石門溝3號(hào)水庫(kù)輸水放空建筑物布置設(shè)計(jì)

張麗花,謝維科,張 浩

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概況

蘭州新區(qū)位于蘭州市北部，處于蘭州市和白銀市結(jié)合部的秦王川盆地，距蘭州市38.5 km，距白銀市區(qū)79 km。石門溝3號(hào)水庫(kù)位于蘭州新區(qū)秦川鎮(zhèn)石門溝支溝陶家溝內(nèi)，為注入式水庫(kù)，工程由引水系統(tǒng)從引大東二干輸水渠末端甘露池分水閘分水，由高至低、由近至遠(yuǎn)先引入2號(hào)水庫(kù)，再引入3號(hào)水庫(kù)，由3號(hào)水庫(kù)壩后與供水管線相接，供蘭州新區(qū)石化工業(yè)園區(qū)用水。

石門溝3號(hào)水庫(kù)樞紐由引水建筑物、粘土心墻堆石壩、左岸輸水放空洞及供水建筑物組成。水庫(kù)總庫(kù)容850萬m3，擋水主壩為粘土心墻堆石壩，壩頂長(zhǎng)450 m，壩頂寬6 m，最大壩高54.0 m，3號(hào)水庫(kù)工程為Ⅳ等小(1)型工程[1]，主要建筑物按4級(jí)設(shè)計(jì)，次要建筑物按5級(jí)設(shè)計(jì)?？紤]到3號(hào)水庫(kù)工程大壩基礎(chǔ)的工程地質(zhì)條件復(fù)雜，且水庫(kù)壩址距規(guī)劃的蘭州新區(qū)范圍較近，失事后損失較大。對(duì)水庫(kù)大壩建筑物的級(jí)別提高一級(jí)，即為3級(jí)建筑物。水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇洪水設(shè)計(jì)，1000年一遇洪水校核[2]。工程區(qū)50 a超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度0.15g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度[3]。

2 工程地質(zhì)

圖1 石門溝3號(hào)水庫(kù)樞紐平面布置圖 單位：m

3 輸水放空建筑物比選

3.1 輸水放空建筑物選擇及布置原則

(1) 綜合考慮工程區(qū)地形、地質(zhì)、水力條件、施工、運(yùn)行、沿線建筑物銜接、本工程總布置及對(duì)周圍環(huán)境的影響等因素，通過技術(shù)比較選定；

(2) 隧洞洞線應(yīng)選擇線路短、沿線地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、巖體完整穩(wěn)定、上覆巖層厚度適中、水文地質(zhì)條件有利及施工方便的地區(qū)；

(3) 布置隧洞應(yīng)考慮臨時(shí)占地、永久占地、植被破壞和恢復(fù)、施工污染、運(yùn)行期地下水位變化等對(duì)環(huán)境的影響和水土保持的要求，宜使原自然環(huán)境較少破壞，較易恢復(fù)，環(huán)境投資最小。

3.2 輸水放空建筑物選型

該建筑物除了將水庫(kù)的水量輸送到大壩下游與供水系統(tǒng)銜接，向供水對(duì)象供水，還需承擔(dān)水庫(kù)的放空任務(wù)。結(jié)合壩址區(qū)的地形地質(zhì)條件，本次設(shè)計(jì)輸水放空建筑物的型式分別選擇山體有壓隧洞和壩下埋管2種型式進(jìn)行綜合比較選擇。

