新疆某水庫(kù)溢洪道布置方案比選

張生財(cái)（吐魯番地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 吐魯番 838000）

新疆某水庫(kù)溢洪道布置方案比選

張生財(cái)
（吐魯番地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 吐魯番 838000）

某水庫(kù)工程位于新疆維吾爾自治區(qū)境內(nèi)，是山區(qū)重要控制性工程，水庫(kù)具有防洪、供水、灌溉等綜合利用效益?？刂乒喔让娣e10.7萬(wàn)畝，擔(dān)負(fù)下游工業(yè)園區(qū)、礦區(qū)和農(nóng)業(yè)灌溉的供水任務(wù)，本工程溢洪道設(shè)計(jì)方案由于地質(zhì)、地形地貌等條件的限制，對(duì)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行比選和優(yōu)化。

水庫(kù)工程；溢洪道；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 工程概況

某水庫(kù)工程位于新疆維吾爾自治區(qū)境內(nèi)，是山區(qū)重要控制性工程，水庫(kù)具有防洪、供水、灌溉等綜合利用效益?？刂乒喔让娣e10.7萬(wàn)畝，擔(dān)負(fù)下游工業(yè)園區(qū)、礦區(qū)和農(nóng)業(yè)灌溉的供水任務(wù)。工程壩址多年平均年徑流量為1.343×108m3，多年平均流量4.26m3/s。

工程樞紐部分主要建筑物由大壩、溢洪道、導(dǎo)流洞和灌溉放水洞工程組成。水庫(kù)泄水建筑物為開敞式溢洪道，溢洪道按100年一遇設(shè)計(jì)，2000年一遇校核。水庫(kù)防洪限制水位為943.0m，防洪水位944.5m，溢洪道堰頂高程為939.0m，選擇3孔8m寬開敞式溢洪道泄洪。

溢洪道布置在右岸，采用直線布置，縱軸與大壩軸線夾角為161度18分35秒，為開敞式正槽岸邊溢洪道，閘門控制。溢洪道包括進(jìn)水渠、控制段、泄槽和消能防沖設(shè)施四部分組成。

2 溢洪道設(shè)計(jì)方案比選

2.1 溢洪道設(shè)計(jì)方案Ⅰ

溢洪道布置在右岸，采用直線布置，縱軸與大壩軸線夾角為166.48°，為開敞式正槽岸邊溢洪道，閘門控制。溢洪道包括進(jìn)水渠、控制段、泄槽和消能防沖設(shè)施四部分組成。

（1）進(jìn)水渠

進(jìn)水渠為一矩形平底寬渠道，平坡坡底，寬度28m，軸線長(zhǎng)73.9m，底板高程936.75m，底板及導(dǎo)墻采用混凝土砌筑，底板襯砌厚度0.6m，邊墻重力式擋土墻，頂寬0.4米，底寬6.45米。

（2）控制段

控制段中溢流堰采用駝峰堰（b），堰頂高程939.0m，利用3扇8×5.5m（寬×高）的弧型閘門控制，駝峰堰沿水流方向長(zhǎng)為13.46m，中墩厚度2.0m，邊墩頂寬1.0m，底寬6.8m，控制段沿水流方向長(zhǎng)20.0m，堰底建基面高程934.25m，安裝三臺(tái)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。為滿足交通要求，閘墩上游側(cè)布置公路橋，橋面寬4m，橋面高程為950.26m，與大壩壩頂相接。

（3）泄槽

根據(jù)地形，泄槽沿山坡而下，控制段后40m為漸變段，泄槽寬度由28m漸變?yōu)?0m，漸變段后等寬布置，泄槽采用矩形斷面，總長(zhǎng)189.4m，縱坡25.9%，泄槽底板厚度0.6m，側(cè)墻為擋土墻結(jié)構(gòu)，上部厚度0.4m，底部厚度3.0m，泄槽采用整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；兩段側(cè)墻高度按考慮均采用波動(dòng)和摻氣后的校核水面線加超高確定，側(cè)墻高度為5.5m。

