观音岩水库可研阶段水工建筑物优化设计研究

摘 要：观音岩水库工程可研设计中，对碾压混凝土双曲拱坝、泄水建筑物、冲沙兼放空底孔、供水取水口、发电取水口等水工建筑物设计方案进行了详细优化研究。经优化后的水工建筑物设计方案技术上可行、经济上优越，节省了工程投资并为工程的顺利施工建设提供了重要的技术方案保障。

关键词：观音岩水库；水工建筑物；碾压混凝土双曲拱坝；泄水表孔

1 工程概况

观音岩水库位于贵州水城县阿嘎乡、盐井乡和勺米乡三乡的交界处，坝址位于阿嘎乡仲河村观音岩，坝址以上集雨面积为97.2km2。拟建观音岩水库工程任务主要以工业供水为主，兼顾人畜饮水、灌溉以及利用弃水发电的综合利用水库工程。设计最大坝高为105.0m，正常蓄水位为1430.0m，总库容为2201万m3，库区回水长约5.629km，设计引水流量1.862m3/s，工程规模为Ⅲ等中型水库枢纽。建设工期37个月，工程总投资为57865.96万元。

2 坝址地形地质条件

观音岩水库工程区位于贵州省西部，地处乌蒙山脉东南坡、黔西高原中山峡谷地带，地势总体西高东低、北高南低。一般海拔高程1300～1900m之间，区内最高点高程2451m，最低点高程1000m，相对高差300～1000m，属中山～低中山地貌。库区所在河段为小寨至牛场坝上游观音岩一带，河流蜿蜒曲折，总体流向为S60°E转N20～70°E。库区河段右岸（南面）有巴郎河；左岸（北面）有通仲河发育。建库河段河谷走向与山脉方向基本一致，地形切割强烈，两岸山顶高程均大于1900m，河床高程为1330～1430m，相对高程300～700m，为以溶蚀、浸蚀、构造作用为主形成的低中山～中山地貌。

3 枢纽区主要水工建筑物设优化计

3.1 碾压混凝土双曲拱坝结构优化设计

大坝为抛物线变厚双曲拱坝，拱坝中心线方位角为N40.00°E，坝顶高程1434.0m，坝底高程1329.0m，设计坝高105.0m（不含垫座）。拱冠梁处顶厚6.0m，底厚23.5m，坝顶中心弧长210.197m，顶拱中心角82.000°。最大中心角89.911°（1374.0m高程），最小中心角40.600°（1329.0m高程）。大坝主体采用90天龄期三级配C20碾压混凝土，抗渗标号W8，抗冻标号D50；上游面防渗层采用90天龄期二级配C20变态混凝土和90天龄期二级配C20碾压混凝土，抗渗标号W10，抗冻标号D100，其中变态混凝土厚度0.5m，碾压混凝土1390.0m高程以上厚度2.0m，1390.0～1360.0m高程之间厚度3.0m，1360.0m高程以下厚度4.0m。基础设置2.0m厚的90天龄期二级配C20常态混凝土垫层，抗渗标号W10，抗冻标号D100。下游坝面采用厚度为0.5m的90天龄期三级配C20变态混凝土，抗渗标号W8，抗冻标号D100。大坝坝身设4条诱导缝，桩号分别为0+036.000、0+075.000、0+122.000、0+165.625，将坝体分为5个坝段，诱导缝上游面设置两道铜片止水，缝内安装重复灌浆系统。

3.2 泄水建筑物优化设计

坝顶表孔前缘净宽15m，堰顶高程1425.0m，分3孔，分别设5.0×5.5m的弧形钢闸门。溢流堰为WES型实用堰，由上游面曲线、下游面曲线和下游反弧挑流消能段组成，总长17.669m。其中上游堰面曲线采用的椭圆曲线方程为x2/1.702+（y-1.00）2/1.002=1；下游面曲线方程为y=0.109029x1.85；下游采用挑流消能，反弧半径为6.0m，挑射角为15.0°，挑流鼻坎顶高程1418.75m。表孔溢流面、闸墩、导墙、溢流头均采取C20混凝土，闸墩顶部设C20混凝土交通桥连接大坝两端。根据规范采用挑流消能时，下游反弧段半径R可采用反弧最低点最大水深h的4～10倍。拟定反弧半径为6m，挑射角为15°。为保护坝脚免受小流量洪水冲刷，决定在大坝下游设置钢筋混凝土护坦，护坦紧接拱坝混凝土垫层，顺河向长30m，横河向宽28～18m，厚2.0m，护坦顶部高程1331.00m。为了减小或消除护坦下的渗透压力，在底部铺筑排水反选层，并在水平段后半部设置排水孔。为保证护坦的抗浮稳定，护坦底部与基岩采用Φ25锚杆连接，锚杆深入基岩5m，呈梅花型布置，间排距均为2.5m。