(1) 壩下埋管方案

壩下埋管方案，輸水放空建筑物軸線布置于壩肩左岸，引水、取水口采用獨(dú)立布置的塔式進(jìn)水口。進(jìn)水口底板高程2 120.00 m，進(jìn)水口孔口為3.0 m×2.5 m(寬×高)，進(jìn)口設(shè)攔污柵和檢修閘各一道。進(jìn)水塔高31 m，閘室基礎(chǔ)置于巖基，進(jìn)水閘至水庫(kù)壩頂?shù)慕煌ú捎媒煌?。輸水放空管采用壩?nèi)埋管布置方式，設(shè)計(jì)引水流量3.34 m3/s，水庫(kù)放空時(shí)最大流量52 m3/s。壩下埋管管線長(zhǎng)188 m，沿左岸岸坡開挖的基巖槽布置，管材采用鋼管，管徑2.5 m，管道外包混凝土厚50 cm。該管道在水庫(kù)壩后設(shè)“卜”型岔管，并在分岔管后的3條支管道分別設(shè)DN2500、DN2000及DN450的控制蝶閥各1道，其中1條支管為水庫(kù)放空管，采用鋼管，管徑DN2500，并在該管道出口設(shè)消能錐形閥和消力池；1條支管直接蘭州新區(qū)第一給水廠引水管，管徑DN2000；另一條支管接向中電投熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目區(qū)和山字墩水庫(kù)輸水的供水管，管徑DN450。

(2) 有壓隧洞方案

(3) 輸水放空建筑物布置選擇

壩內(nèi)埋管方案具有施工簡(jiǎn)單安全，施工進(jìn)度較快，工程投資節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)。但壩下埋管一旦出現(xiàn)內(nèi)水外滲，形成滲漏通道后，將無法檢修加固，會(huì)威脅大壩的安全，對(duì)工程的安全運(yùn)行留有一定的隱患，且存在與壩體填筑施工相互干擾的問題[4]。壩肩布置有壓隧洞方案具有運(yùn)行檢修方便，與大壩施工互不干擾，檢修閘室布置簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但壩址區(qū)地層巖性較差，巖體破碎，裂隙發(fā)育，隧洞施工存一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，且隧洞斷面尺寸較小，隧洞開挖襯砌施工較為困難。經(jīng)綜合分析比較，輸水放空建筑物推薦采用壩肩布置有壓隧洞方案。

3.3 輸水放空建筑物軸線比選

輸水放空建筑物進(jìn)行了左岸輸水放空洞和右岸輸水放空洞的比選，即方案1和2。

(1) 方案1：左岸輸水放空建筑物

承擔(dān)向水庫(kù)下游供水及水庫(kù)放空任務(wù)的輸水放空建筑物布置在左岸，布置形式同上文有壓隧洞方案。

(2) 方案2：右岸輸水放空建筑物

(3) 綜合比較

輸水放空建筑物綜合比較見表1。

表1 輸水放空建筑物綜合比較表

由表1可見，從地形、地質(zhì)條件來看，2個(gè)方案的隧洞整體圍巖地質(zhì)條件較差，均無Ⅱ級(jí)圍巖，方案2洞線部分圍巖厚度不足，方案1較優(yōu)；從工程布置條件來看，方案1洞線布置較順暢，方案2受溝壑地形影響，出口布置條件差，施工干擾大；從工程量和工程投資來看，方案2較方案1工程投資大。

綜上所述，從工程地形地質(zhì)條件的適應(yīng)性、工程布置條件及安全性、工程量及工程投資、施工運(yùn)行條件等方面綜合比較，方案1優(yōu)于方案2，推薦方案1左岸輸水放空建筑物為本階段推薦布置。

