新疆托克遜烏斯通溝水庫泄洪構(gòu)筑物設(shè)計(jì)分析

陳 巍

(新疆石河子水文勘測局，新疆 石河子 832000)

烏斯通溝水庫工程是一座具有綜合效益的水庫樞紐工程。但由于烏斯通溝河流域內(nèi)缺少控制性水利工程，主要任務(wù)為灌溉和工業(yè)供水，遏制灌區(qū)地下水超采。烏斯通溝地表水利用程度不高，造成農(nóng)業(yè)灌溉春旱、夏洪、秋缺水的現(xiàn)象較為嚴(yán)重。加之區(qū)域內(nèi)工業(yè)園區(qū)的不斷發(fā)展，園區(qū)用水規(guī)模不斷擴(kuò)大，該區(qū)域水資源供需矛盾日益突出。因此在烏斯通溝河興建攔河控制性水庫樞紐工程，以緩解流域的水資源供需矛盾，提高地表水利用率，滿足流域各業(yè)綜合用水要求。本文針對水庫的溢洪洞設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1 工程區(qū)概況

烏斯通溝水庫工程位于吐魯番市托克遜縣伊拉湖鄉(xiāng)西南側(cè)烏斯通溝，為年調(diào)節(jié)水庫，水庫總庫容1 440/1 130萬 m3，攔河壩壩高73.0 m，水庫下壩址多年平均流量為1.295 m3/s，多年平均徑流量為4 084萬 m3。水庫處于近于平行、相距僅約12 km的夏爾嘎天山主干深大斷裂(FⅠ)與936高地南東逆斷裂(FⅡ)之間，均為北天山復(fù)雜構(gòu)造帶內(nèi)近期活動(dòng)的發(fā)震斷裂。壩址區(qū)的地下水主要包括基巖裂隙水與第四系孔隙水，水文地質(zhì)條件比較簡單。其壩區(qū)河水、地下水均呈弱堿性，化學(xué)類型屬HCO3-Ca·Mg(K+Na)類型。據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)環(huán)境水腐蝕性評價(jià)的判別標(biāo)準(zhǔn)：河水、地下水對混凝土及鋼結(jié)構(gòu)均無腐蝕性。

2 泄洪建筑物選型

考慮到本工程擋水建筑物為瀝青砼心墻砂礫石壩的特點(diǎn)，在右岸采用正堰明流溢洪洞和正堰溢洪道兩種形式進(jìn)行比較。

2.1 溢洪道方案

溢洪道方案采用直線型布置在大壩右岸位置，為開敞式岸邊溢洪道，縱軸與壩軸線夾角呈105.25°，主要由四部分組成：進(jìn)水渠、控制段、泄槽和消能防沖設(shè)施，全程總長327.94 m。

2.2 溢洪洞方案

溢洪洞與溢洪道相同，采用直線型布置于右岸的壩肩位置，縱軸與壩軸線夾角呈84.06°，主要由四部分組成：進(jìn)水渠、控制段、溢洪洞和消能防沖設(shè)施。溢洪洞采用正堰閘門控制進(jìn)水口、底流消能，全段總長393.37 m。

2.3 方案比選

(1)地形、地質(zhì)條件比較：由于壩區(qū)地形條件特殊，溢洪道泄槽段在施工中需深切一突出的山嘴部位，導(dǎo)致其開挖邊坡高達(dá)78 m。開挖邊坡主要位于強(qiáng)風(fēng)化巖體內(nèi)，坡頂分布有卸荷松馳巖體，后側(cè)山坡陡立，且其邊巖體受到F30、F31、F34三條斷層組合形式的切割，使得當(dāng)山體受到較大范圍內(nèi)的爆破強(qiáng)擾動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的高邊坡穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)。相較之下溢洪洞方案具有明顯優(yōu)勢。

(2)施工比較：溢洪洞方案中的洞身主要位于右岸山體內(nèi)部，且其軸線與垂直壩軸線較為接近，末端出口處靠近臨時(shí)道路。施工中的建筑材料和廢料亦都可以由隧洞進(jìn)行運(yùn)輸，因此對施工造成的干擾比較小，施工略優(yōu)。溢洪道方案的進(jìn)口控制段和泄槽段都坐落在山體的基巖上，其中只有消能段與臨時(shí)道路接近，且由于施工過程中的混凝土、鋼筋等建筑材料都需要通過壩后的公路進(jìn)行運(yùn)輸，會(huì)對于大壩的主體工程施工產(chǎn)生一定的施工干擾，施工略差。從地形地質(zhì)、施工等綜合來看溢洪洞方案優(yōu)于其他方案，本階段推薦采用溢洪洞方案。

3 溢洪洞結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 穩(wěn)定計(jì)算

溢洪洞的穩(wěn)定計(jì)算主要進(jìn)行進(jìn)口控制段穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算包括抗滑、抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算及基礎(chǔ)應(yīng)力計(jì)算。

3.1.1 計(jì)算工況

由于進(jìn)口閘室下部嵌固于山巖中，會(huì)受到巖石的彈性抗力和變形約束，對閘室的穩(wěn)定是有利影響，但難以精確計(jì)算，現(xiàn)不計(jì)圍巖的影響，偏于安全地按孤立于基巖上的塔對其進(jìn)行計(jì)算。表1為荷載組合及計(jì)算工況。