（4）消能防沖設(shè)施

泄槽未端接15m長(zhǎng)的挑流消能段，挑流鼻坎半徑30m，挑角為 15度，挑坎頂高程888.24m，校核流量最大挑距110.64m，出坎流速32.7m/s，沖刷坑深度34.6m，沖刷坑后坡i=0.313。

2.2 溢洪道設(shè)計(jì)方案Ⅱ

溢洪道布置在右岸，采用直線布置，溢洪道縱向軸線與大壩軸線夾角為161度18分35秒，為開敞式正槽岸邊溢洪道，閘門控制。溢洪道包括進(jìn)水渠、控制段、泄槽和消能防沖設(shè)施四部分組成。

（1）進(jìn)水渠（0-070.76～0-005.7）

進(jìn)水渠為圓弧形段，半徑為82.844m，夾角為43度54分43秒，襯砌結(jié)構(gòu)為矩形平底寬渠道，平坡坡底，寬度28.0m，底板高程936.75m。底板及導(dǎo)墻采用鋼筋混凝土砌筑，底板襯砌厚度0.6m。靠近壩體的邊墻采用重力式擋土墻，頂寬0.5米，底寬6.98m；靠近山體的邊墻采用衡重式擋土墻，頂寬為0.5m，底部寬3.20m。擋土墻高15.81m高，導(dǎo)墻頂部高程為951.46m。

（2）控制段（0-005.7～0+010.3）

控制段中溢流堰采用駝峰堰，堰頂高程939.0m，利用3扇8×5.5m（寬×高）的弧型閘門控制，中墩厚度2.0m，邊墩頂寬2.5m，控制段沿水流方向長(zhǎng)16m，堰底建基面高程934.25m，安裝三臺(tái)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。為滿足交通要求，閘墩上游側(cè)布置公路橋，橋面寬4m，橋面高程為950.26m，與大壩壩頂相接。

（3）連接過渡段（0+010.3～0+068.03）

控制段后40.0m為漸變段（0+010.3～0+ 050.3），泄槽寬度由28m漸變?yōu)?0m，夾角為6度，漸變段后等寬布置，泄槽采用矩形斷面，總長(zhǎng)40m。在樁號(hào)0+050.3～0+060.03段，泄槽采用矩形斷面，泄槽寬度為20m，縱坡2.0%。

（4）臺(tái)階段（0+068.03～0+132.03）

樁號(hào)0+068.03-0+083.43段為臺(tái)階高度和水平長(zhǎng)度漸變段，與下游臺(tái)階相連接，臺(tái)階大小依次為（高度 ×水平長(zhǎng)度）25cm×140cm，25cm× 140cm，25cm×140cm，25cm×140cm，25cm× 140cm，50cm×140cm，50cm×100cm，50cm× 100cm，50cm×100cm，75cm×100cm，75cm× 100cm，75cm×100cm，75cm×100cm。

樁號(hào)0+080.3～0+132.03段，臺(tái)階寬度為0.9m，高度為1.0m，泄槽底板厚度0.6m，側(cè)墻為擋土墻結(jié)構(gòu)，上部厚度0.5m，底部厚度3.84m，側(cè)墻高度為7.0m。

（5）輸水段（0+132.03～0+245.73）

輸水段長(zhǎng)度為113.70m，為矩形槽結(jié)構(gòu)，寬度為20m。其中樁號(hào)0+132.03～228.53縱坡為3%，邊墻高7.0m，靠近壩體側(cè)采用重力式擋土墻，靠近山體側(cè)用衡重式擋土墻（除樁號(hào)0+162.03～0+ 182.03采用板樁式，邊墻厚 1.0m）。樁號(hào) 0+ 228.53～0+233.88采用圓弧連接，圓弧半徑為20.0m，圓心角為 40°，與上端和下端平順相接，邊墻高度由7.0m，漸變至10.0m，靠近壩體側(cè)采用重力式擋土墻，靠近山體側(cè)用板樁式擋土墻。樁號(hào)0+233.88～0+245.73縱坡i=1.1，邊墻高為10.0m，靠近壩體側(cè)采用重力式擋土墻，靠近山體側(cè)用板樁式擋土墻。底板采用分離式面板，底板厚度為0.6m，結(jié)構(gòu)縫設(shè)置橡膠止水，在結(jié)構(gòu)縫下面設(shè)置排水溝。