4 輸水放空建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 輸水放空建筑物布置

輸水放空洞布置在左岸，采用有壓隧洞布置方式。進(jìn)水口采用有壓短洞進(jìn)水口，設(shè)置攔污柵一道。進(jìn)口底板高程2 120.00 m。在壩肩左岸山體布置事故閘門豎井，閘室豎井底板高程為2 120.00 m，事故閘孔口為2.5 m×2.5 m。輸水放空隧洞長(zhǎng)約147.0 m，其中事故閘門井有壓短洞段長(zhǎng)47 m，隧洞斷面采用馬蹄形，斷面2.5 m×2.5 m(寬×高)，采用鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，混凝土襯砌厚30 cm；閘室段長(zhǎng)4.6 m，閘室豎井總高31 m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘室底板厚2.0 m，豎井邊墻厚1.2 m，墻內(nèi)設(shè)2?40 cm的通氣孔；閘后有壓隧洞段長(zhǎng)100 m，斷面形式、尺寸及襯砌形式同有壓短洞；隧洞洞室一般埋深12～22 m。隧洞出口接長(zhǎng)約80 m輸水管道，管道采用DN2500的鋼管，地埋管道布置方式，管道基礎(chǔ)采用灰土墊層換填。在管道末端設(shè)“卜”型岔管，并在分岔管后的三條支管道分別設(shè)控制閥門，其中一條支管為水庫(kù)放空管，出口管徑DN1200；岔管后一條支管直接蘭州新區(qū)第一給水廠引水管，管徑DN2000；另一條支管接向中電投熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目區(qū)和山字墩水庫(kù)輸水的供水管，管徑DN450 m。放空管錐形閥后設(shè)錐形閥室及消力池，后接退水渠。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告描述，此處地下水對(duì)混凝土具有腐蝕性，故地下水位以下部位閥室采用抗硫酸鹽混凝土。輸水放空洞中心線縱剖面及標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖2、3。

圖2 輸水放空洞中心線縱剖面圖 單位：高程、樁號(hào)，m

4.2 輸水放空洞支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)隧洞地質(zhì)分類統(tǒng)計(jì)表及隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算成果，初次錨噴支護(hù)及二次襯砌分為以下幾類：

(1) 進(jìn)口段初次噴混凝土支護(hù)及二次襯砌：頂拱及邊墻范圍掛鋼筋網(wǎng)(?6@150 mm×150 mm)，頂拱及邊墻噴C20混凝土厚10 cm，隨機(jī)采用鋼筋拱架支撐(3?28 mm)，二次襯砌全斷面C25鋼筋混凝土襯砌厚30 cm。

(2) 洞身段采用初次錨噴支護(hù)及二次襯砌：全斷面布設(shè)?25 mm砂漿錨桿，長(zhǎng)3.0 m，入巖2.8 m，間排距1.5 m×1.5 m梅花型布置；頂拱及邊墻范圍掛鋼筋網(wǎng)(?6@150 mm×150 mm)及噴C20混凝土厚10 cm；二次襯砌全斷面C25鋼筋混凝土襯砌厚30 cm。Ⅳ類圍巖段采用鋼筋拱架支撐(3?28 mm)。

(3) 回填灌漿設(shè)計(jì)：各類圍巖的隧洞頂拱120°范圍內(nèi)回填灌漿，間排距1.0 m×1.0 m，入巖0.1 m，灌漿壓力0.3 MPa。

(4) 固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)：巖石洞段全斷面布設(shè)固結(jié)灌漿，孔深2.0 m，間排距2.0 m×2.0 m，梅花型布置，灌漿壓力0.3 MPa。

5 結(jié) 論

(1) 石門溝3號(hào)水庫(kù)為注入型水庫(kù)，考慮到水資源的寶貴，只有在水庫(kù)清淤或者大壩檢修情況下才會(huì)放空水庫(kù)，將輸水洞與放空洞相結(jié)合，一次建成，平常輸水，檢修清淤時(shí)放空，節(jié)省了工程投資。

(2) 由于壩下埋管一旦出現(xiàn)內(nèi)水外滲，形成滲漏通道后，將無法檢修加固，會(huì)威脅大壩及下游蘭州新區(qū)的城市安全，故本次設(shè)計(jì)選擇了較為安全的有壓隧洞形式。

(3) 布置充分結(jié)合了地形、地質(zhì)條件，將輸水放空洞布置在左岸，工程的施工、安全、投資、運(yùn)行等均較優(yōu)。

(4) 石門溝3號(hào)水庫(kù)已經(jīng)建成蓄水，為蘭州新區(qū)的發(fā)展提供充足、穩(wěn)定、可靠的水源保障。隨著水利事業(yè)的發(fā)展，我國(guó)將興建更多的小水庫(kù)，本工程可以為今后類似工程提供設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。