南水北調(diào)工程陶岔渠首樞紐布置設(shè)計(jì)

羅承昌

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 武漢 430014)

1 概述

陶岔渠首樞紐工程位于河南省淅川縣陶岔村、丹江口水庫(kù)東岸,是丹江口水庫(kù)的副壩,陶岔渠首閘初期工程于1974年建成,主要任務(wù)作為丹江口水庫(kù)副壩擋水,并承擔(dān)引水灌溉任務(wù)。工程運(yùn)行至今已30年,滿足了初期工程設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)南水北調(diào)中線工程規(guī)劃,丹江口水庫(kù)大壩加高后,正常蓄水位由157m抬高至170m,副壩必須進(jìn)行必要的加高、加固。

陶岔渠首樞紐作為南水北調(diào)中線輸水總干渠的渠首工程,承擔(dān)向北京、天津、河北、河南等城市的輸水任務(wù)。

因此,樞紐以供水和擋水任務(wù)為主,同時(shí)兼顧灌溉和發(fā)電。根據(jù)南水北調(diào)中線工程規(guī)劃,一期工程渠首閘設(shè)計(jì)引水流量350m3/s,加大引水流量420m3/s。電站裝機(jī)兩臺(tái),總裝機(jī)容量50MW。

2 地形及地質(zhì)條件

工程區(qū)地處北部伏牛山脈與南部武當(dāng)山系之間的狹長(zhǎng)低洼地帶,其西為中低山區(qū),東為南陽(yáng)盆地,總體呈西高東低的地貌景觀。地面高程一般為160～185m之間。閘址區(qū)內(nèi)出露有奧陶系中統(tǒng)中厚層灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖,此外有少量中-基形火成巖脈。巖石表面無(wú)統(tǒng)一連續(xù)風(fēng)化帶,垂直厚度一般不大于2m。工程區(qū)屬巖溶中等發(fā)育地區(qū)。地表巖溶形態(tài)以石芽、溶溝為主;閘基位于湯禹山背斜的一次級(jí)向斜核部,向斜西翼巖層傾向下游,傾角一般28°～38°,東翼巖層傾向上游,傾角較陡,一般64°～85°。主要發(fā)育北西西向斷層,多傾向下游,傾角一般大于45°,破碎帶物質(zhì)膠結(jié)較好。裂隙以NNE向較為發(fā)育,NWW向、NE向及NW向次之,傾角一般大于45°。中傾角裂隙主要見(jiàn)有兩組,傾向NE和SE,傾角30°～40°。

樞紐工程區(qū)處于相對(duì)穩(wěn)定地塊之上,工程區(qū)地震活動(dòng)微弱。地震基本烈度為VI度場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為0.05g。

3 樞紐總體布置

3.1 閘址及閘線選擇

陶岔閘初期工程運(yùn)行至今,沒(méi)有因閘址的問(wèn)題引起工程量的增加環(huán)境變壞等不利情況,陶岔壩址處初期工程已建引水閘及人工開(kāi)挖了上、下游渠道,渠首段較順直,地形完整,可作為新閘閘址。

經(jīng)過(guò)對(duì)老閘加固和易址重建方案進(jìn)行比較,從工程運(yùn)行安全和穩(wěn)定性、施工難易、建筑景觀、工程投資等方面進(jìn)行全面比較,重建方案工程投資省,施工相對(duì)簡(jiǎn)單。

在閘線選擇上,進(jìn)行了原閘線上游70m、原閘線、原閘線下游約80m三條閘線的比選。

(1)從地質(zhì)條件分析,上、原、下三條閘線,基巖頂板線依次抬高;三條閘線巖溶均較發(fā)育,下閘線相對(duì)較好,但構(gòu)造相對(duì)發(fā)育;三條閘線均無(wú)可靠防滲依托。

(2)從擋水建筑物長(zhǎng)度看,上閘線軸線長(zhǎng)度最長(zhǎng),原、下閘線長(zhǎng)度接近。

(3)從工程建設(shè)條件來(lái)看,下閘線可利用老閘作為施工圍堰,上線、原線老閘須全部拆除,如原線利用老閘,則電站建筑物建在岸邊,工程量大。

綜合分析,下閘線優(yōu)勢(shì)明顯,采用下閘線方案。

3.2 電站方案比選

在本工程水頭及流量條件下,電站發(fā)電水頭在6～24.86m之間,機(jī)組不適宜不發(fā)電僅過(guò)流的工況。故加電站方案中,引水閘工程規(guī)模不變,只在引水閘旁加設(shè)電站建筑物。

