泄水建筑物三种泄水工程形式比选

　　摘    要：　某水库位于新疆吐鲁番市托克逊县境内, 是重要的山区水库, 由于工程泄水建筑物受挡水建筑物自身条件工程区地形地貌、地质条件限制, 拟定了三种泄水建筑物设计方案。经比选, 综合考虑该工程地形地貌、地质条件、施工、运行管理和投资因素等, 最终选择正堰明流溢洪洞方案。

　　关键词：　水库工程; 泄水建筑物; 溢洪洞; 溢洪道; 方案比选;

　　Abstract：　A reservoir is located in Tuokexun County, Turpan City, Xinjiang which is an important reservoir in mountainous areas.Three design schemes of discharge structures have been worked out because of the topographic and geological conditions of the retaining structures in the engineering area.After comparison, considering the topography, geological conditions, construction, operation management and investment factors of the project, the plan for the flood discharge tunnel is finally selected.

　　Keyword：　reservoir project; draining building; spillway; scheme comparison;

　　1 引言

　　某水库位于新疆吐鲁番市托克逊县境内, 是重要的山区水库。工程主要开发任务为满足下游农业灌溉用水要求, 兼顾向工业供水, 遏制地下水超采。水库工程总库容1 440m3, 灌溉面积2.58万亩, 工业供水750万m3。由于工程泄水建筑物受挡水建筑物自身条件和工程区地形地貌、水文地质条件等因素限制, 需要对泄水建筑物形式进行选择。因此, 根据工程具体相关条件, 初拟了正堰溢洪道、正堰明流溢洪洞和环形竖井泄洪洞三种泄水工程形式进行比较, 以期获得最佳方案。

　　2 泄水建筑物方案拟定

　　拟建某水库位于托克逊县伊拉湖乡西南侧乌斯通沟, 距县城55km, 托克逊县位于吐鲁番盆地西部、天山博格达峰南麓, 北距乌鲁木齐162km, 与乌鲁木齐县毗邻;南抵库鲁克塔格山, 与尉犁县相邻;西邻和硕、和静两县, 东与吐鲁番市高昌区为邻。

　　水库所在地处天山中段天格尔山东部的低山区, 最高山峰海拔3 981m, 流域平均高程2 045m。坝址区水文地质条件较简单, 地下水类型为基岩裂隙水和第四系孔隙水, 坝区河水、地下水化学类型均为HCO3-Ca·Mg (K+Na) 型, 属弱碱性水, 河水、地下水对混凝土及钢结构均无腐蚀性。

　　本水库设计主要依据规程规范要求, 参照国内外同类坝型所总结的经验, 结合本工程自然地理条件、天然建材及枢纽总布置要求等综合因素来设计。根据选定的枢纽布置方案, 枢纽工程主要建筑物由沥青砼心墙砂砾石坝﹑左岸灌溉放水洞、右岸溢洪洞、导流冲砂兼放空洞等组成。水库总库容1 440万m3, 拦河坝坝高73.0m。泄洪建筑物为3级建筑物, 设计洪水标准为50年一遇, 洪峰流量为240m3/s, 水库调洪后相应最大下泄流量为212m3/s;校核洪水标准1 000年一遇, 洪峰流量为615m3/s, 水库调洪后相应最大下泄流量为556m3/s, 消能防冲设计洪水标准为30年一遇, 洪峰流量为185m3/s, 水库调洪后相应最大下泄流量为172.0m3/s。

　　本工程泄水建筑考虑到可采用导流洞和溢洪建筑二者联合泄流, 因导流洞为深孔闸门控制泄洪, 可能出现失效情况[1], 基于安全可靠度考虑, 导流洞参与泄流能力作为安全储备, 故在设计、校核洪水标准时只考虑溢洪道 (洞) 泄洪。

　　本工程挡水建筑物为沥青砼心墙砂砾石坝, 由于坝顶不能过流需要在坝外单独设置泄水建筑物, 故泄洪建筑物采用岸坡式。根据地质、地形地貌特点, 把泄洪建筑物设置在右岸泄流和出流均比较平顺[2], 并考虑地形陡峭, 竖井式泄洪洞可以有效避免较大开挖量, 因此在右岸采用正堰溢洪道、正堰明流溢洪洞和环形竖井泄洪洞三种形式进行技术经济比较[3]。

　　2.1 正堰溢洪道方案

　　溢洪道布置在右岸, 采用直线布置, 纵轴与大坝轴线夹角为105.25°, 为开敞式岸边溢洪道。溢洪道包括进水渠、控制段、泄槽和消能防冲设施四部分组成, 全长327.94m。

