淺談黃地臺(tái)水庫導(dǎo)流輸水洞的方案比選

雷 蕾

（陜西水環(huán)境工程勘測設(shè)計(jì)研究院 陜西 西安 710018）

1 工程概況及工程選址

1.1 工程概況

黃地臺(tái)水庫位于志丹縣城西北約21km處的黃溝溝口，距順寧鎮(zhèn)2.0km，以攔沙、供水為主，兼有防洪等綜合效益的Ⅳ等?。?）型工程，總庫容879.1萬m3，死庫容500萬m3，興利庫容150萬m3，滯洪庫容229.1萬m3。樞紐工程由大壩、溢洪道、導(dǎo)流輸水洞及輸水建筑物三部分組成，相應(yīng)主要建筑物為4級，次要建筑物為5級，臨時(shí)建筑物為5級。水庫樞紐工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇設(shè)計(jì)，500年一遇校核，相應(yīng)的洪峰流量分別為473m3/s和741m3/s。

1.2 工程選址

結(jié)合黃溝的地貌、地形及地質(zhì)條件，初選上、下兩壩址。上壩址距黃溝溝口約3.0km，壩址以上流域面積25.2km2；下壩址距黃地臺(tái)溝溝口約0.7km，壩址以上流域面積31.0km2。

2 水文地質(zhì)情況

2.1 水文

黃地臺(tái)溝又名黃溝，系周河右岸一級支流，流域面積31.6km2，河道長13.7km，河道平均比降13.8‰。在輸沙量計(jì)算的過程中，在考慮了上世紀(jì)六十年代的大水大沙時(shí)段的同時(shí)，又考慮了近期的枯水枯沙時(shí)段。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，該河流大洪水一般發(fā)生在7月～9月，洪水陡漲陡落，峰型略瘦，一次洪水過程一般在24小時(shí)左右。經(jīng)計(jì)算，黃地臺(tái)水庫上、下壩址處的徑流、泥沙及設(shè)計(jì)洪水如表1所示。

2.2 地質(zhì)

上壩址壩區(qū)河谷呈“V”型，階地堆積物二元結(jié)構(gòu)清晰，上部黃土，下部砂礫石層。壩區(qū)兩岸沖溝發(fā)育，地形破碎，沖溝深10.0 m～30.0 m，溝底局部基巖裸露，有少量崩坡積堆積。壩區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，沒有發(fā)現(xiàn)斷層、褶皺，巖層產(chǎn)狀平緩，傾向N W，傾角2°～3°。

下壩址壩區(qū)河谷呈不對稱“U型”，階地堆積物二元結(jié)構(gòu)清晰，上部堆積層有粉土、黃土，下部以砂礫石為主。壩區(qū)河谷兩岸沖溝較多，地形破碎，多呈“V”型，壩區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，巖層產(chǎn)狀平緩，巖層走向N 10°～70°，傾向NW傾角2°～3°，沒有發(fā)現(xiàn)斷層，但層面裂隙發(fā)育。

表1 黃地臺(tái)水庫上、下壩址處水文情況統(tǒng)計(jì)表

表2 上下壩址導(dǎo)流輸水洞主要工程量對比表

3 洞線方案比選

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL279-2002）洞線布置原則，水工隧洞應(yīng)綜合考慮地形、地質(zhì)、水力學(xué)、施工、運(yùn)行、沿線建筑物、樞紐總布置及對周圍環(huán)境的影響等因素，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選定。本次洞線的選擇結(jié)合上、下壩址兩條壩線，共選擇3條洞線方案，分別為：上壩址左岸、右岸及下壩址右岸。

3.1 上壩址左、右洞線方案比選

該水工隧洞首先需要滿足施工導(dǎo)流時(shí)的要求，底板高程的選擇既要滿足施工期導(dǎo)流的要求，同時(shí)又要滿足導(dǎo)流洞的施工要求，經(jīng)綜合分析，上壩址導(dǎo)流洞進(jìn)口高程選定為1325.0 m即可滿足要求。上壩址左岸、右岸兩條洞線孰優(yōu)孰劣，就需要進(jìn)行洞線方案比選后確定。

從洞線平面布置來看，依據(jù)規(guī)范要求，隧洞的平面布置應(yīng)力求直線，以期達(dá)到洞線最短、工程量最小，對洞內(nèi)水流條件最有利的最優(yōu)目標(biāo)。結(jié)合黃地臺(tái)水庫的實(shí)際地形地貌條件，導(dǎo)流洞無法進(jìn)行直線布置：右岸洞線存在兩處轉(zhuǎn)彎，左岸洞線存在一處轉(zhuǎn)彎。因此在平面布置方面，右岸洞線更優(yōu)。

