金溝河引水樞紐型式及壩型比選

肖 兵

(新疆水利水電項(xiàng)目管理有限公司，烏魯木齊 830000)

1 概 述

水利樞紐工程建設(shè)對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、環(huán)境等都具有十分重要的促進(jìn)作用，如三峽水利樞紐就是一座造福全國人民的重要工程[1-3]。由于大型水利樞紐工程建設(shè)投資大，因此合理選取壩型、樞紐型式等，有利于節(jié)約工程投資。本文結(jié)合金溝河引水樞紐工程，分析其樞紐型式及壩型。

2 引水樞紐型式比選

金溝河枯水期水全部入渠，導(dǎo)致上下游淤積嚴(yán)重。金溝河引水樞紐彎道寬度達(dá)到45 m，轉(zhuǎn)彎半徑約為300 m，無法有效形成彎道環(huán)流沖砂。因此，選取以下3種樞紐型式進(jìn)行比選[4-5]。

2.1 直線式引水樞紐布置方案

直線式引水樞紐方案如下：3孔泄洪閘位于河床右側(cè)，單孔凈寬6.5 m。沉砂沖砂槽長70 m、寬8.6 m，位于泄洪閘左側(cè)。沖砂閘設(shè)置于沉砂沖砂槽末端，共2孔，單孔3.5 m。

2.2 彎道式引水樞紐布置方案

將泄洪閘設(shè)置于引水彎道的凸岸，閘底高于原河床2.0 m左右。引水彎道進(jìn)口處設(shè)置擋砂坎，可將部分推移質(zhì)淤積至彎道進(jìn)口以上，待洪水期開閘沖砂。

通過計(jì)算，彎道設(shè)計(jì)流量Q=90 m3/s，寬度為8.6 m，半徑為251.8 m，縱坡為1/228.9。

2.3 內(nèi)外庫引水樞紐布置方案

內(nèi)外庫引水樞紐主要由泄洪沖砂閘、引水閘、溢流堰、上下壩等組成。內(nèi)外庫方式具有一定淤積庫容，利用洪水將淤積在外庫泥沙帶入樞紐下游。

泄洪沖砂閘采用3孔敞式平底閘，閘孔凈寬均為6.5 m。引水閘閘井為單孔，孔口尺寸4 m×4 m。

泄洪沖砂閘位于主河床右側(cè)，采用砂礫石基礎(chǔ)。閘前為長10.8 m混凝土斜墻鋪蓋，底下為C20混凝土防滲墻。斜墻鋪蓋上部基坑采用拋石回填。閘前左右岸兩側(cè)均為C25混凝土扶壁式擋土墻護(hù)岸，長39.26 m，墻底高程807.562～811.000 m，墻頂高程823.000 m，側(cè)墻及底板厚均為1.0 m，扶壁厚0.5 m，間距3 m。

引水閘段總長80.40 m，分為進(jìn)口段、閘井段、消力池以及翼墻。進(jìn)口長17.2 m，凈寬4～11.9 m，兩側(cè)為扶壁式八字墻，墻凈高2.48～6.92 m，底板厚0.6 m。消力池為C25鋼筋混凝土矩形槽結(jié)構(gòu)，長25 m，凈寬4 m，凈高4.71～9.71 m，底板厚0.6 m，坎高1 m，消力池底板高程811.000 m。消力池后接C20混凝土出口翼墻，長20 m，底寬由4 m擴(kuò)散至36 m。

溢流堰寬30 m，高11.94 m，頂寬14.6 m。溢流堰左右兩側(cè)分別為4 m×16.5 m平臺(tái)，平臺(tái)為填箱結(jié)構(gòu)，外部為C25鋼筋混凝土箱，內(nèi)填砂礫石，平臺(tái)頂高程823.000 m，平臺(tái)底高程為817.400 m。

2.4 引水樞紐型式比選

工程區(qū)兩側(cè)山體高，河道為天然河道，但曲度不大。若人工引水彎道轉(zhuǎn)彎半徑較小、彎曲度較大時(shí)，則導(dǎo)致河道總寬增大，無法與水庫上游河道平順連接，引水效果較差。為了避免彎道淤積，必須保證足夠的沖砂流量，設(shè)計(jì)流量為90～100 m3/s。根據(jù)金溝河洪水過程線，兩年一遇洪水方可滿足沖砂流量要求，引水道易淤積。

直線式引水樞紐采用正向泄洪沖砂，布置形式簡單，后期維護(hù)、管理較為便捷。由于金溝河來水不均，在高引水比條件下，只能大間歇沖砂，可能出現(xiàn)無水沖砂的窘境。

對(duì)于內(nèi)外庫引水樞紐方案，具有以下優(yōu)勢(shì)：①內(nèi)外庫方案 “水砂分離”，保證供水質(zhì)量；②具有調(diào)蓄能力，可集中沖砂，延緩泥砂淤積，增加工程壽命。

因此，推薦采用內(nèi)外庫引水樞紐方案。

3 壩型比選

考慮壩址區(qū)地質(zhì)條件以及不同壩型施工方案，選擇3種壩型進(jìn)行比較。

3.1 鋼筋混凝土面板壩方案

金溝河引水樞紐附近具有級(jí)配良好、儲(chǔ)量豐富的砂礫料場(chǎng)，因此擋水壩主要采用砂礫石材料壩。

壩長132.05 m，壩高10～15.75 m，壩頂寬度4.5 m。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，壩上游壩坡采用1∶1.7，下游壩坡采用1∶1.6。

