张 蕊,白雪梅
(渭南市水利水电勘测设计院,陕西 渭南 714000)
韩城市小迷川水库是一座具有居民生活供水和农业灌溉功能的Ⅳ等小(1)型水利枢纽工程。水库距韩城市21 km,坝址位于韩城市涺水河一级支流小迷川王坪村附近。坝址以上控制流域面积46.6 km2,河道长度20.87 km,坝址以上河床平均比降2.12%,多年平均径流量430万 m3。水库建成后兴利库容323万 m3,总库容452万 m3;年可供水量240万 m3,可解决1.15万人的城镇居民生活用水及1.30万亩的灌溉用水。
小迷川水库枢纽工程包括均质土坝、溢洪道、导流放水洞等。通过坝址选择,大坝布置在王坪村下游约300 m处的小迷川河道,泄洪建筑物采用开敞式正槽溢洪道,布置在坝体右岸;放水洞兼临时施工导流布置在坝体左岸,进口放水塔控制放水,出口设消力池与输水管道连接;结合现状路网,交通道路及管理设施均布置在左岸坝肩。
依据地勘资料,水库库区地处陕北台凹南部边缘的中低山区,地形为中间低、外围高、向西南开口浅缓的河谷盆地,地形相对高差487 m。小迷川河自西北向东南于薛峰村汇入涺河,河谷呈不对称的“U”型发育,左坝肩为基岩斜坡,坡脚28°~38°;右坝肩为二级阶地及黄土梁、黄土斜坡,上部为黄土、古土壤,下部为卵石层,岸坡比较平缓,坡脚26°~47°。河谷宽度约7.0 m,分布高程608.0 m;两岸一级阶地高出河床1.5~2.4 m,宽度11~30 m;基座高程607.4~615.0 m;黄土梁前缘分布高程为620~627 m,高出河床12.0~19 m。
根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)标准,地震动峰值加速度为0.15 g,地震动反映普特征周期为0.40 s,相对应的地震烈度为Ⅶ度。
水库坝基主要由砂质壤土、砾石及三叠系T1砂、泥(页)岩互层构成河谷基底。河床上部堆积的砾石层厚度1.2 m,透水率q=2.7×10-2cm/s,属强透水性,需截渗;坝基岩体强风化带垂直厚度3.0~5.4 m,岩石饱和抗压强度Rb=28.7~15 MPa,岩体量等级为Ⅴ级。
左坝肩为高陡的基岩斜坡,高程630 m以上基岩斜坡表层坡积堆积的碎石土层厚5.6~8.1 m,斜坡坡度为26°~38°,边坡稳定;其下为砂泥岩互层,强风化带垂直厚度7.0 m,弱风化带厚22.9~28.7 m,透水率q>5 Lu。
右坝肩为黄土斜坡,地层岩性主要由黄土、古土壤组成,堆积层厚度2.5~22.9 m,斜坡坡脚30°~44°,前缘边坡基岩出露,坡脚48°,边坡稳定。 Q3eol堆积的黄土及古土壤属Ⅱ级(中等)自重湿陷性土,湿陷层厚12 m;坡脚18°~47°,边坡稳定。强风化带厚11 m,弱风化带厚32 m,透水率q>5 Lu。
小迷川水库总库容为451.63万 m3,依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2017),确定小迷川水库枢纽工程为IV等工程,工程规模为小(1)型,大坝、溢洪道、放水洞等主要建筑物为4级。
小迷川水库枢纽洪水标准按30 a一遇洪水设计,300 a一遇洪水校核。相应洪峰流量为169 m3/s;300 a一遇洪水校核,相应洪峰流量为364 m3/s;溢洪道出口消能按30 a一遇洪水设计,相应下泄流量120 m3/s;其余部位按照300 a一遇洪水设计,相应下泄流量269 m3/s。
结合坝址地形地质分析,左岸岸坡相对较陡,不利于开敞式溢洪道布置,且上坝道路、库区道路均位于左岸,开挖溢洪道对道路构成影响;而右岸下游正好位于河流的凸岸,布置相对容易,因此选择在右岸布设溢洪道。溢洪道泄流方案主要通过控制段堰型、堰宽及出口消能方式的比较后确定。
溢洪道堰顶高程取正常蓄水位649.00 m。结合地勘剖面,控制段底板砂岩分布高程648.47 m,为强风化的砂岩。堰顶高程位于土石分界处,砂岩上部具有湿陷性的黄土层全部挖除,溢洪道基础全部座于岩基上。结合地质条件及泄流分析,选用WES实用堰和宽顶堰两种堰型方案进行比选;堰顶泄流公式为:
