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汉中市留坝县木桶沟水库大坝工程设计研究

2024-11-04 311 上传者：管理员

摘要：随着留坝县城建设和中小工业快速发展,现状地表水源已无法满足城区发展需求,虽然地区水量较为丰富,但干旱季节仍会出现缺水现象。木桶沟水库建设主要为解决天然来水量的年内和年际差异,增强水源的调蓄能力,提高供水保证率。基于此,针对工程方案设计中的坝型拟定、表孔型式、坝体稳定应力及筑坝材料选择等方面进行分析计算,依据相应规范科学合理设计大坝结构,设计成果可为类似水库工程建设提供借鉴参考。

关键词：
坝体稳定应力
坝型拟定
大坝工程
水库工程
筑坝材料
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1、工程概况

木桶沟水库是一座以县城城区供水为主的Ⅴ等小（2）型水利工程,位于陕西省汉中市留坝县北栈河流域上,木桶沟属于北栈河右岸一级支流,属于汉江流域褒河二级支流,坝址以上流域面积8.27 km2,主沟道全长4.4 km,沟道比降67.0‰。木桶沟流域属亚热带北缘山区暖温带湿润季风气候区,气候温和,雨量充沛,四季分明,夏无酷暑。其特点是冬长夏短,春秋近半,降温快于升温。总的趋势是冬季少雪,夏季多暴雨洪涝,时有伏旱,秋季降温早,阴雨连绵,春季升温迟,多有旱灾。

留坝县城现状供水水源为石峡子沟与木桶沟地表水及备用大口井,除石峡子水库供给现状水厂原水外,无可利用的备用水源,一遇干旱季节,除石峡子沟水源具有一定的可持续供水能力外,其他水源供水能力较小,供水能力不足严重威胁县城的供水安全。近年来,留坝县城建设和中小工业发展很快,用水需求量逐年递增,现状水源正常运行能力可供水量为3500 m3/d,仅为现状城市需要的二分之一,故急需增加新水源地,扩大供水能力,保证城市供水,解决水源问题是关系县城生存和发展的重中之重。

2、大坝工程设计

2.1 工程等级和标准

木桶沟水库总库容为47.58万m3,坝高34.0 m,坝轴线长度116.0 m,正常蓄水位1226.80 m,设计洪水位1228.05 m,校核洪水位1228.65 m,兴利库容28.31 m3,死库容11.75万m3。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）规定,木桶沟水库工程为Ⅴ等小（2）型工程,主要建筑物为5级建筑物,次要建筑物和临时建筑物为5级建筑物。主要建筑物洪水设计标准为：20年一遇设计洪水,50年一遇校核洪水,消能防冲建筑物洪水标准为10年一遇洪水。

2.2 径流

木桶沟流域径流主要是由降水补给,受季风气候影响,具有夏季降水量大而集中,冬季降水量小的特点。采用径流深等值线图法、径流系数法及水文比拟法综合比较确定多年平均径流量,径流深等值线图法与径流系数法通过查《汉中地区实用水文手册》计算多年平均年径流量分别为289.45万m3和284.29万m3,水文比拟法则以褒河江口站为参证站,考虑江口水文站与木桶沟水库同属褒河流域,在地貌上同属秦岭南麓丘陵山区,其来水成果建立在实测资料基础上,故最终采用水文比拟法计算成果,根据其1971年～2020年径流系列,用矩法估算统计参数初试值,采用P-Ⅲ型曲线适线,江口站不同频率年径流计算成果见表1。木桶沟水库坝址断面多年平均年径流量为244.05万m3,坝址初不同频率年径流成果见表2。

表1 江口站年径流量频率成果表

表2 水库坝址处年径流量成果表

2.3 洪水

木桶沟坝址以上流域内无实测资料,依据《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL 44-2006）,无资料地区洪水分析须采用多种方法进行,通过《汉中地区实用水文手册》采用推理公式法和经验公式法进行分析计算,并对其成果进行合理性分析后,得出坝址以上流域设计洪水成果,其设计洪峰流量计算成果汇总见表3。