陶岔閘一般情況下均從電站直接引水。當(dāng)遇機(jī)組檢修等特殊情況,可從閘室直接引水。閘室和電站引水規(guī)模均滿足中線一期工程的要求,從工程運(yùn)用來(lái)看,增加電站不影響中線工程的調(diào)水。陶岔渠首修建電站后增加投資2.9億元,發(fā)電量可抵消增加投資,經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好。

3.3 總體布置

樞紐運(yùn)行期間,一般條件下干渠引水主要來(lái)自電站尾水渠,故樞紐布置比較中,電站布置在干渠主渠道、引水閘布置在右岸擴(kuò)寬處。由于電站占據(jù)了主渠道位置,引水閘的基坑需在右岸開(kāi)挖基巖形成,因此,在引水閘上、下游需要開(kāi)挖相應(yīng)的引水通道。樞紐建筑物主要有:初期工程已經(jīng)修建的上游約4.4km引渠、重力壩、引水閘及消力池、廠房建筑物。樞紐布置如圖1。

圖1 樞紐布置圖

4 主要建筑物

陶岔渠首樞紐工程壩軸線總長(zhǎng)265m,從左至右依次為左岸非溢流壩,安裝場(chǎng)壩段,廠房壩段,引水閘室段,右岸非溢流壩。

4.1 工程等別及洪水標(biāo)準(zhǔn)

丹江口水利樞紐正常蓄水位170.0m,校核洪水位174.35m,總庫(kù)容339.1億m3,為大 (1)型工程,南水北調(diào)中線工程為大型跨流域調(diào)水工程。丹江口水利樞紐、南水北調(diào)中線工程均為 I等工程。陶岔渠首樞紐作為丹江口水利樞紐的副壩,也是南水北調(diào)中線工程的渠首工程,其工程等別為I等工程。主要建筑物引水閘、河床式電站擋水建筑物部分、兩岸連接壩段等擋水建筑物以及上游引渠、下游總干渠為及上、下游導(dǎo)墻為1級(jí)建筑物,次要建筑物副廠房、開(kāi)關(guān)站等為3級(jí)建筑物。

本工程擋水建筑物設(shè)計(jì)與校核洪水位與丹江口大壩相同,設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期1000年,校核洪水重現(xiàn)期為10000年加20%。

根據(jù)總干渠運(yùn)用條件,確定閘下消能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為丹江口水庫(kù)正常蓄水位,引水閘引加大流量420m3/s。

4.2 引水閘

引水閘布置在渠道右側(cè),寬度38.5m,頂高程176.6m,從上游至下游依次布置有壩頂交通道、事故檢修門(mén)啟閉門(mén)機(jī)以及弧形工作門(mén)啟閉機(jī)房;在高程157.7m,寬15.4m,布置有閘下游檢修門(mén)平臺(tái)。

引水閘分3孔,邊孔為整體式結(jié)構(gòu),中孔采用孔中分縫。壩段寬15.5m,其中墩厚2.5m,孔口寬7m,閘總寬31m。

閘室順?biāo)飨蜷L(zhǎng)36.5m,其中進(jìn)口段13.75m,出口明渠段22.75m。孔口上部擋水部分設(shè)兩道胸墻,兩道胸墻間設(shè)事故檢修門(mén),有壓短管出口設(shè)弧形工作門(mén),出口明渠段設(shè)檢修門(mén)。

閘后設(shè)消力池,消力池順?biāo)飨蜷L(zhǎng)60m,寬36m,采用透水底板型式,池底板厚1.5m,底板設(shè)間排距2m×2m的排水孔和長(zhǎng)5m的錨筋,消力池后設(shè)尾坎,坎高1.5m,坎頂高程141m與原渠道底相接。水閘消力池和廠房尾水渠之間設(shè)廠閘導(dǎo)墻,消力池長(zhǎng)60m,廠閘導(dǎo)墻延伸至消力池尾坎后5m,總長(zhǎng)65m。

廠閘導(dǎo)墻斷面為梯形,頂寬1m,兩側(cè)坡度以與消力池、尾水渠邊坡對(duì)稱為原則設(shè)計(jì),消力池側(cè)坡度1∶0.3,尾水渠側(cè)坡度 1∶0.2。

4.3 擋水壩

陶岔渠首樞紐工程共分15壩段,其中1#～5#壩段為左岸非溢流壩,11#～15#壩段為右岸非溢流壩,除11#壩段寬為16m,其余均為18m。

左、右岸非溢流壩以橫縫分為各自獨(dú)立的結(jié)構(gòu),其基本剖面均為三角形,上游面直立,下游面坡比1∶0.7,壩頂寬6m,設(shè)上游人行道及防浪墻,下游人行道及欄桿。