　　进水渠采用平坡, 底板高程896.0m, 长约24m, 左侧采用衡重式砼导流墙, 顶高程为907.0m, 顶宽1m, 底宽4m, 右侧利用开挖后边坡进行砼喷锚支护, C25砼200mm厚。

　　控制段正堰采用驼峰堰+闸门控制, 驼峰偃顶高程为898.0m, 闸门顶高程为905.0m, 控制段末端接泄槽段, 长26m。两侧采用衡重式砼挡墙, 顶高程为910.0m, 顶宽1m, 末端底宽4.5m。

　　根据地形, 泄槽沿山坡而下, 泄槽采用矩形断面, 总长246.44m, 上缓坡段底板高程由895.90至884.50m, 长122.65m, 其中60.66m长穿过右坝肩, 采用宽8m, 高9.5m的箱涵, 箱涵厚1.5m;其后为长123.79m的陡槽, 纵坡为1:2。泄槽采用钢筋砼结构, 底宽8m, 泄槽底板厚度1.0m, 陡槽上采用阶梯消能, 台阶高为1m, 宽0.5m;侧墙高受考虑采用波动和掺气后的校核水面线加超高水深和挡大坝右侧坝坡高控制, 高度为7.8―4.5m。

　　由于河床砂砾石厚度较大, 因此采用底流消能, 根据河床地形, 消力池宽采用渐扩型式, 进口宽同溢洪道为8m, 末端宽12m, 经计算消力池深度为5m, 池长50m。出消力池后在河床里设50m长1m厚的C25砼护坦, 其后河道采用1m厚浆砌石护垫。

　　溢洪道的右岸存在高边坡的开挖, 在桩号X0+103附近F30、F31和F34三条断层互相切割, 溢洪道陡槽开挖后造成F30断层临空, 因此, 边坡存在安全隐患。最大边坡高度78m, 每15m设2m宽马道, 坡比根据地质情况分别采用1:0.5、1:0.75和1:1.25, 高边坡采用喷砼挂网及锚杆加强防护措施防掉落。

　　2.2 正堰明流溢洪洞方案

　　溢洪洞采用明流溢洪洞, 溢洪洞位于右岸坝肩位置, 与坝轴线夹角95.94°, 根据进水口地形, 进水渠底板高程为896m, 长6m, 平坡坡底。左侧与大坝相交, 为了减少泄流时横向水流对坝面的影响, 在进水渠左侧设砼导墙导流, 导流墙顶高程为907.0m, 顶宽1m, 底宽4.0m。

　　控制段采用2孔26.0m长, 6.0m宽的驼峰堰, 堰顶高程为898.0m, 控制段末端底板高程896.0m, 建基面高程893.0m, 基础为岩基。两侧为2m厚闸墩, 墩顶高程为910m, 断层处局部抠槽加大堰体厚度, 采用弧形闸门挡水。上部设置油泵房及检修闸门启闭台, 控制段末端采用桥宽6.0m交通桥与上坝公路相接。

　　溢洪洞采用明流洞泄洪形式, 洞身设计为城门洞形, 门洞底宽不变, 均为7.0m。经计算, 直墙高由11m渐变为4.0m, 拱内半径为3.5m;洞身泄槽段长304.14m, 按纵坡不同隧洞分为两段, 在桩号X0+000至X0+080.96洞纵坡为1:1, 在桩号Y0+080.96至Y0+304.14洞纵坡为1:34.3, 两段之间以半径为35m的圆弧相接;隧洞采用全断面衬砌, 衬砌厚度为1m。

　　溢洪洞末端出口接消力池, 消力池宽度由7m渐变为12m。经计算, 消力池池深5m, 池长70m, 消力池出口设1.0m高的消力坎, 后接20m长1m厚C25砼护坦, 其后两岸河床采用格宾护垫护坡50m。

　　2.3 环形堰竖井泄洪洞方案

　　竖井式溢洪道由环形溢流堰、竖井及水垫塘、退水隧洞及下游消能工组成。

　　环形溢流堰采用无闸环形实用堰, 堰顶高程905.0m, 与正常蓄水位齐平。进口采用防涡设计, 环形堰顶采用抛物线形, 上游曲线方程为:, 堰顶下游曲线方程, 堰顶半径10.5m。

　　竖井段采用内径为8.0m等直径圆形竖井, 井壁衬砌厚1.0m。为防止水流直接冲击竖井底板, 在竖井底部设消能水垫塘。水垫塘底高程比退水隧洞底板高程低10.0m, 为820.40m, 以形成稳定的水垫塘, 水垫塘尺寸为内径8m, 高10.0m, 水垫塘周围混凝土衬砌厚度为2m。