表3 设计洪峰流量计算成果汇总表

通过计算可知两种方法的计算成果相差较大,经验公式法计算形式相对简单,概化成分偏多,计算结果精度相对较差；推理公式法采用《汉中地区实用水文手册》中总结地区实测暴雨洪水资料分析出来的暴雨～洪水关系进行计算,有一套完整的计算方法,在理论方面较为严谨,过程中又采用了本流域的特征值、经验参数和暴雨资料,计算成果既代表了区域洪水的共性,又突出了计算流域洪水的特性,成果精度相对较高。因此,本次推荐采用推理公式法计算成果作为拟建坝址以上设计洪峰流量。

2.4 泥沙

根据《汉中地区实用水文手册》,木桶沟流域悬移质年输沙模数为200 t/km2～500 t/km2,本次取400 t/km2,计算得坝址处多年平均输沙量为0.33万t,推移质按悬移质输沙量的15%计,为0.05万t,多年平均输沙总量为0.38万t。

2.5 坝型确定

(1）地形地质条件

坝址处河谷岸坡以裸露的结晶灰岩、黑云母角闪石石英闪长岩为主,岸坡下部以坡～洪积的碎石土为主,基岩岸坡较陡,坡～洪积的碎石土岸坡相对较缓,区内地形整体西高东低,河谷为“U”型,两岸基本对称,河床上部覆盖层主要由粉砂土与砂砾石组成,坝基岩性为单一的结晶灰岩,左坝肩强风化厚度0.5 m～10 m,右坝肩强风化厚度0.5 m～7.5 m,边坡卸荷裂隙较发育。

坝顶处河谷宽度约100 m,拱坝的宽高比接近3.0,特性较差,左岸坝肩紧邻河谷存在发育缓倾角裂隙,易形成局部不利结构面组合,同时需考虑抗震设防,对坝肩抗滑稳定影响突出,故本工程没有修建拱坝的有利条件；坝址处无垭口,河道较为顺直,面板堆石坝方案主要由大坝、溢洪道、冲沙洞与输水洞组成,由于左岸存在河谷,溢洪道仅能布置于右岸,两条隧洞或者至少一条需布置于左岸,隧洞跨沟,且需要修建施工全断面围堰,建筑物结构与整体布置均较为复杂,故本工程不适宜修建面板堆石坝。综上所述,除拱坝与面板堆石坝外,适合本工程的坝型为重力坝。

(2）筑坝材料

拟定采用重力坝中埋石混凝土重力坝和堆石混凝土重力坝两种不同材料进行比较。

埋石混凝土重力坝施工简单,为常见坝型,施工技术比较成熟,存在的不利因素：施工过程中需振捣,浇施工层厚较小,施工进度较慢,埋石率难以控制,施工过程中存在埋石不均匀,施工质量不易控制。

堆石混凝土重力坝施工工艺与埋石混凝土重力坝基本一致,为新研究的建筑材料,其优势为施工过程中无需振捣,浇施工层厚1.5 m～2.0 m,施工进度较快,质量易把控,存在的不利因素为：外加剂对砂石骨料要求比较严格,须随时现场调整配合比进行检测。

埋石混凝土重力坝工程直接费为3782.50万元,堆石混凝土重力坝大坝建筑工程投资为3662.37万元,埋石混凝土重力坝投资高120.13万元,故最终选取堆石混凝土重力坝。

2.6 表孔型式确定

木桶沟水库泄洪建筑物采用开敞式溢流表孔,为最大程度降低泄水建筑物对下游冲刷影响,在降低工程投资的情况下减小下泄单宽流量,结合地形及建筑物布置,考虑采用堰顶无闸方案（方案一）与堰顶设闸方案（方案二）进行对比,具体比较见表4。

表4 表孔型式比较表

通过比较可知,方案一较方案二混凝土方量增加仅0.15万m3,增加的工程造价为74.5万元,而方案二中金属结构及启闭设备工程造价为292万元,方案二较方案一水位仅降低了0.5m,但直接费增加217.5万元,且方案一单宽流量较小,故溢流表孔采用堰顶无闸方案。