3.3 冲沙兼放空底孔优化设计

底孔布置于右坝段非溢流坝体内，中心线桩号为0+094.635m。进口底板高程拟定为1360.00m，低于淤沙高程14.5m。进口为喇叭型，孔口尺寸为4.9×5.2m，孔身为2.5×3.5m的矩形断面，出口段设压坡段，出口孔口尺寸为2.5×3.0m。出口采用挑流消能，挑流鼻坎高程1360.18m，反弧半径R=10m，挑射角10°。底孔总长40.00m。进口设置2.5×3.5m的事故平板检修闸门，启闭平台高程1442.00m；出口设置3.0×2.5m的弧形工作闸门，启闭平台高程1371.40m。底孔的设计工况为在库水位处于死水位的情况下运行时，孔口出口流速为18.01m/s；同时汛末要冲沙，此时库水位一般在正常蓄水位附近运行，孔口出口流速为33.62m/s。根据《水工混凝土抗冲磨防空蚀技术规范》（DL/T 5207-2005）[1]的相关规定，底孔孔身、导墙及底板迎水面均采用C40钢钎维混凝土、厚1.0m，出口亦为C40钢钎维混凝土边墙，底孔检修闸门井为C20钢筋混凝土，启闭机室为C20钢筋混凝土。

3.4 供水取水口优化设计

水库水温为稳定分层型，采用水科院朱伯芳公式对水库垂向水温进行初步分析，水库正常蓄水位为1430.0m，灌溉及坝后生态机组取水口高程为1382.5m，根据水库的调度运行，则在库下25～45m区间取水，初步分析取水温度在12℃～17℃之间，初步分析，水温对灌区农作物生长及坝下鱼类的产卵繁殖及生长产生影响不大，本阶段按不分层取水方式设计，下阶段根据环评专题的最终分析结果，考虑是否设置分层取水方式。供水取水口布置于右坝段非溢流坝体内，中心线桩号为0+075.213m。取水口进口底板高程为1376.00m，高于淤沙高程1374.50m。进口为三面收缩的喇叭型，孔口尺寸为3.0×3.5m（宽×高）；拦污栅后设置1扇检修闸门，孔口尺寸为1.5×1.5m；闸门后接φ1500的压力钢管，钢管中心线高程1376.75m，管长14.00m，引水至大坝下游，与输水钢管相连。

3.5 发电取水口

发电引水线路布置在右岸，取水口的布置根据大坝右岸地形、地质条件，在尽量减小施工干扰和运行管理便利的前提下[2]，应尽可能靠近底孔，使取水口“门前清”并缩短引水线路长度，故将取水口布置在大坝右岸非溢流坝段。由于该处地形较陡，为方便取水和便于施工，取水口采用塔式钢筋混凝土结构。为保证不形成有害漩涡，取水口底板高程需满足淹没深度要求，且应高于水库淤沙高程。取水口进口段由喇叭口和闸门井组成。喇叭口采用三面收缩，底板水平，顶部及左右侧为曲面。喇叭口前部设一扇活动式拦污栅，孔口尺寸为3.5×3m（b×h）。喇叭口后接闸门井，闸门井形式为井筒式结构，设置一道平板检修门，孔口尺寸为1.5×1.5m（b×h），其后设800×1000mm的通气孔兼进人孔。

4 结束语

兴建观音岩水库，可以保障当地经济社会发展用水安全，支撑当地经济社会快速发展，有效解决工程性缺水问题。可研阶段推荐采用碾压混凝土双曲拱坝方案，其枢纽建筑物主要包括挡水坝、坝顶设闸溢流表孔、冲沙兼放空底孔、供水取水口等。水工建筑物优化设计方案经评审，技术上可行，经济上优越，已通过相关主管部门批准建设。

参考文献

[1]吕朝阳，刘建，黄桂江.平班水电站水工建筑物设计优化[J].红水河，2007（01）：37-39.

[2]胥毕远.水工建筑物结构设计关键问题初探[J].河南水利与南水北调，2013（02）：8，11.

作者简介：吴侦辉（1986，4-），男，陕西安康，大学本科，助理工程师，主要从事水利水电工程水工设计工作。