石樓縣坪底供水工程取水樞紐設(shè)計(jì)方案比選

程 亮

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原030024）

1 工程概況

石樓縣坪底供水工程地處屈產(chǎn)河中游坪底河段。2009年1月，省發(fā)改革委對(duì)該工程的初步設(shè)計(jì)進(jìn)行了批復(fù)，同意推薦的重力壩壩型及樞紐建筑物設(shè)計(jì)方案（6孔溢流表孔加1孔泄流底孔方案）。后因諸多原因，該工程未能實(shí)施。

2012年7月，我院受業(yè)主委托，重新進(jìn)行該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作。由于該工程任務(wù)變化，供水規(guī)模增大，原批復(fù)的工程規(guī)模不能滿足現(xiàn)在的需要，因此又進(jìn)行了設(shè)計(jì)方案的比選，但是該工程的壩址、壩型仍采用原方案，僅對(duì)建筑物的布置和規(guī)模進(jìn)行了調(diào)整。

2 設(shè)計(jì)方案

大壩典型剖面分為擋水壩段、底孔壩段和溢流壩段三種型式：

擋水壩段為標(biāo)準(zhǔn)重力壩型，典型剖面尺寸為壩頂寬度5.0 m，上游壩面為豎直面，下游壩坡坡比1:0.75。

底孔壩段是在重力壩體型基礎(chǔ)上，在壩體內(nèi)中設(shè)置沖砂泄洪底孔，并在大壩上游側(cè)布置進(jìn)水塔，設(shè)置檢修閘門(mén)1道，在大壩下游側(cè)布置閘墩和弧形工作閘門(mén)1道，下游通過(guò)直線段和反弧段與消力池相連。

溢流壩段堰面曲線在堰頂高程上游側(cè)采用三圓弧曲線，下游側(cè)采用WES冪曲線，曲線下游設(shè)直線段和反弧圓曲線段與消力池相接。堰頂每孔設(shè)置檢修閘門(mén)和工作閘門(mén)各1道，閘墩頂設(shè)寬5m的工作橋與兩側(cè)壩頂相通。大壩橫剖面如圖1所示。

圖1 大壩橫剖面圖

針對(duì)供水量增加、規(guī)模增大的實(shí)際情況，我院在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)水庫(kù)的調(diào)度方式、消能防沖、泄流建筑物的布置及減少開(kāi)挖工程量等問(wèn)題進(jìn)行了重點(diǎn)研究，針對(duì)沖砂底孔與溢流表孔的相對(duì)位置及其尺寸大小，我們列出了3個(gè)方案并分別進(jìn)行了研究分析。

2.1 方案一“1孔泄流底孔+6孔溢流表孔”

壩頂總長(zhǎng)129.5m，壩頂高程+30.0 m（以壩址主河槽最低處地面高程為0.0 m，下同），最大壩高37.0 m。大壩由左、右岸擋水壩段和溢流壩段3部分組成。左岸擋水壩段長(zhǎng)26.0 m；右岸擋水壩段長(zhǎng)15.0 m，河床中間布置72.5m長(zhǎng)溢流壩段，并在溢流壩段與右岸擋水壩段之間設(shè)16m長(zhǎng)底孔壩段。

溢流壩段共設(shè)6孔溢流表孔，孔口凈寬10 m，堰頂高程+17.5；底孔壩段緊鄰溢流壩段設(shè)單孔有壓底孔，斷面為4m×4m，底高程+4.5m，出口頂部設(shè)置1:6壓坡段，出口斷面4m×3.5m。

取水方式采用庫(kù)區(qū)取水，在庫(kù)區(qū)右岸距大壩約65m處凹岸，新建一座圓形深井式泵房，布置3臺(tái)長(zhǎng)軸深井泵，2臺(tái)工作，1臺(tái)備用。泵房與庫(kù)岸以交通橋連接。

樞紐平面布置如圖2所示。

圖2 方案一平面布置圖

2.2 方案二“2孔泄流底孔+4孔溢流表孔”