2.7 坝体结构

木桶沟水库枢纽工程由非溢流坝段、溢流坝段、冲沙底孔及引水设施等组成,坝轴线长度116.0 m。

①非溢流坝段

非溢流坝段最大坝高为34.0 m,上游面在高程1206.00 m以上直立,以下为1∶0.2斜坡。下游面在高程1225.00 m以上为直立,以下坡比为1∶0.7,坝顶宽度为5.0 m。

②溢流坝段

溢流坝段宽度24.0 m,堰顶上游采用椭圆曲线,下游采用WES幂曲线,堰顶高程1226.80 m,溢流表孔设一道中墩,厚度均为2.0 m,采用挑流消能,挑流鼻坎顶高程1206.40 m,挑射角20°。堰面曲线在高程1225.37 m处接坡比1∶0.8的直线段,直线段延伸至高程1209.55 m处与反弧段相接,反弧半径R=10.0 m。

③冲沙底孔

冲沙底孔布置在溢流表孔左侧,由进口闸室段、洞身段、出口闸室段和挑流鼻坎段组成。进口闸室段布置事故检修平板钢闸门,进口底板高程1206.00 m,闸门孔口尺寸为2.2 m×2.2 m（宽×高）。洞身段长度15.15 m,采用0.5 m厚抗磨蚀钢筋砼+0.5m厚常态钢筋砼浇筑于坝体内,尾部设坡比1∶10压坡段,使洞身尺寸由2.2 m×2.2 m（宽×高）渐变至2.2 m×1.8 m（宽×高）。出口闸室段长10.15 m,设置弧形工作闸门,采用卷扬机启闭,末端布设挑流鼻坎。

④引水设施

引水设施紧邻冲沙底孔布置,包括生态基流管与引水管道,其中生态基流管采用DN125钢管,规格为φ133×4.5 mm。引水管道采用DN500钢管,钢管采用Q235B材料,管道规格为φ529×8 mm。

2.8坝体稳定与应力

根据《混凝土重力坝设计规范》（SL 319-2018）采用抗剪断强度公式计算坝基面的抗滑稳定安全系数,其中坝基基础面积A=28.9 m2；坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数f'=0.85；坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力c'=0.8 MPa,大坝基础位于弱风化中部至上部的结晶灰岩上,地基承载力为2.0 MPa,具体成果见表5。

表5 坝体应力及坝体抗滑稳定计算成果表

根据计算,在各种工况下,大坝设计断面在各种工况下均能满足抗滑稳定及坝体应力要求。

2.9筑坝材料

本工程为堆石混凝土重力坝,根据相关规范确定坝体材料分区,以满足大坝物理学性能与耐久性的混凝土材料。坝体材料主要分为以下5区：Ⅰ区为下游水位以下1.0 m厚度范围内面层混凝土,采用C20W4F100堆石混凝土；Ⅱ区为坝体上游面1.0 m厚度表面混凝土,采用C25W6F100高自密实性能混凝土作为防渗面板；Ⅲ区为坝体内混凝土,采用C15W4F100堆石混凝土；Ⅳ区为溢流表孔溢流面、冲沙底孔泄流表面,采用C40W6F100抗冲耐磨混凝土；Ⅴ区为闸门槽、闸墩处混凝土,采用C25W6F100常态混凝土。

3、结语

留坝县木桶沟水库工程采用的堆石混凝土重力坝设计方案,其核心为自密实混凝土技术,在保证大坝质量基础上,通过减少坝体的水化热与增加浇筑层厚,从而实现加快施工降低工程造价的目标,故木桶沟水库采用该技术有助于项目早日建成,对改变留坝县城现状供水和保证经济发展具有重要意义。

文章来源:艾伟.汉中市留坝县木桶沟水库大坝工程设计研究[J].陕西水利,2024,(11):147-148+152.