冉渡滩水库规划设计研究

翁娜娜

（遵义灌区管理局，贵州 遵义 563000）

1 工程概况

洪渡河为乌江下游左岸一级支流，流域面积3 677 km2，干流河长205 km，多年平均径流量27.0亿m3，河谷深切狭窄，水流湍急，干流河道天然落差981 m，水力理论蕴藏量25.8万kW，技术可开发量14.3万kW。冉渡滩水库坝址位于洪渡河务川县马村坝河段，坝址以上流域面积997 km2、干流河长58.1 km，多年平均径流量7.03亿m3，多年平均流量22.3 m3/s[1]。

2003—2005 年期间，贵州省水利水电勘测设计研究院与中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院开展了洪渡河流域规划研究工作，提出了洪渡河干流德隆（848.00 m）、大水河（769.00 m）、冉渡滩（738.00 m）、红毛洞（695.00 m）、沙坝（615.00 m）、石垭子（544.00 m）、高生（337.00 m）共计7 级的梯级开发方案。其中，冉渡滩水库为第三级，因供水能力大、水质好、位置较高、可实现自流输水而具有覆盖面广、受益对象多、综合效益突出的优势，被列入《贵州省水利建设生态建设石漠化治理综合规划》，并于2011年7月获得国家发改委审批。该工程规划任务是为城镇、工业、农村人饮供水及农田灌溉供水，规划总库容5 480 万m3，兴利库容2 830 万m3，年供水量6 000万m3[2]。

2 水文地质

2.1 气象水文

洪渡河流域属中亚热带湿润季风气候区，主要受两高切变和冷锋型天气系统影响，冬暖夏热，四季分明，雨量较丰沛，多年平均年降水量1 186.9 mm，设计坝址以上流域多年平均面降水量为1 189.0 mm，降水集中在4—9月，占年总量的76.7%。

洪渡河属典型的山区雨源型河流，径流由降水补给，径流特性与降水基本一致，由于岸坡陡峭、河床下切，河槽调蓄作用小，洪峰一般仅持续1～2 h，多为单峰。坝址处径流与洪水计算成果，详见表1—2。

表1 坝址径流统计分析成果

表2 坝址设计洪水计算成果

2.2 工程地质

工程区距区域性断层较远，地震活动水平低，构造稳定。洪渡河为区内地下水最低排泄基准面，库区含水岩组隔水性能较好，地表地下水无侵蚀性。库区两岸山体宽厚，地形封闭条件较好，区内断裂不发育，无永久性渗漏问题，成库条件较好，库首沿浅表部及绕坝肩裂隙型渗漏可作适当防渗处理。库区基岩多裸露，抗风化能力较弱，受雨季地表水冲刷和蓄水后动水影响可能造成一定泥沙淤积[3]。

坝址处坝基较完整，主要为BⅣ1类，强度较高；部分为CⅣ类，抗滑、抗变形性能受结构面及软质岩体一定程度的控制，宜选建重力坝型。河槽坝基河床冲洪积砂卵砾石及淤泥质层开挖存在边坡失稳可能；左、右坝肩局部陡倾裂隙构造与层面组合形成岸坡局部不稳定块体；坝址边坡存在由弱卸荷带裂隙、河床临空面、层面组成的不稳定地质体，均应采取支护等工程处理。

3 工程规划设计

3.1 工程规模与任务

冉渡滩水库设计基准年为2015 年，设计水平年为2030 年，正常蓄水位738.00 m，发电限制水位730.00 m，死水位724.00 m，正常蓄水位库容4 490万m3，兴利库容2 830万m3，死库容1 660万m3，库容系数4.03%，具备不完全年调节性能。水库规模为中型，工程等别为Ⅲ等，永久性水工建筑物为3 级，设计洪水标准为50 a一遇，校核洪水标准为500 a一遇，电站为坝后式厂房，装机容量为17 MW。

冉渡滩水库设计供水能力9 120万m3/a，多年平均供水量8 990万m3/a，其中中心城区供水1 240万m3/a、工业园区供水6 470 万m3/a、农村人畜饮水供水350万m3/a（以上保证率P=95%），多年平均农灌供水930 万m3/a，河道内水力发电供水4.70 亿m3/a（以上保证率P=80%）。

3.2 工程选址与布置

根据建坝河段地形地质条件，拟定上下两坝址比选。上坝址位于旋塘河湾以上约500 m 处峡谷河段，采用拱坝枢纽布置；下坝址位于旋塘河湾至原挡水坝之间，采用重力坝枢纽布置。上下坝址相距约800 m，两岸地形总体狭窄陡峻，中硬基岩较完整，适宜修建刚性坝。经技术经济综合比较发现，下坝址地形地质条件和施工条件较好，且较上坝址投资节省近2 000万元，故选定为推荐坝址。