面板壩上游坡設(shè)鋼筋砼面板防滲，面板下設(shè)厚1 m砂礫石墊層。面板厚度為0.3 m，混凝土標(biāo)號(hào)C25、F200、W6。面板垂直縫間距為12 m，周邊縫設(shè)三道止水，面板張性垂直縫設(shè)兩道止水，壓性垂直縫僅設(shè)一道止水。面板與地基接觸部位設(shè)C25混凝土趾板作為面板基礎(chǔ)。趾板外側(cè)設(shè)置厚0.8 m的C20混凝土防滲墻深入泥巖，防滲墻深5～13 m。防滲墻與趾板之間采用斷面尺寸為2 m(寬)×0.6 m(厚)的連接板。

下游護(hù)坡采用預(yù)制網(wǎng)格梁護(hù)坡。坡底布置干砌石排水溝，排水溝底寬0.5 m，坡比1∶2，深0.75 m，由內(nèi)至外分別為20 cm砂礫石反濾料、厚30 cm干砌石。

3.2 土工膜斜墻壩方案

壩軸線布置同鋼筋混凝土面板壩方案。其為復(fù)合土工膜斜墻壩，上游壩坡采用1∶2.25，下游壩坡采用1∶2，壩體主要采用砂礫石填筑。

上游護(hù)坡采用C25混凝土護(hù)坡板，厚度20 cm，砼板尺寸為4.0 m×4.0 m。防滲土工膜位于護(hù)坡板下，采用兩布一膜，膜厚0.5 mm，采用長纖針刺非織造土工布，布重200 g/m2，膜上膜下分別鋪設(shè)厚5 cm的砂漿墊層和10 cm砂保護(hù)層?；炷撩姘迮c地基接觸部位設(shè)混凝土齒墻作為護(hù)坡板基礎(chǔ)，壩體防滲土工膜邊緣埋固在齒墻內(nèi)，齒深1.5 m，齒墻下部設(shè)置厚0.8 m的C20砼防滲墻深入泥巖內(nèi)，防滲墻深12 m。

下游護(hù)坡采用0.5 m×0.5 m預(yù)制網(wǎng)格梁護(hù)坡。坡底布置干砌石排水溝，排水溝底寬0.5 m，坡比1∶2，深0.75 m，由內(nèi)至外分別為20 cm砂礫石反濾料、厚30 cm干砌石。

3.3 土工膜心墻壩方案

土工膜心墻壩方案布置基本同斜墻壩方案，其區(qū)別在于防滲土工膜位于壩體中部，膜布底部深入壩基以下3 m，采用兩布一膜，呈Z形鋪膜。膜厚0.5 mm，采用長纖針刺非織造土工布，布重200 g/m2，膜周為厚1 m砂保護(hù)層。

3.4 壩型比選結(jié)論

通過對(duì)鋼筋混凝土面板壩、土工膜斜墻壩、土工膜心墻壩方案進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇最優(yōu)壩型。見表1。

表1 不同壩型比較表

根據(jù)表1，各方案比選結(jié)果如下：

1) 從技術(shù)上比較。3種壩型均可用于壩址區(qū)的地形地質(zhì)條件，不同壩型樞紐布置方案基本一致。采用土工膜斜/心墻壩時(shí)，具有較強(qiáng)的不均勻沉降適應(yīng)性，在保護(hù)層保護(hù)下，土工布具備良好的耐久性。采用鋼筋混凝土面板壩，需要考慮加強(qiáng)抗凍設(shè)計(jì)提高使用耐久性，同時(shí)需要避免出現(xiàn)不均勻沉降，導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫，影響使用。

由于壩址區(qū)屬于Ⅷ度設(shè)防烈度區(qū)，鋼筋混凝土面板壩屬于剛性結(jié)構(gòu)，在地震作用下易開裂，抗震性較土工膜斜/心墻壩差。

3種壩型在工程實(shí)踐中較為常用，施工方法已經(jīng)較為成熟，施工難度基本一致。

2) 從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來看，鋼筋混凝土面板壩壩投資最高，而土工膜斜墻壩投資最低。

綜上，下壩壩型推薦方案為土工膜斜墻壩。上壩壩型考慮到上壩為內(nèi)外庫兩側(cè)擋水，推薦采用土工膜心墻壩方案。

4 結(jié) 論

以金溝河引水樞紐工程為研究對(duì)象，分析其引水樞紐布置方案和壩型；選取了直線式、彎道式、內(nèi)外庫式3種方案進(jìn)行分析，確定內(nèi)外庫為推薦方案，具有調(diào)洪能力強(qiáng)、工程投資低等優(yōu)勢(shì)；選取鋼筋混凝土面板壩、土工膜斜墻壩、土工膜心墻壩3種壩型進(jìn)行分析，下壩壩型為土工膜斜墻壩，上壩壩型采用土工膜心墻壩方案，具有擋水效果好、投資低、耐久性好等優(yōu)勢(shì)。