猴山水库泄水建筑物布置及设计综述

郭鹏高

(绥中县水利事务服务中心，辽宁 葫芦岛 125200)

1 工程概况

1.1 工程规模

猴山水库位于绥中县狗河中游，坝址距绥中县35km。狗河发源于绥中县加碑岩乡，流经秋子沟、明水、范家、前卫、沙河、网户、荒地等乡镇，于网户乡后王虎三屯，注入渤海，河长86.7km，流域面积539km2。狗河流域上游似球形，中下游为带状呈宽浅型，如图1所示。

图1 猴山水库坝址位置图

猴山水库控制面积377km2，坝址以上河长47.9km，水库总库容约1.59亿m3，根据相关规范确定猴山水库工程等别为II等，工程规模为大(2)型。枢纽建筑物包括引水隧洞、挡水副坝、引水坝段、门库坝段、溢流坝段以及混凝土挡水坝段，永久性主要建筑物拦河主坝、副坝为2级；引水隧洞、坝后供水管和生态流量供水管建筑物级别根据供水重要性(中等)确定为3级；临时性建筑物为4级；左右坝头岩石边坡级别为2级。拦河主坝洪水校核为1000年一遇，洪水设计按100年一遇。水库设计、校核洪水位为134.89m和136.27m，正常蓄水位134.00m，讯限水位131.50m，死水位107.00m，兴利库容1.28亿m3。

水库建成后2020年向东戴河新区供水2847万m3，2030年可与拟建工程联合调度后可供水3296万m3，另外可补偿大官帽闸以下农业缺水557万m3，补偿坝址处生态水量为826万m3，大官帽闸处生态水量为72万m3。

1.2 水文地质构造

水库坝址区地下水有第四系孔隙潜水、构造裂隙承压水和基岩裂隙水等类型。库尾部地下水位一般接近正常蓄水位，其中下坪河子村揭露一处上升泉，水头高于正常蓄水位，库区两岸多为山地丘陵，地下水位一般低于正常高蓄水位，但地下分水岭高程在150m以上，其地下水与狗河河水补给关系为两岸地下水补给河水。

猴山水库位于范家乡赵家甸村附近，正常高蓄水位按134m回水至明水乡下屯附近。库区主要地貌为低山丘陵，平均海拔500m左右。库区内河流沿线，凸岸多为悬崖，凹岸多为缓坡，河流两岸阶地分布比较零星，且多不对称。根据前期地质测绘资料，库区内分布有大、小型断层3条(组)，即明水断裂带、F1断层、F1-1上平河子——新庄断层。

2 泄水建筑物布置方案

2.1 泄水建筑物型式比选

坝址处河谷呈“U”型不对称，左岸岸坡陡峭(坡角约70°)，右岸岸坡相对平缓(坡角为20°-30°)，河谷底宽约130m，左坝端北侧鞍部已被人工开挖成深槽，底宽约5-10m，底高程111.8m左右。溢流坝段冲刷坑部位覆盖层较薄，一般厚2-3m，下部基岩为弱风化流纹斑岩，属中硬岩，岩体较完整，无不利软弱结构面及夹层，岩体抗冲刷能力强。因此，采用重力坝坝型可充分利用混凝土坝的特点，在坝体上布置泄水建筑物，使枢纽布置紧凑，泄流通畅。

经技术和经济比较，在混凝土坝坝体上设置泄流表孔，具有布置协调、水流顺畅、消能防冲设施简单，工程投资最省、运行管理方便等明显优势，因此设计选用坝身溢流表孔泄洪方案。

2.2 消能型式的选择

考虑到泄水建筑物为坝身泄洪的型式，在坝下游水深天然变幅较小的条件下，可以采用底流消能和挑流两种消能型式，根据工程具体情况，坝址下游的覆盖层较薄，厚度2-3m，岩石强度较高，抗冲能力较强。此外，枢纽溢流坝部分位于河道中间，坝址下游河道较为宽阔，河道顺直，无需采取防护措施。因此，与底流消能型式相比，采用挑流消能，消能方式更为简单，检修方便，可节省大量的消力池混凝土方量，从而使投资更为经济。综上所述，可选用挑流消能型式方案。