表1 溢洪洞控制段荷載組成及工況組合表

3.1.2 計(jì)算公式

溢洪洞控制段坐落在強(qiáng)風(fēng)化下部，采用抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算，采用地質(zhì)專業(yè)推薦的砼與巖石基礎(chǔ)的抗剪摩擦系數(shù)f′=0.52，c′=90 kPa，地基容許承載力[σ]= 600 kPa。抗剪斷計(jì)算公式如下：

(1)

式中：k′為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算條件下的抗滑移穩(wěn)定安全系數(shù)；∑W為施工過程中作用于壩體上的全部荷載在滑動(dòng)平面上的法向分量數(shù)值(kN)；∑P為施工過程中作用于壩體上的全部荷載在滑動(dòng)平面上的切向分量值(KN)；f′為壩基混凝土與巖石接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)；c′為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力(kPa)。

大壩壩基面的垂直正應(yīng)力計(jì)算公式：

(2)

其中：σy上、σy下為大壩壩基面上游邊緣、下游邊緣的垂直正應(yīng)力(kPa)；∑W為施工過程中于計(jì)算壩段上產(chǎn)生的全部荷載在壩基面截面上的所有法向分力的總和(kN)；∑M為施工過程中于計(jì)算壩段上產(chǎn)生的全部荷載在壩基面截面形心軸上的所有力矩的總和(kN·m)；A為工程計(jì)算壩段的壩基截面面積(m2)；J為工程計(jì)算壩段壩基截面面積對其形心軸的慣性矩(m2)；X為壩基面上、下邊緣到壩基形心軸的距離(m)。

3.1.3 穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算成果

溢洪洞穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果列于表2中。溢洪洞進(jìn)口控制段抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定及抗浮穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，基礎(chǔ)最大應(yīng)力小于地基承載力，最小應(yīng)力滿足規(guī)范要求，因此，溢洪洞進(jìn)口控制段是安全的。

表2 溢洪洞控制段穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算成果

3.2 襯砌計(jì)算

根據(jù)溢洪洞地質(zhì)及流速情況，對該洞采用C30、C40鋼筋混凝土襯砌。施工開挖過程中根據(jù)圍巖穩(wěn)定情況及時(shí)采取錨噴支護(hù)，進(jìn)出口邊坡采用噴錨防護(hù)。隧洞進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算，以確定襯砌應(yīng)力及配筋。

3.2.1 荷載

施工開挖作用在隧洞上的荷載主要包括：(1) 襯砌自重；(2) 山巖壓力；(3) 彈性抗力；(4)內(nèi)水壓力；(5)外水壓力；(6)地震力；(7)圍巖波速(強(qiáng)風(fēng)化Vp=700～1 500 m/s，Vs=500～700 m/s，微風(fēng)化Vp=2 500～3 200 m/s，Vs=900～1300 m/s，新鮮巖體Vp=3 500 m/s，Vs=1 500 m/s)。

3.2.2 荷載組合

表3 溢洪洞荷載組成及工況組合表

3.2.3 襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算

無壓洞主要是利用外圍水壓力與山巖自體壓力對其洞身進(jìn)行安全控制，常采取外水壓力較大而內(nèi)水壓力較小的情況作為控制工況。在上述組合中，采用理正隧洞襯砌設(shè)計(jì)軟件分別選取基本組合中的正常洪水工況、特殊組合中的校核洪水及地震工況三種進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算原理：各種荷載單獨(dú)作用下，求出襯砌中的彎矩和軸力，然后根據(jù)荷載組合進(jìn)行疊加。計(jì)算方法為公式法，采用限裂設(shè)計(jì)。

雙層鋼筋砼襯砌對稱配筋時(shí)鋼筋面積按下式計(jì)算：

(3)

式中：f為襯砌鋼筋面積；Np為襯砌斷面上由均勻內(nèi)水壓力及圍巖彈性抗力作用下所產(chǎn)生的軸向拉力；∑N為除均勻內(nèi)水壓力外，其它荷載作用下，計(jì)算斷面的軸向力總和(以壓為正)；∑M為除均勻內(nèi)水壓力外，其它荷載作用下，計(jì)算斷面的彎矩總和(以內(nèi)緣受拉為正)；[σg]為鋼筋允許拉應(yīng)力；a為混凝土保護(hù)層厚度。

3.2.4 計(jì)算結(jié)果

表4為本項(xiàng)目的計(jì)算內(nèi)力及配筋結(jié)果(隧洞襯砌厚度1.0 m)。

表4 溢洪洞計(jì)算內(nèi)力及配筋主要成果

4 結(jié)語

烏斯通水庫是控制性水利工程，通過上文分析，烏斯通溝水庫泄洪建筑物選用泄洪洞方案，可解決灌區(qū)灌溉供需矛盾突出問題的同時(shí)，承擔(dān)向核心工業(yè)園區(qū)供水調(diào)節(jié)的任務(wù)，社會(huì)效益顯著，工程的建設(shè)對促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高居民生活水平具有積極的作用，在托克遜縣水利發(fā)展和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中占有重要地位。烏斯通溝水庫建成后可向?yàn)跛雇ü鄥^(qū)供水1 174萬 m3，向伊拉湖工業(yè)園及阿拉溝流域一般工業(yè)供水750萬 m3，對解決下游地區(qū)灌溉及工業(yè)供水緊張問題，緩解地下水超采局面具有重大意義。