推荐坝址河谷为不对称性“V”形河谷，宽高比为2.9，基础岩体较完整，左岸及河床基础岩性均一；右岸中下部及上部为灰岩、中上部为页岩，岩性不均一，不适宜建设拱坝。工程最大下泄流量约5 000 m3/s，岸边式泄洪建筑物存在高边坡问题，布置难度较大，因此不适宜建设面板堆石坝[4]。

拟建大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程742.5 m，最大坝高69.0 m，最大坝底宽62.3 m，坝顶长183.0 m。大坝左右两侧为非溢流坝段，长度分别为76.0、56.0 m，中间溢流坝段长47.0 m。坝体内靠上游侧设1 道灌浆兼排水廊道，下游侧设1道副排水廊道，坝体设置1 排Φ200 排水口，上游坝坡708.0 m 高程以上铅直、以下1∶0.2，下游坝坡732.0 m 高程以上铅直、以下1∶0.8，坝顶宽8.0 m，坝轴线方向角为N62.26°E。

泄水建筑物采取泄洪表孔设闸布置形式，取水建筑物布置在左坝段，采取塔式进水口+坝身埋管布置形式；发电引水建筑物布置在右坝段，选取一管一机方案，采取塔式进水口+坝身埋管+坝后背管布置形式；发电厂房采用坝后地面式厂房；供水区输水采用有压重力流管道输水，灌区采用无压重力流明渠输水。下坝线碾压混凝土重力坝枢纽布置，如图1所示。

图1 下坝线碾压混凝土重力坝枢纽布置

3.3 挡水建筑物设计

3.3.1 高程计算

根据调洪计算成果，冉渡滩水库校核洪水位为741.28 m，正常蓄水位为738.00 m，计算吹程D=0.8 km，多年平均最大风速10.6 m/s，计算风速正常情况15.9 m/s、校核情况10.6 m/s，坝顶高程按下式计算：

式中：Δh为坝顶距水库静水位高度（m）；h1%为累积频率为1%的浪高（m）；hz为波浪中心线至水库静水位的高度（m）；hc为安全超高（m），正常蓄水位取0.4 m、校核洪水位取0.3 m；g为重力加速度（m/s2）；v0为计算最大风速（m/s）；D为风区长度（m）；Lm为平均波长（m）；π为常数；H1为坝前水深（m）；hm为平均波高（m）。

坝顶高程计算成果，详见表3。由表3 可知，校核洪水位坝顶高程为741.94 m，实际坝顶高程取742.50 m。

表3 坝顶高程计算成果m

3.3.2 应力计算

坝体、闸墩、导墙等计入大坝自重，混凝土容重取24 kN/m³。

静水压力分为水平向水压力和竖直向水重，水平向水压力按三角形分布，按下式计算：

式中：γw为水的容重（kN/m3），取9.81 kN/m3；H为工况下作用水头（m）。

坝踵处扬压力作用水头为水库上游水头，坝趾处为水库下游水头。作用在大坝单位长度上的水平淤沙压力按下式计算：

式中：γsb为淤沙浮重度（kN/m3），取8 kN/m³；hs为大坝坝前的淤沙淤积厚度（m），按50 a 坝前淤沙高程720 m计；φs为淤沙的内摩擦角（°），取14°。

波浪要素按官厅水库公式计算，作用在大坝单位长度上的浪压力按下式计算：

式中：Pwk为单位长度迎水面上的浪压力（kN/m）；其余变量含义同上。

设计洪水位和校核洪水位下泄洪时溢洪道反弧段单宽水流离心力按下式计算：

式中：Pxr为单位宽度上离心力合力的水平分力（N/m）；Pyr为单位宽度上离心力合力的垂直分力（N/m）；q为单宽流量（m2/s）；v为反弧段最低点处断面平均流速（m/s）；φ1为反弧段圆心角（°）；φ2为反弧段挑射角（°）；ρw为静水压力（MPa）。

两化融合能有效推动技术进步、提升生产效率，推动我国经济提质升级。假设检验结果充分说明，第二产业两化融合发展水平与投入产出比、人均工业增加值、全要素生产率呈现显著的正相关关系(如图8)。这表明，两化融合的深入推进，伴随着固定资产投资效率的不断提升、劳动生产率的不断增长，还伴随着技术进步的快速发展。因此，两化融合对于处理好我国经济发展速度与质量的关系，实现质量提升“对冲”速度放缓，将经济发展推向质量效益时代具有重大意义。

大坝应力按下式计算：

持久计算工况考虑基本荷载组合1 正常蓄水位、基本荷载组合2设计洪水位；偶然计算工况考虑特殊荷载组合1校核洪水位、特殊荷载组合2施工期临时挡水工况。根据计算成果可知，基本荷载组合下，最大压应力为0.92 MPa；特殊荷载组合下，最大压应力为0.98 MPa，大坝上游面未出现拉应力，均满足规范要求。