2.3 溢流坝规模比选

本次溢流坝规模的比选是在推荐坝址、坝型为混凝土重力坝、正常蓄水位为134.0m的基础上进行的。在不改变水库正常蓄水位、防洪限制水位以及供水能力的前提下，应尽可能减低工程投资、方便运行管理，合理确定溢流坝规模。

根据可研阶段详细比选的溢流坝规模，包括118.5m、120.0m、121.5m3个堰顶高程及42m、56m、70m3个溢流总净宽的比选，以及推荐的溢流坝规模为溢流总净宽56m，堰顶高程为120.0m，金属结构布置为4孔单宽14m弧形闸门。该阶段考虑堰顶高程保持不变，对不同孔口数量和尺寸进行进一步详细比较，比选方案见表1。

表1 比选方案对比表

从以下几个方面深入分析3个方案：①从坝顶高程分析，根据规范计算溢流坝设置4孔14m或5孔11m闸门对坝段高程无影响，5孔12m闸门坝顶高程仅降低0.4m，通过稳定、应力计算，方案三非挡水坝段体型同方案2的底部宽度相同，仅上部直立部分高度减少0.5m，工程量减少的不多；②从结构方面分析，单孔跨度越大则相应梁结构尺寸就越大，带来制作及吊装难度的增大；③从运用调度角度分析，采用5孔闸门运行灵活，泄流可同步、对称、均匀启闭，可防止水流偏流而产生漩涡，减轻下游河道及两岸的局部冲刷。

通过上述分析，虽然方案二(净宽55m)比方案一(净宽56m)的投资略高，但方案在结构和运行管理方面的优势更加明显。同时，方案二比方案三(净宽60m)的投资成本低，因此确定方案二为最佳方案。

3 溢流坝段设计

3.1 溢流坝段布置

溢流坝段布置于河道的主河床位置，设有5个泄洪表孔，布置在(9)-(14)坝段上，采用开敞式孔口，主要担负水库泄洪任务，坝段桩号为主坝0+134.00-0+203.00。溢流坝泄流总宽69.0m，净宽55.0m，堰面曲线为WES型，通过反弧曲线(半径25.0m)，下游直接与挑流消能鼻坎相连。溢流坝堰顶高程120.0m，分5孔，每孔净宽11m，中墩厚度2.5m，边墩厚2.0m，采用堰体分缝，每个坝段长13.5m，为开敞式溢流坝，坝基高程86.6m。

溢流坝堰顶前部设置平板检修门，检修门的启闭设备利用设在坝顶上的7.5m跨度的双向门机，门机轨顶高程138.20m，在8号挡水坝段上设检修闸门门库。弧形闸门采用液压启闭，启闭机房位于溢流坝坝顶下游侧的工作桥上，桥面高程138.20m。溢流坝采用挑流消能，挑坎高程为98.16m，挑角为18°，反弧半径为25.0m。坝体内设城门洞型灌浆廊道，底高程91.80m，距离上游3.0m，廊道孔洞尺寸为2.5m×3.5m。

3.2 定型设计水头Hd计算

根据工程布置堰高P1=28.20m，Hmax=16.27m，P1≥1.33Hd，溢流堰属于高堰，定型设计水头Hd=(0.75-0.95)Hmax。

根据规范对堰顶附近堰面压力规定，堰面在常遇洪水闸门全开的条件下不宜产生负压，堰顶附近负压值在设计洪水、校核洪水闸门全开的条件下≤0.03MPa(相当于3.0m水头)和0.06MPa(相当于6.0m水头)。因此，选用各水头比较，取Hd=0.80Hmax=12.954m，此时堰顶可能出现的最大负压见表2。经计算，堰顶可能出现的最大负压<规范值，堰型设计满足要求。