閘室上游面與左、右岸非溢流壩上游面在同一平面內(nèi),即壩軸線剖面內(nèi)。6#壩段布置2座檢修門(mén)庫(kù),11#壩段布置 1座檢修門(mén)庫(kù),門(mén)庫(kù)尺寸為3.0m×7.0 m(長(zhǎng)×寬)。左、右岸非溢流壩基礎(chǔ)設(shè)基礎(chǔ)防滲帷幕灌漿廊道。

4.4 電站建筑物

陶岔水電站為一河床徑流式電站,水頭范圍為6.0～24.86m。電站裝機(jī)容量50MW,安裝兩臺(tái)大型貫流式水輪發(fā)電機(jī)組,單機(jī)容量25MW,機(jī)組裝機(jī)高程136.20m,水輪機(jī)直徑5.10m。

電站廠房布置于引水渠左側(cè),電站廠房軸線與壩軸線平行,沿軸線方向前緣總長(zhǎng)64.00m,其中主廠房沿軸線長(zhǎng)35.00m,安裝場(chǎng)沿軸線長(zhǎng)29.00m,安裝場(chǎng)布置在主廠房左側(cè)。廠房?jī)?nèi)裝有2臺(tái)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組及125t/32t橋式起重機(jī),尾水平臺(tái)設(shè)有1臺(tái)半門(mén)式尾水門(mén)機(jī)。

電站廠房部分,包括引水渠、進(jìn)水口、攔污柵、檢修閘門(mén)、主廠房、副廠房、尾水平臺(tái)、事故工作閘門(mén)及尾水渠。

廠房進(jìn)水口上游側(cè)設(shè)5.0m長(zhǎng)混凝土水平護(hù)面,護(hù)面頂高程 129.65m,低于進(jìn)水口底板高程130.65m,以防推移質(zhì)進(jìn)入流道,水平護(hù)面上游以1∶5坡度護(hù)至高程141.00m,與渠道底面銜接,由于電站進(jìn)水口底板高程低于引水渠渠道底部高程,為防止大量泥沙淤積廠前或推移質(zhì)進(jìn)入進(jìn)水口,仍需采取有效的防沙措施。

考慮到丹江口水庫(kù)庫(kù)容較大,引水干渠從水庫(kù)中取水,引水干渠中泥沙含量較少,特別是推移質(zhì)含量較少,從工程的正常運(yùn)行以及工程維護(hù)的角度綜合考慮,采用排沙方案。

因此,在電站廠房進(jìn)水渠前設(shè)置混凝土導(dǎo)沙順坎和丁坎一道,渠道內(nèi)的泥沙將由導(dǎo)沙坎直接導(dǎo)向引水閘,沖往下游,其中導(dǎo)沙順坎和渠道水流方向平行,丁坎和壩軸線方向成10°角,以利于導(dǎo)沙。導(dǎo)沙坎全長(zhǎng)約155.0m,頂部高程140.00m,坎頂高于渠道底部0.5m。

廠房尾水管出口處設(shè)10m長(zhǎng)混凝土水平護(hù)坦,護(hù)坦頂面高程為131.70m,與尾水管底板同高,水平護(hù)坦下游接1∶5反坡至高程141.00m,然后與渠道底面銜接。

4.5 上下游渠道

閘上游引渠段全長(zhǎng)約4.4km,原地面高程在160～185m之間,原設(shè)計(jì)渠底板高程140m,開(kāi)挖深度12～47m,渠底寬度30～35m,渠道開(kāi)口寬150～430m,渠邊坡主要由Q1、Q2及Q4粘性土構(gòu)成,局部渠段渠底及渠坡下部為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r及其殘積層。

上游引渠在初期工程開(kāi)挖過(guò)程中,曾發(fā)生過(guò)邊坡穩(wěn)定問(wèn)題,初期工程對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)的局部失穩(wěn)進(jìn)行了處理,對(duì)渠坡采取了坡面排水措施,并對(duì)渠坡下部用干砌石進(jìn)行護(hù)坡,運(yùn)行至今未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

鑒于渠坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)多為單一土層結(jié)構(gòu),少量渠段為上粘性土,下硬質(zhì)巖石結(jié)構(gòu)。

丹江口水庫(kù)蓄水至170m以后,水位上升13m,部分渠坡土體力學(xué)性質(zhì)將會(huì)有所降低,為防止水位變副帶可能出現(xiàn)的小規(guī)模失穩(wěn),對(duì)157m以上人工邊坡采用干砌石護(hù)坡,護(hù)坡后30cm,砂礫石墊層厚10cm。

由于在初期工程下游有約260m的渠道已按渠底寬40m建成,本階段利用此渠段約238m。閘下消力池及電站尾水渠采用圓弧段漸變與下游總干渠處平順連接,連接段兩側(cè)采用重力式混凝土擋墻,底板采用30cm厚的混凝土。