壩頂總長(zhǎng)129.5m，壩頂高程+30.0 m，最大壩高37.0 m。大壩由左、右岸擋水壩段，左、右岸溢流壩段及中間底孔壩段5部分組成。左岸擋水壩段長(zhǎng)22m；右岸擋水壩段長(zhǎng)19.5m，左、右岸溢流壩段均為32m，底孔壩段布置在兩溢流壩段中間，長(zhǎng)24m。

左、右岸溢流壩段各設(shè)2孔溢流表孔，單孔凈寬12m，堰頂高程+17.5m；底孔壩段共設(shè)2孔有壓底孔，斷面為6m×6m，底高程為+4.0 m，出口頂部設(shè)置1:6壓坡段，出口斷面6m×5.3m。取水方式同方案一。

樞紐平面布置如圖3所示。

圖3 方案二平面布置圖

2.3 方案三“2孔泄流底孔+3孔溢流表孔”

壩頂總長(zhǎng)134.1m，壩頂高程+30.5m，最大壩高37.5m。大壩由左、右岸擋水壩段、溢流壩段和底孔壩段4部分組成。左岸擋水壩段長(zhǎng)35.6m，右岸擋水壩段長(zhǎng)19.5m，溢流壩段長(zhǎng)51m，底孔壩段位于左岸擋水壩段與溢流壩段之間，長(zhǎng)28m。

溢流壩段共設(shè)3孔溢流表孔，孔口凈寬12m，堰頂高程+16.0 m；底孔壩段共設(shè)2孔有壓底孔，底高程+4.5m，其他尺寸同方案二。

取水方式采用庫(kù)區(qū)取水，以底孔壩段進(jìn)水塔邊墻為基礎(chǔ)，建一座深井式矩形泵房，布置3臺(tái)長(zhǎng)軸深井泵，2臺(tái)工作，1臺(tái)備用。泵房與壩頂直接相通。

樞紐平面布置如圖4所示。

圖4 方案三平面布置圖

3 設(shè)計(jì)方案比選

3.1 供水量

依據(jù)該工程的水文條件和各建筑物的泄流能力，進(jìn)行調(diào)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各方案洪水調(diào)節(jié)成果果表

三個(gè)方案的年供水量相同。方案三總庫(kù)容分別大于方案一、二91萬(wàn)m3和81萬(wàn)m3，其校核洪水位比方案一、二分別高出0.86m和0.79m。

3.2 消能防沖

可供選用的消能方式主要有：底流消能、挑流消能和面流消能。

1）挑流消能

按正常蓄水位+23.5m時(shí)，相應(yīng)的下游水位為+8.79m。依據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319-2005）5.4.1條，挑流鼻坎最低高程，宜高出設(shè)計(jì)洪水時(shí)下游水位，經(jīng)計(jì)算分析，最終確定鼻坎高程+9.043m。

上游庫(kù)水位至鼻坎頂?shù)母叱蘃=23.5-9.043=14.457m，依據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319-2005）附錄A.4.1提供的公式計(jì)算挑距和沖坑深度。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 挑流計(jì)算成果表

該消能方式存在的問(wèn)題：

（1）底孔段因出口底板高程為+4.0 m，遠(yuǎn)低于下游水位+8.79m，不宜布置挑流；

（2）左岸地形高程+9.0～+16.0 m，沖坑底高程-7.0 m，會(huì)危及底孔壩段的消力池邊墻安全，且左岸地勢(shì)較高，使水流出流不暢，為使水流盡快回歸主河槽，開(kāi)挖量很大；

（3）大流量時(shí)，挑距尚可滿足要求。但小流量時(shí)，挑距短，危及大壩基礎(chǔ)。

因此該工程不宜采用挑流方案。

2）面流消能

面流消能也是主要的消能方式之一。其優(yōu)點(diǎn)：主流在表面，距有底部旋滾，河床加固費(fèi)用少，開(kāi)挖量較少；缺點(diǎn)是：水流銜接型式復(fù)雜多變，不易控制，下游有較大波浪，適合下游水深大，且變幅小的情況。若該工程要實(shí)施面流消能，存在3個(gè)問(wèn)題：

