗滑稳定安全系数K均大于规范要求值3.0和2.5，溢流堰结构整体抗滑稳定性较好。

4.1.3 泄流能力计算

根据夹岩水库洪水调度方式，溢洪道泄流计算公式为

(2)

式中H——堰上水头，m；

n——闸孔口数量，n=3；

b——闸孔净宽，m，b=8m；

ε——侧收缩系数；

m——流量系数。

经调洪计算，泄洪隧洞参与泄洪后，校核工况下溢洪道最大下泄流量为2431m3/s，设计工况下最大下泄流量为2007m3/s。由式(2)计算可知，溢洪道在设计洪水位时最大泄流量为2104m3/s，在校核洪水位时最大泄流量为2521m3/s，均大于洪水调节计算下泄流量，泄流能力满足泄洪要求，溢洪道孔口尺寸选择合理。

4.1.4 泄槽边墙高度及出口消能分析

溢洪道在校核洪水位情况下泄槽内掺气水深为5.19～3.25m，取安全超高为1.50m。综合考虑后，泄槽边墙高度设计取值为7～5.50m。

溢洪道消能采用等宽连续式挑流鼻坎消能，当水库最高洪水位为1326.01m时，溢洪道最大泄洪流量为2431m3/s，鼻坎高程为1239.75m，挑射角θ为25°，鼻坎末端宽度为30m，单宽流量为81.03m2/s，下游河床高程为1208.00m，相应水位为1241.38m。计算结果表明：最大冲坑深度为15.77m，最大挑距为113.24m，冲坑后坡比为0.139，冲坑后坡比满足规范要求。设置护坦后，冲坑不会危及溢洪道挑流鼻坎和面板堆石坝下游坡脚的安全。

4.1.5 下游消能区防护

混凝土面板堆石坝方案采用岸边敞开式溢洪道和泄洪洞联合泄洪，消能型式为连续鼻坎挑流消能，水流由挑流鼻坎挑入下游河床。泄洪冲刷区主要在坝脚以下150m范围内，下伏基岩为T1f1薄—中厚层粉砂质泥岩夹细砂岩，为较软岩夹中硬岩类。强风化岩体为主要冲刷区，抗冲系数K=1.80，岩体抗冲能力差。由于泄洪最大下泄流量为2431m3/s，能量较大，对下游基岩冲击力也较大，为抵抗泄洪时巨大水流冲击，采用C30钢筋混凝土护坦进行防护，护坦底板高程1208.00m，底板厚1.50m，末端设齿槽。消能防冲(P=1%)下泄水流最大挑距为101.90m，设计工况(P=0.2%)下泄水流最大挑距为110.03m，校核工况(P=0.02%)下泄水流最大挑距为113.24m，为兼顾设计校核工况取消能护坦长度为110m。为防止下泄水流对左岸坡的冲刷引起岸坡岩体失稳，采用C30钢筋混凝土护岸，护岸墙顶高程为1242.00m。鉴于校核工况(P=0.02%)最大下泄流量为2431m3/s，对泄洪冲刷区将会形成巨大冲击，为使后期泄洪冲坑的形成不致影响挑流鼻坎整体稳定性，增设挑流鼻坎护脚关门墙，采用地质钻机造孔(φ300钻孔，孔深10m)，孔内采用C30细石钢筋混凝土填筑，封闭关门墙可有效防止泄洪冲坑对挑流鼻坎的影响。

4.2 泄洪洞水力计算

4.2.1 隧洞进口泄流能力计算

根据计算，泄洪洞进口采用有压短洞布置形式，短洞出口采用设置顶部压板[5]，压坡1∶4。经分析，下游水位不影响隧洞过流能力。泄洪洞过流能力按闸孔自由出流计算，计算公式为

(3)

式中Q——隧洞过流能力，m3/s；

μ——流量系数，根据《水力学计算手册》，此处μ=0.862；

B——隧洞进口处净宽，m，此处B=5.5m；

H——隧洞出口底板高程与上游库水位间的高度，m；

ε——弧形闸门安装垂直收缩系数，此处ε=0.895；

e——泄洪时隧洞闸孔开启高度，m，此处e=6m。

经计算得水位低于1271.00m后，泄洪洞进口短洞不能形成有压流，因此，泄洪洞最低运行水位为1271.00m。水库水位从1311.00m下降到1271.00m总共需要13.4天。

4.2.2 进水口稳定性分析

隧洞底板及边墙设置30cm厚的C40HF粉煤灰混凝土，隧洞外侧均采用C30钢筋混凝土衬砌。混凝土重度γc=24kN/m3，与基岩接触面f′=0.70、c′=0.5MPa。按照抗剪断强度公式计算得到进水口抗滑稳定和抗浮稳定安全系数(见表3)。

表3 泄洪洞抗滑和抗浮稳定安全系数

由表3可知，正常蓄水位、设计洪水位工况抗滑稳定系数K′大于3，校核洪水位工况抗滑稳定系数K′大于2.50，满足规范要求。正常蓄水位、设计洪水位工况抗浮稳定系数Kf大于1.1，校核洪水位工况抗浮稳定系数Kf大于1.05，满足要求。泄洪洞进口整体抗滑稳定性较好。

4.2.3 无压隧洞边墙高度确定

无压隧洞段底宽取6.2m，其水力计算参照溢洪道泄槽计算方法。根据水力学计算，深孔闸后洞内无压的流速很大，一般都要考虑因水流掺气而增加的水深，以得到设计隧洞高度。泄洪洞校核洪水位情况水面线计算成果表明：隧洞校核洪水位情况下泄槽内掺气水深5.03～6.60m。无压隧洞边墙高度=掺气水深+超高，隧洞直墙超高Fb取为0.10m, 隧洞侧墙高度为H=ha+Fb=6.6+0.1=6.70m，故取隧洞直墙高度为6.80m。

4.2.4 出口消能计算

隧洞出口消能初拟采用等宽连续式挑流鼻坎消能，泄洪洞的最高运行水位为水库校核水位1326.01m，此时隧洞最大泄流量为939.19m3/s，鼻坎高程为1246.02m，挑射角θ为25°，鼻坎末端宽度为6.20m，单宽流量为151.48m2/s，下游河床高程为1206.64m，相应水位为1241.38m。最大冲坑深度为32.54m，最大挑距为62.501m，冲坑后坡比为0.521，冲坑后坡比满足规范要求，需对下游河道及两岸坡进行必要的防护。

5 结 论

a.泄洪建筑物采用“溢洪道+泄洪隧洞”的组合运用泄洪布置方案，溢洪道和泄洪洞均布置在大坝左岸。调洪论证分析表明：泄洪洞参与泄洪，可缩小溢洪道宽度，减小开挖边坡高度，对降低施工难度和控制投资均有利。设计优选的组合泄洪方案技术可行、经济合理。

b.泄洪洞短洞尺寸(出口宽×高=5.5m×6m)与溢洪道3孔(宽×高=8m×12m)联合泄洪，最大下泄流量3350m3/s，泄洪洞分摊比例为28.03%(接近30%)，泄流能力满足要求。

c.泄洪消能建筑物采用连续鼻坎挑流消能，水流由挑流鼻坎挑入下游河床，各工况下消能效果良好。