（6）消能防沖設(shè)施（0+245.73～0+295.73）

輸水段末端接消力池，消力池長(zhǎng)度為30.0m，深度為4.0m。消力池后接海漫，長(zhǎng)度為20.0m，其中水平段長(zhǎng)10.0m，緩坡段長(zhǎng)10.0m，坡度i= 0.1。海漫末端處用拋石進(jìn)行回填。消力池段邊墻高10.0m，海漫段邊墻高6.0m，樁號(hào)0+245.73～0+270.73靠近山體側(cè)采用板樁式擋土墻，墻厚度1.0m，其余段及靠近壩體側(cè)擋土墻采用重力式。

3 工程方案比選

3.1 進(jìn)水方式的比選

通過水工模型試驗(yàn)對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，為了消除溢洪道進(jìn)口左側(cè)引渠導(dǎo)墻對(duì)進(jìn)口水流的不利影響，改善進(jìn)口繞流流態(tài)，提高溢流堰的泄流能力，根據(jù)水流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，試驗(yàn)在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了必要的修改。由于水流由水庫(kù)沿導(dǎo)流翼墻進(jìn)入溢流堰是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)加速過程，采用橢圓曲線容易適應(yīng)這種變化。參考恰甫其海等多個(gè)水工模型試驗(yàn)的成功體型，并考慮到本工程的具體情況，對(duì)進(jìn)口左側(cè)采用導(dǎo)流翼墻橢圓曲線方程為:（其長(zhǎng)短半軸的比值為1.6），右側(cè)進(jìn)口導(dǎo)墻保持原設(shè)計(jì)線型不變。通過模型放水試驗(yàn)，進(jìn)口流態(tài)明顯得到改善，水流平穩(wěn)順暢。由于對(duì)溢洪道進(jìn)口導(dǎo)墻進(jìn)行了修改優(yōu)化，使得閘前水流更加順暢，有可能會(huì)引起泄流量的變化，因此，試驗(yàn)對(duì)進(jìn)口修改后的溢洪道三孔全開庫(kù)水位～流量關(guān)系進(jìn)行了重新率定驗(yàn)證。通過測(cè)驗(yàn)，認(rèn)為修改后的體型對(duì)泄流量的影響不大，可以按照原庫(kù)水位～流量關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制?？傊?，通過對(duì)進(jìn)口導(dǎo)墻的修改，改善了進(jìn)口水流流態(tài)，實(shí)現(xiàn)了水流平穩(wěn)的進(jìn)入閘室的目的。