(1)
式中:Qm为泄流量(m3/s);σ为淹没系数,经分析取用0.96;m为流量系数;B为溢流堰净宽度(m);H0为堰上水头(m)。
3.2.1 宽顶堰方案
堰宽取20 m,堰长20 m,底板厚度60 cm;采用钢筋砼结构,砼等级为C25。经调洪分析,发生校核洪水时堰上水头H0=4.09 m,两岸侧墙高度结合坝顶高程取6 m。
3.2.2 WES实用堰方案
堰高3 m,堰宽取16 m,堰长7.7 m,堰后消力池长度20 m;采用钢筋砼结构,砼等级为C25。经调洪演算,发生校核洪水时堰上水头3.97 m,两岸侧墙高度结合坝顶高程取10~5.5 m。
两种堰型比较见表1。
表1 不同堰型方案比较表
经分析比较,实用堰流量系数大,堰宽小,但施工较复杂、投资大,故采用易于施工、且投资较小的宽顶堰型。
按照上述分析,溢洪道控制段采用宽顶堰型,堰顶高程649.00 m,堰顶宽度参考类似工程单宽流量选取,分别取15 m、20 m、25 m,不同宽度调洪计算结果及工程量计算、费用计算分别见表2和表3。
以上三个方案在技术上均可行,经济上差别不大,从工期比较三个方案基本无差别,按单宽流量控制选取20 m堰宽方案。
3.4.1 一级陡坡+挑流消能方案
设计陡坡段长270 m,宽20~15 m,底坡10%,侧墙墙高6~2 m,底板衬砌厚度0.4 m;出口挑流鼻坎顶高程625.00 m,反弧半径7 m,挑射角30°,鼻坎后防止小洪水冲刷,采用明渠+钢筋砼消力池结构;明渠长70 m,底板厚度40 cm。
挑流水舌外缘挑距按下式计算:
(2)
式中:θ为挑角,(°);h1为挑流鼻坎末端法方向水深(m);V1为鼻坎顶水面流速(m/s)。
冲刷坑水垫最大深度按下式计算:
式中:k为综合冲刷系数,取1.2;q为鼻坎末端断面单宽流量(m3/s);z为上下流水位差(m)。
经计算,校核洪水情况下,挑距54 m,最大冲坑深度8 m。
表2 不同堰宽方案调洪计算结果表
表3 不同堰宽方案直接费用计算结果表
3.4.2 两级陡坡+底流消能方案
设计一级陡坡段长125 m,宽20~15 m,底坡12%,侧墙墙高6~2 m,底板衬砌厚度0.4 m。平流段长85 m,宽15 m,底坡1/850,侧墙墙高2.0 m。二级陡坡段长140 m,宽15 m,底坡1/4,侧墙墙高2 m,底板衬砌厚度0.4 m。二级陡坡后采用底流消能方式,底流消能计算公式:
d=σh2-ht-ΔZ
(3)
Lk=0.8L
(4)
式中:d为消力池深度,(m);σ为水跃淹没度,可取σ=1.05;h2为池中发生临界水跃时的跃后水深,(m);ht为消力池出口下游水深,(m);ΔZ为消力池尾部出口水面跌落,(m);Q为流量,(m3/s);b为消力池宽度,(m);
(5)
式中:φ为消力池出口段流速系数,可取0.95;L为自由水跃的长度,(m)。
经分析计算,确定消力池长度36 m,池深3 m,底板厚度80 cm。池后护坦长29 m,底板厚度100 cm。
两种方案比较见表4。
表4 泄槽及出口消能方案比较表
从两方案比较分析,底流消能总体挖方量较大,总投资稍大;且需要设置两级陡坡,虽然平流段的侧墙高度较高,但整体能够适应不同量级洪水流量,安全性高。挑流消能在挑流鼻坎前仅设置一级陡坡,挖方量较少,总投资少;但在发生设计和校核洪水的情况下,挑距分别为41 m和54 m,尚未至主河槽,冲坑位于岸坡坡脚的页岩上,初估最大冲坑深度8 m,设计后坡长度70 m;同时考虑到不能起挑的小流量洪水的影响,鼻坎后的陡坡仍然需要采取处理措施,以防止对挑流鼻坎的破坏,且挑流鼻坎以后的流态较难控制,容易发生脉动及气蚀破坏。综合分析认为,底流消能方案是适应该处地形及岩性的最佳消能方案。
溢洪道泄流方案是水库枢纽工程设计的重要环节,本文通过对小迷川水库溢洪道泄流方式选择,并分别从地形及地质条件、当地材料、主要工程量及施工条件、工程投资等方面分析比较,推荐采用溢洪道泄流方案为进口宽顶堰控制、出口采用底流消能方式。