表2 堰顶可能出现的最大负压

3.3 堰面曲线

溢流坝堰面采用WES堰，幂曲线计算公式采用《混凝土重力坝设计规范》附录A，其表达式为[1]：

xn=kHdn-1y

(1)

式中：Hd为堰面曲线定型设计水头，文中取堰顶最大作用水头Hmax的80%；x、y为堰面曲线原下游横纵坐标；k为计算参数，取2.0；n为与上游堰坡有关的指数。溢流坝上游面垂直，原点上游堰面采用三圆弧曲线，曲线坐标见表3。下游曲线取K=2，n=1.85，x1.85=2×12.9540.85y，下游堰面曲线坐标见表4。

表3 上游堰面曲线坐标

表4 下游堰面曲线坐标

3.4 消能挑流鼻坎反弧半径

1)反弧段半径。规范建议以反弧最低点最大水深的4-10倍作为挑流鼻坎反弧半径，经计算反弧段内最大流速v=24.09m/s，因此该工程取偏于下限，反弧半径R=25m。溢流坝下游反弧段起点桩号为Sta0+023.550，反弧段起点高程106.777m。

2)挑流鼻坎挑角。根据消能防冲计算，在挑角θ=18.0°时较为合适，此时总挑距为66.13m，冲坑深度16.17m。

3)挑流鼻坎高程。根据《混凝土重力坝设计规范》要求，挑流鼻坎最低点高程可略低于下游最高洪水位，但宜高处设计洪水标准时消能防冲的下游水位，该工程下游最高水位为99.42m，消能防冲设计洪水标准泄洪时对应的下游水位为96.85m，根据计算和试验确定的出射角及半径，最后确定坎顶高程98.16m，反弧段最低点高程为96.885m。

设计用连续鼻坎挑流消能，初拟挑射角θ=180，反弧半径R=25m，坎顶高程98.16m。各运行工况下，坎顶流速及水深计算结果见表5。

表5 坎顶流速及水深

3.5 泄流能力计算

溢流坝泄水能力按下式计算[1]，结果见表6。

表6 溢流坝泄流能力计算成果表

(2)

式中：Q为流量，m3/s；B为溢流堰净宽，取5×11.0=55.0m；Hw为堰上计入行进流速的总水头，m；m为流量系数；g为重力加速度，m/s2；C为上游面坡度影响修正系数，上游面垂直，C取1.0；ε为侧收缩系数；σs为淹没系数，取σs=1.0。

为了验证选用泄水建筑物布置和断面的可行性和合理性，对猴山水库枢纽工程泄水建筑物进行水工断面、水工整体的水力学模型试验，重点对泄水建筑物泄流能力、泄流水面线、上、下游水流流态、消能效果等进行试验研究[3-5]。断面模型比例为1∶50 ，整体模型比例为1∶100，河床按静/动床状态考虑，结果见表7。

表7 开敞式溢流坝泄流能力(5孔泄流净宽55m)

试验表明，该方案下挑流鼻坎距溢流堰冲坑较远，冲刷坑上游反坡均在1∶3-1∶6之间，满足设计要求[6-9]。

4 结 论

1)猴山水库具有泄洪流量大、地形构造复杂等特点，合理布置泄水建筑物对水库工程建设及其安全运行极其重要，必须以水库的安全运行为基本原则选择技术可行、经济合理的布设方案。

2)坝坝型可充分利用混凝土坝的特点，在坝体上布置泄水建筑物，使枢纽布置紧凑，泄流通畅。经技术和经济比较，在混凝土坝坝体上设置泄流表孔，具有布置协调、水流顺畅、消能防冲设施简单，工程投资最省、运行管理方便等明显优势，因此设计选用坝身溢流表孔泄洪方案。

3)为验证泄水建筑物断面和布置的合理性、可行性，对其进行水工整体、水工断面的水力学模型试验，重点对泄水建筑物泄流能力、泄流水面线、上、下游水流流态、消能效果等进行试验研究。结果显示，该方案下挑流鼻坎距溢流堰冲坑较远，冲刷坑上游反坡均在1∶3-1∶6之间，满足设计要求。