3.2 消能方式比選

溢洪道沿線基巖為上泥盆統(tǒng)天格爾組第二亞組（D 3t b），巖性主要為灰黑色凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)砂巖、硅質(zhì)巖夾頁(yè)巖、淡灰色凝灰?guī)r，相變較大，屬厚至巨厚層狀?yuàn)A薄層狀結(jié)構(gòu)。巖層揉皺較強(qiáng)烈，產(chǎn)狀一般為 N 45°～70°W，∠65°～76°，傾向山內(nèi)偏上游，沿線主要有 F 39、F 36、F 37、F 62、F 63、F 64、F 65及F 5等多條斷層通過，分布于8#深切沖溝兩側(cè)山坡，斷傾角均較陡，為 N W向與N E向兩組，在剖面上為一對(duì)共軛“X”型切割面，斷層破碎帶寬度一般在1m以內(nèi)，受斷層影響，溢洪道沿線巖體較破碎，緩傾角的卸荷裂隙發(fā)育，產(chǎn)狀為N 10°～20°W～N 5°～17°E，N E～SE∠11°～35°與層面構(gòu)成不利邊坡穩(wěn)定塊體。溢洪道沿線地表風(fēng)化劇烈，強(qiáng)風(fēng)化帶厚度較大（其下限埋深15m～30m），其巖體完整性差，抗沖刷能力低。雖然溢洪道堰基及泄槽段沿線由于巖層傾向山內(nèi)偏上游，傾角較陡，斷層與溢洪道軸線交角較大，斷層傾角陡，邊坡整體基本穩(wěn)定，但由于強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)巖體破碎，卸荷裂隙發(fā)育，與斷層、層面構(gòu)成不利邊坡穩(wěn)定塊體，對(duì)開挖邊坡穩(wěn)定不利，對(duì)于邊坡穩(wěn)定處理及支護(hù)要求較高，邊坡支護(hù)工作量大。溢洪道設(shè)計(jì)方案Ⅰ為一般型式的正槽開敞式溢洪道，泄槽縱坡為25%，消能采用挑流方式消能，沿線地形起伏較大，一般基巖裸露，中段通過8#深切沖溝，沖溝兩側(cè)為陡崖，通過對(duì)8#深切沖溝進(jìn)行回填膠凝砂礫石，有利于沖溝兩側(cè)的基巖穩(wěn)定，但存在已經(jīng)到末端的高邊坡的開挖和支護(hù)，可以考慮適當(dāng)調(diào)整溢洪道軸線，進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。溢洪道設(shè)計(jì)方案Ⅱ，利用原山體走勢(shì)，樁號(hào)0+068.03～0+ 138.38段泄槽采用臺(tái)階式消能方式，避免了對(duì)原方案泄槽末端地質(zhì)條件較為復(fù)雜地段的大范圍開挖支護(hù)情況，但在臺(tái)階式段存在多條斷層，對(duì)溢洪道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不安全因素，如對(duì)坡面采取錨固措施，施工周期較長(zhǎng)施工技術(shù)復(fù)雜，投資較大。

3.3 投資的選擇

溢洪道設(shè)計(jì)方案Ⅰ泄槽穿過8#沖溝，末端基巖高邊坡開挖，不僅在8#沖溝處需做大量回填工作，還要在末端進(jìn)行大量的巖石開挖，總投資為3892.80萬(wàn)元。

方案Ⅱ減少了8#沖溝處膠凝砂礫石的回填量和泄槽末端巖石的開挖量。利用沖溝地形特點(diǎn)，在此處設(shè)置消力池，減少該段石方的開挖量。但是由于消力池段和輸水段水深較大，增加了邊墻的高度，綜合比較，方案Ⅱ總投資為4293.91萬(wàn)元。

方案比選后，方案Ⅰ減少了8#沖溝處的膠凝砂礫石的回填量和泄槽末端巖石開挖量，但增加了泄槽混凝土量，經(jīng)綜合比較，方案Ⅱ較方案Ⅰ相比投資增加約401.11萬(wàn)元。

4 結(jié)論與建議

總而言之，針對(duì)水庫(kù)溢洪道設(shè)計(jì)中根據(jù)地形地貌、地質(zhì)條件等因素，進(jìn)行溢洪道布置設(shè)計(jì)方案比選是必不可少的工作，這不僅使水利工程使用功能得到有效發(fā)揮，而且還能減少工程投資，節(jié)約成本。

［1］馮慶剛.莊里水庫(kù)溢洪道優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2012（05）.

［2］向蕾.某工程溢洪道臺(tái)階消能設(shè)計(jì)優(yōu)化研究［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（05）.

［3］陳少慶，胡衛(wèi)紅，毛根海.應(yīng)村水利樞紐工程溢洪道設(shè)計(jì)方案優(yōu)化分析［J］.浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2004（04）.

TV 65

：B

：1672-2469（2015）03-0083-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.03.029

張生財(cái)（1979年—），男，工程師。