3.3.3 稳定计算

坝基抗滑稳定计算按坝段进行，分别在右岸取水口坝段、溢流坝段和左岸非溢流坝段各选取1 个有代表性的断面进行，断面桩号分别为0+033.00、0+093.00、0+120.00。沿水平坝基面的抗滑稳定安全系数K1及深层单滑面、双滑面的抗滑稳定安全系数K1′、K2′计算公式如下：

式中：W为作用于坝体的全部荷载竖直向分值（kN）；∑P为作用于坝体的全部荷载的水平向分值（kN）；G1为第一滑裂面上岩体自重（kN）；G2为第二滑裂面上岩体自重（kN）；f1为坝体与基岩接触面的抗剪断摩擦系数；f1′为坝体与第一滑裂面的抗剪断摩擦系数；f2′为坝体与第二滑裂面的抗剪断摩擦系数；C1为坝体与基岩接触面的抗剪断凝聚力（kN）；C1′为坝体与第一滑裂面的抗剪断凝聚力（kN）；C2′为坝体与第二滑裂面的抗剪断凝聚力（kN）；A为坝基截面积（m2）；A1为第一滑裂面面积（m2）；A2为第二滑裂面面积（m2）；α为第一滑裂面与水平面的夹角（°）；β为第二滑裂面与水平面的夹角（°）；U1为第一滑裂面上的扬压力（kN）；U2为第二滑裂面上的扬压力（kN）；U3为第一、二滑裂面岩体作用面上的扬压力（kN）；Q为第一、二滑裂面岩体作用面上的作用力（kN）；φ为第一、二滑裂面岩体作用面与水平面的夹角（°）。

根据钻孔取样试验值确定岩土力学指标，基于建基面地质情况按计算断面各岩层在坝基所占比例进行加权平均，计算工况同3.3.2，可知基本荷载组合工况最小安全系数为3.08，大于规范规定的3.0；特殊荷载组合最小安全系数为2.63，大于规范规定的2.5。坝体抗滑稳定计算成果，详见表4。

表4 坝体抗滑稳定计算成果

3.4 泄洪建筑物设计

堰面曲线采用下式计算：

式中：k、n为与上游面坡度有关的参数，当上游面铅直时k=2.0、n=1.85；Hd为岩面曲线定型设计水头（m）；x、y分别为以溢流堰定点为坐标原点的坐标，x向下游为正方形，y向下为正方形；m为实用堰流量系数。

经计算，得到堰面曲线方程为y= 0.046 2x1.85。

泄流能力采用下式计算：

式中：Q为流量（m3/s）；B为孔口总净宽（m）；ε为堰流侧收缩系数；σ淹为淹没系数；H0为计入行近流速水头的堰上总水头（m）；m为实用堰流量系数；g为重力加速度（m/s2）。

泄流能力复核计算成果，详见表5。

表5 溢洪道泄流能力复核计算成果

泄槽水面线按照能量方程，用分段求和法计算，公式如下：

式中：ΔL1-2为分段长度（m）；h1、h2分别为分段始末断面水深（m）；v1、v2分别为分段始末断面平均流速（m/s）；α1、α2分别为流速分布不均匀系数；θ为泄槽底坡角度（°）；i为泄槽底坡；J为分段平均摩阻系数；n为泄槽糙率系数；v为分段平均流速（m/s）；R为分段平均水力半径（m）；hb为计入波动和掺气的水深（m）；h为不计入波动和掺气的水深（m）；ξ为修正系数，取1.2；g为重力加速度（m/s2）。

经计算可得，当发生校核洪水（P=0.2%）时，下泄流量为5 050 m3/s；当发生设计洪水（P=2.0%）时，下泄流量为3 510 m3/s。溢洪道泄槽各断面水深与平均流速计算成果，详见表6。其计算结果与水力学模型试验成果基本吻合。

表6 溢洪道泄槽各断面水深与平均流速计算成果

4 结语

为开发利用洪渡河流域资源，贵州省提出了洪渡河七级梯级开发利用方案，为保障务川县工农业供水和人畜饮水需求，需要对梯级开发方案中的第三级冉渡滩水库开展规划设计研究。本文针对洪渡河流域水系特征，研究计算坝址设计径流与洪水成果；通过对库区和坝址处地质条件分析评价，确定了碾压混凝土重力坝的坝型，并确定水库规模、主要任务和总体布置。根据得到的水库总体布置方案，对关键的挡水和泄流建筑物结构设计进行了详细叙述，并介绍重要参数的计算过程，通过水库建设与运行管理情况来看，该设计方案是合理的。