（1）左岸溢流壩段下游河床高程+9.0～+16.0 m，高出了下游水面高程+8.79m，該段下游無(wú)水，不具備形成面流的條件。

（2）對(duì)右岸溢流壩段和底孔壩段，在設(shè)計(jì)洪水條件下，下游的最大水深為9.79m，對(duì)應(yīng)的無(wú)坎時(shí)躍后水深為9.85m，二者基本相當(dāng)，形成面流較困難。

（3）壩址區(qū)河床坡度較陡，為1%左右,壩下游洪水變幅大，對(duì)形成面流消能不利。

綜上，雖然面流消能可減少開(kāi)挖量，節(jié)省河床加固費(fèi)用，但不適合本工程。

3）底流消能

原設(shè)計(jì)方案就是底流消能，壩后設(shè)表孔和底孔共用的消力池，消力池后布置海漫。該方案存在開(kāi)挖工程量大的問(wèn)題。因大壩設(shè)計(jì)洪水和校核洪水時(shí)泄量分別為2715m3/s和5235m3/s，流量大，泄流建筑物長(zhǎng)度占整個(gè)大壩長(zhǎng)的比例大；而河道在壩址區(qū)由左岸奔向右岸，主槽窄而深，兩側(cè)臺(tái)地起伏大，左岸最大開(kāi)挖深度達(dá)20 m，右岸局部達(dá)15m，更為嚴(yán)重的是右岸邊線距248省道邊線僅25m，若大規(guī)模開(kāi)挖，將影響到省道的安全。

當(dāng)庫(kù)區(qū)出現(xiàn)設(shè)計(jì)洪水時(shí)，壩下游水位+8.79m，出現(xiàn)校核洪水時(shí)，壩下游水位+11.40 m。方案一和方案二左岸消力池寬度超出了天然河道的水面范圍，難以形成水躍，底流消能的條件不是很充分。而方案三消力池寬度未超出天然河道的水面范圍，可形成底流消能。

根據(jù)以上資料，從消能防沖的條件看，方案三優(yōu)于方案一和方案二。

3.3 工程量及投資

三種方案的主要工程量及投資見(jiàn)表3。

表3 主要工程量及投資對(duì)照表

方案三投資最少，優(yōu)于方案一和方案二。

3.4 運(yùn)行管理

庫(kù)區(qū)沖砂效果方案二和方案三優(yōu)于方案一，泵站取水口處清淤效果方案三最優(yōu)。

方案一泄流建筑物由1孔底孔和6孔表孔組成，6孔表孔的開(kāi)啟調(diào)度方式復(fù)雜；方案二泄流建筑物由2孔底孔和4孔表孔組成，表孔布置在底孔兩側(cè)，調(diào)度困難，泄水時(shí)水力條件不好；方案三泄水建筑物由2孔底孔和3孔表孔組成，調(diào)度方便，水流條件較好。

從運(yùn)行管理方面來(lái)看方案三優(yōu)于方案一和方案二。

3.5 施工條件

方案一泄水建筑物長(zhǎng)度79.5m，消力池寬度大，兩岸開(kāi)挖深，開(kāi)挖工程量大，且需要對(duì)省道邊坡進(jìn)行防護(hù)；

方案二泄水建筑物長(zhǎng)度86m，消力池總寬度更大，開(kāi)挖工程量較方案一更大，仍需要對(duì)柳石公路高邊坡防護(hù)；

方案三泄流建筑物長(zhǎng)度72.5m，消力池寬度最小，開(kāi)挖工程量也最少,特別是避免右岸高邊坡開(kāi)挖，無(wú)需對(duì)248省道高邊坡進(jìn)行防護(hù)。

綜上所述，方案三在消能防沖、工程投資、運(yùn)行管理和施工條件等方面優(yōu)于方案一和方案二，因此選定方案三為工程最終的布置方案。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)方案的比選是方案設(shè)計(jì)階段的核心內(nèi)容，通過(guò)擬定可能實(shí)現(xiàn)的不同方案，逐一進(jìn)行對(duì)比分析，選擇施工難度小、投資總額少、投資效益大的相對(duì)最合理方案為工程的最終設(shè)計(jì)成果，以保證投資效率的最大化。