　　退水隧洞与导流洞结合布置。水垫塘后设长10m的压坡段, 压坡段净宽3m, 底坡为1%, 顶部压坡坡度为1∶6。压坡段后接长为320.5m的无压退水隧洞, 采用城门洞型断面, 断面尺寸为7.0m×10.5 (宽×高) , 采用全断面钢筋混凝土衬砌, 衬砌厚度为0.6m。在退水隧洞首端设直径1m的通气孔, 沿竖井下游侧井壁延伸到高程910.0m。

　　压坡段和水垫塘周围衬砌混凝土强度等级为C40W6F200, 其余衬砌混凝土强度等级C25 W6F200。

　　退水隧洞末端出口接消力池, 消力池宽度由7m渐变为12m。经计算, 消力池池深5m, 池长50m, 消力池出口设1.0m高的消力坎, 后接20m长1m厚C25砼护坦, 其后两岸河床采用格宾护垫护坡50m。

　　3 方案比选

　　3.1 地形、地质条件比较

　　从地质角度考虑, 本工程泄水建筑物采取竖井泄洪洞、溢洪洞与溢洪道方案均可行。比较而言, 竖井方案与溢洪洞方案相对较优。主要原因是由于溢洪道泄槽段需深切一突出山嘴, 其开挖边坡较高 (最高达78m) , 边坡主要处于强风化岩体内, 顺坡向卸荷裂隙发育, 且边岩体主要受到F30、F31、F34三条断层组合切割, 虽经赤平极射投影法与边坡稳定的历史分析法分析, 其边坡整体基本稳定, 但坡体受断层切割较强, 顺坡向卸荷裂隙发育, 而且后侧山坡陡立, 其坡顶有卸荷松驰岩体分布, 山体在较大范围内的爆破强扰动下, 边坡稳定性尚存在一定风险。

　　竖井方案与溢洪洞方案的洞身段上覆有效岩体厚度均大于2倍洞径, 具备成洞的基本条件, 但出口平洞段有约80m长洞段的围岩主要处于崩坡积碎块石夹碎石土内, 可采取提前进洞, 或明挖清除。而溢洪道方案同样需通过该崩塌堆积体, 其边坡稳定性差, 亦需对崩塌堆积体进行清除处理。

　　表1泄洪建筑物型式技术经济指标比较表表

　　3.2 施工比较

　　竖井方案与溢洪洞方案:洞身布置在右岸山体内, 轴线接近垂直坝轴线布置, 末端出口靠近临时道路。施工过程中主要建材、出渣均可通过隧洞运输, 施工干扰小, 施工略优。

　　溢洪道方案:溢洪道的进口控制段、泄槽段均坐落在山体基岩上, 仅消能段靠近临时道路, 施工过程中由于混凝土钢筋等建材均需通过坝后公路运输, 与大坝主体工程有一定的施工干扰, 施工略差。

　　3.3 运行管理比较

　　溢洪道便于巡查, 出现问题较洞子易于维修。但由于风化等原因, 且本工程位于地震区, 其上滚石掉块现象难以治理, 存在安全隐患。偏于安全角度考虑, 溢洪道方案、竖井方案与溢洪洞方案各有优缺点。

　　3.4 投资比较

　　正堰明流溢洪洞方案比正堰溢洪道方案投资少385.90万元, 比竖井式泄洪洞方案投资少926.10万元, 且有效避免高边坡开挖及防护问题, 两个方案技术经济比较见表1。

　　3.5 方案推荐

　　从地形地貌、地质、施工、运行管理及投资等综合比选, 正堰明流溢洪洞方案优于其他方案, 因此, 本阶段推荐采用正堰明流溢洪洞方案。

　　4 结论及建议

　　吐鲁番本地已建水库泄水建筑物多采用溢洪道泄水, 本工程溢洪洞泄水方案是从地形地貌、地质、施工、运行管理及投资等多方因素综合比选研究后, 在吐鲁番市首次作为优选方案进行推荐。总之, 水库泄水建筑物方案的推荐还需结合多方因素综合比选而确定。这样才能优化工程设计, 节约工程成本, 使工程发挥更好的效益。

　　参考文献：

　　[1]陈正虎.三峡大坝泄洪深孔缺陷原因分析及处理对策.人民长江, 1001-4179 (2013) 07-0091-04.
　　[2]蒙福强.长河坝水电站泄水建筑物的布置月与设计[J].四川水利发电, 2016, 35 (01) :18-21.
　　[3]张静.金家沟水库泄水建筑物方案比选.水利科技与经济, 2015 (2) :35-36.