從洞線縱向布置情況來看，右岸洞線縱向剖面分別為黃土、砂巖，基巖頂板線高程在1350 m左右，強(qiáng)風(fēng)化下限在1338m處，洞身段全段置于基巖內(nèi)，85%以上洞段置于弱～微風(fēng)化砂巖（Ⅲ類圍巖）中，圍巖條件良好。左岸洞線縱向剖面分別為黃土、砂礫石和砂巖，其中砂礫石層位于1322 m～1331 m之間，洞身全段會(huì)從砂礫石層中穿過。這層砂礫石層為強(qiáng)透水層，將會(huì)使隧洞的成洞及防滲處理存在嚴(yán)重的問題。因此，在洞線的縱向布置方面，右岸洞線更優(yōu)。

綜上所述，上壩址的左岸、右岸導(dǎo)流洞洞線方案進(jìn)行比選后，舍棄左岸洞線方案，選擇右岸洞線方案。

表3 導(dǎo)流輸水洞無壓與有壓型式比較表

3.2 上、下壩址洞線方案比選

由于本次樞紐布置涉及到上、下兩個(gè)初擬壩址，因此需要對上、下壩址導(dǎo)流輸水洞的洞線方案做出比選，以便對壩址的比選提供一定的依據(jù)。由前述可知，此次上、下壩址的洞線方案比選為上壩址右岸洞線方案及下壩址右岸洞線方案。

從地質(zhì)剖面情況分析，上、下壩址的右岸洞線方案均具有成洞條件，但從進(jìn)出口高程的銜接分析，下壩址導(dǎo)流洞洞線出洞相對較早，需要一段比較長的出水渠將來水導(dǎo)出，這段明挖會(huì)在一定程度上增大開挖的工程量及產(chǎn)生開挖高邊坡的風(fēng)險(xiǎn)。

從施工角度分析，該導(dǎo)流洞需要有施工期度汛功能。通過對上、下壩址導(dǎo)流洞度汛的水力計(jì)算，上壩址導(dǎo)流洞橫斷面3.0 m×4.5 m，洞長619.57 m；下壩址導(dǎo)流洞橫斷面2.5 m×3.5 m，洞長371.64 m；下壩址導(dǎo)流洞在這段洞挖量上略小于上壩址導(dǎo)流洞。

從與其他建筑物的關(guān)系分析，下壩址雖然在出水渠明挖方面不具有優(yōu)勢，但這段洞線與溢洪道尾水渠軸線靠近，出水渠的先期開挖會(huì)成為溢洪道尾水渠開挖的一部分，從而減少溢洪道的開挖量。上下壩址的導(dǎo)流洞主要工程量如表2所示。

綜上所述，在上壩址右岸導(dǎo)流洞線和下壩址右岸導(dǎo)流洞線的方案比選中，綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面，首推下壩址右岸洞線方案。

4 下壩址右岸導(dǎo)流輸水洞型式比選

針對首推的下壩址右岸洞線方案，導(dǎo)流輸水洞的型式選擇有兩種方案：①無壓洞方案，②有壓洞方案。本次設(shè)計(jì)對兩種方案的工程量及運(yùn)行方式的優(yōu)缺點(diǎn)等綜合比選，具體見表3導(dǎo)流輸水洞無壓與有壓型式比較表。

因此，經(jīng)過各方面的方案比選，單從導(dǎo)流輸水建筑物這個(gè)單項(xiàng)工程出發(fā)，首推下壩址右岸無壓洞方案。其后，有關(guān)導(dǎo)流輸水洞各項(xiàng)分析計(jì)算和設(shè)計(jì)完善，都將會(huì)以此方案為基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。

5 結(jié)語

本文通過對黃地臺(tái)水庫導(dǎo)流輸水洞地質(zhì)、施工、與沿線建筑物的關(guān)系等方面的分析，依據(jù)水力學(xué)、工程量的計(jì)算和投資的估算，經(jīng)過方案比選得出以下結(jié)論：①針對黃地臺(tái)水庫的具體條件，上下壩址初擬的導(dǎo)流輸水洞洞線方案的優(yōu)略性依次排序?yàn)椋合聣沃酚野抖淳€>上壩址右岸洞線>上壩址左岸洞線；②黃地臺(tái)導(dǎo)流洞采取導(dǎo)流與輸水、放空相結(jié)合的永臨結(jié)合方案，通過對導(dǎo)流輸水洞型式、主要工程量及優(yōu)缺點(diǎn)的方案比選，最終確定該水工隧洞的布置方案。該方案已在黃地臺(tái)工程設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。③同時(shí)我們應(yīng)該認(rèn)識到，水工隧洞作為樞紐中的一項(xiàng)單項(xiàng)工程，多角度多因素的方案比選在確定其自身的布置方案的同時(shí)，也能夠?yàn)閴沃繁冗x，樞紐布置提供重要依據(jù)。整個(gè)樞紐方案的最終確定，是所有建筑物聯(lián)動(dòng)分析的結(jié)果，各單項(xiàng)建筑物的方案比選過程既獨(dú)立又統(tǒng)一，以發(fā)揮最大的優(yōu)勢為最佳。