夹岩水库泄洪消能建筑物布置与结构计算

杨长春，马玉林，陈 欢

(1.贵州省水利投资(集团)有限责任公司，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为贵州水利建设“一号工程”，是一座以城乡供水和灌溉为主的综合性大型水利枢纽工程。夹岩水库属峡谷型水库，河谷基本呈对称V字型，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，正常蓄水位1 323.0 m，总库容13.23×108m3，为Ⅰ等大(Ⅰ)型工程。坝址上下游立视见图1。

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154 m的夹岩水库混凝土面板堆石高坝而言，溢洪道布置就越困难。峡谷型高坝方案设计，除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530 m，由引渠段、控制段、泄槽段及挑流消能段等组成，开挖底宽33 m，堰顶高程1 285 m。溢洪道边坡地形坡度30°～42°，开挖后左侧(后缘)边坡高20～90 m，局部段大于100 m，为中高边坡。溢洪道沿线基岩多裸露，覆盖层厚0～3 m，强风化带厚度基岩面以下8～13 m。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。岩体属为中硬岩类。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806 m，隧洞净空断面6.2 m×8.84 m，埋深20～145 m。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薄至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32 m减少到24 m，减少25%泄洪宽度，除可大大降低溢洪道工程投资外，还可以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3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，方案二：泄洪洞短洞尺寸(出口宽×高=5.5 m×6 m)+溢洪道3孔(宽×高=8 m×12 m)，相比方案一：泄洪洞短洞尺寸(出口宽×高=5 m×5 m)+溢洪道3孔(宽×高=9 m×12 m)和方案三：泄洪洞短洞尺寸(出口宽×高=6.0 m×7 m)+溢洪道3孔(宽×高=7 m×12 m)，其技术可行、投资最省。兼顾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3 350 m3/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399.13 m，轴线方位角为NW33.964°。引渠段长度90.48 m，底板高程1 307.0 m。控制段长度26.0 m，堰型采用实用堰型式，堰高4 m，堰顶高程为1 311.0 m，溢流净宽24 m，设3扇8.0×12.0 m的弧形工作闸门。泄槽段总长260.06 m，起始点高程1 299.8 m，末端高程1 239.01 m，桩号0+026.00～0+130.58 m的底板纵坡为i=0.03，桩号0+146.93～0+283.93 m的底板纵坡为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30 m。出口挑流段长度24.75 m，挑流鼻坎半径为30 m，挑角25°，挑流鼻坎末端高程为1 239.75 m。

泄洪隧洞布置在左岸，由岸塔式进水口、洞身段、出口段3部分组成。岸塔式进水口段长度33.42 m，进口底板高程1 265 m，塔顶高程1 329.0 m，塔高64.0 m，塔身平面尺寸为18.0 m×28.26 m(长×宽)，进口设5.5 m×8.0 m平面检修门与5.5 m×6.0 m弧形工作闸门各1扇；洞身段为无压隧洞段，轴线方位角N32.886°W，长度820.42 m，隧洞净空断面尺寸为6.2 m×8.59 m城门洞；出口段采用挑流消能，反弧半径60 m，挑射角25°，挑流鼻坎高程1 246.02 m。泄洪建筑物平面布置见图2。

图2 泄洪建筑物平面布置

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，其函数表达为：

(1)

式中：Hd为定型设计水头，m，设计取Hd=11.50 m(Hd取堰上最大水头的76.36%，满足65%～85%)；n=1.85 ；K=2.0。

经计算得幂曲线方程为：y=0.062 72x1.85。原点上游采用三圆弧曲线，幂曲线典型坐标见表1。

表1 幂曲线典型坐标 /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，计算结果见表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指标，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，溢洪道泄流计算函数表达为：

(2)

式中：H为堰上水头，m；n为闸孔口数量，n=3；b为闸孔净宽，b=8 m；ε为侧收缩系数；m为流量系数。

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2 431 m3/s，设计工况下最大下泄流量为2 007 m3/s。由式(2)计算可知，溢洪道在设计洪水位时最大泄流量为2 104 m3/s，校核洪水位时最大泄流量为2 521 m3/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

溢洪道校核洪水位情况下，泄槽内掺气水深5.19～3.25 m，取安全超高为1.5 m。综合考虑后，泄槽边墙高度设计取值为7.0～5.5 m。

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1 326.01 m，溢洪道最大泄洪流量2 431 m3/s，鼻坎高程1 239.75 m，挑射角θ为25°，鼻坎末端宽度30 m，单宽流量81.03 m2/s，下游河床高程1 208.00 m，相应水位1 241.38 m。计算结果表明，最大冲坑深度15.77 m，最大挑距113.24 m，冲坑后坡比为0.139，冲坑后坡满足规范要求。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150 m处范围，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=1.8，岩体抗冲能力差。由于泄洪最大下泄流量为2 431 m3/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1 208.0 m，底板厚1.5 m，末端设齿槽。消能防冲P=1%下泄水流最大挑距为101.90 m，设计工况P=0.2%下泄水流最大挑距为110.03 m，校核工况P=0.02%下泄水流最大挑距为113.24 m，为兼顾设计校核工况取消能护坦长度为110.0 m。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1 242.0 m。鉴于校核工况P=0.02%最大下泄流量为2 431 m3/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10 m)，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《水力学计算手册》(第二版)， 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，其函数表达为：

(3)

式中：Q为隧洞过流能力，m3/s；μ为流量系数，根据《水力学计算手册》，此处取μ=0.862；B为隧洞进口处净宽，此处取B=5.5 m；H为隧洞出口底板高程与上游库水位间的高度；ε为弧形闸门安装垂直收缩系数，此处取ε=0.895；e为泄洪时隧洞闸孔开启高度，此处取e=6 m。

经计算，水位低于1 271.0 m之后，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1 271.0 m。水库水位从1 311.0 m下放到1 271.0 m高程总共需要13.4天。

4.2.2 进水口稳定性分析

隧洞底板及边墙设置厚30 cm的C40HF粉煤灰混凝土，隧洞外侧均采用C30钢筋混凝土衬砌。混凝土容重γc=24 kN/m3，与基岩接触面f′=0.7、c′=0.5 MPa。按照抗剪断强度公式计算得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K′大于3.0，校核洪水位工况抗滑稳定K′大于2.5，满足规范要求。正常蓄水位、设计洪水位工况抗浮稳定Kf大于1.1，校核洪水位工况抗浮稳定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6.2 m，其水力计算参照溢洪道泄槽计算方法。根据《水力学计算手册》(第二版)的相关内容，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5.03～6.60 m。无压隧洞边墙高度=掺气水深+超高，隧洞直墙超高Fb取为0.1 m,隧洞侧墙高度H为：H=ha+Fb=6.6+0.1=6.7 m，故取隧洞直墙高度为6.8 m。

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1 326.01 m，此时隧洞最大泄流量939.19 m3/s，鼻坎高程1 246.02 m，挑射角θ为25°，鼻坎末端宽度6.2 m，单宽流量151.48 m2/s，下游河床高程1 206.64 m，相应水位1 241.38 m。最大冲坑深度32.54 m，最大挑距62.501 m，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

1) 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。

2) 泄洪洞短洞尺寸(出口宽×高=5.5 m×6 m)与溢洪道3孔(宽×高=8 m×12 m)联合泄洪，最大下泄流量3 350 m3/s，泄洪洞分摊比例为28.03%(接近30%)，泄流能力满足要求。

3) 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。