某水庫工程擋水建筑物及泄水建筑物設計研究

洪 流

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

城鎮(zhèn)化中水庫供水工程是保證區(qū)域經濟發(fā)展成果的重要基礎設施，建設使用安全關系到群眾生活質量，針對工程建設規(guī)模日趨擴大問題，以實際工程項目為例分析設計方案選擇，保證工程在安全可靠運行下發(fā)揮作用[1-2]。黔西縣城區(qū)現狀面積12.5 km2，常住人口16.93萬人。根據黔西縣委、縣政府對黔西城區(qū)中長期發(fā)展規(guī)劃的設想，按照“工業(yè)強縣、城鎮(zhèn)帶縣”的戰(zhàn)略思想，《黔西縣城市總體規(guī)劃》(2010—2030)提出黔西縣規(guī)劃中心城區(qū)在現狀城區(qū)的基礎上主要向南發(fā)展；向東、向西適當跨越發(fā)展。近期2015年主要完善蓮城大道兩側，啟動岔白工業(yè)園。中、遠期2015—2030年，隨著成貴高速鐵路的建設，城市跨越筆架山-塔山一線山脈向南發(fā)展，完成岔白承接產業(yè)轉移基地一期建設，形成黔西北站服務區(qū)。

1 工程概況

水庫正常蓄水位為1287 m，正常蓄水位以下庫容4479萬m3，調節(jié)庫容3872萬m3。水庫校核洪水位為1288.98 m，水庫總庫容4669萬m3。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL 252—2017)規(guī)定，工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模屬中型。最大壩高153 m，大壩洪水標準取高限值，設計洪水標準為100年一遇(P=1%)，校核洪水標準為1000年一遇(P=0.1%)。工程建設內容包括水源工程、供水工程和灌溉工程。凹水河水庫壩址設計洪水成果表具體如表1所示。

表1 凹水河水庫壩址設計洪水成果

因通往中東部組團的管網前期作為縣城的應急供水工程時已建成，并可滿足現有工程配給水量使用要求。本次向中東部組團的供水部分，需在供水管中途分岔后經加壓泵站提水至現有縣城供水管起點水處理設施。供水管線總長13.53 km，采用球墨鑄鐵管雙管輸水，加壓泵站分岔點前為1.0 m直徑雙管，輸水流量1.999 m3/s，加壓泵站分岔點后為1.0/0.9 m直徑雙管，輸水流量1.449 m3/s(扣除管損)。

2 工程地質

黔西縣境內河流均屬長江流域烏江水系，較大的河流有六沖河、野紀河、渭河、馬路河、西溪河等。凹水河水庫所在的西溪河為六沖河左岸一級支流，發(fā)源于大方縣百納鄉(xiāng)，河源高1562 m，落差564 m。主河道長57.3 km，流域面積437 km2，平均坡降18.2‰。凹水河水庫位于西溪河上游河段，地理位置為東經105°48′59″，北緯227°06′28″，G321國道從附近通過，距黔西縣城 29 km，距黔西縣林泉鎮(zhèn)10 km。凹水河水庫壩址以上流域面積225 km2，主河道河長33.83 km。

西溪河徑流由降水補給，徑流特性與降水特性基本一致。經對石板塘水文站1963—2018年的水文資料進行統計，其多年平均流量21.70 m3/s，最大年均流量40.00 m3/s，最小年均流量6.82 m3/s，最大年和最小年分別是多年平均流量的1.84倍和0.31倍，豐枯比為5.87。徑流主要集中在5—10月，汛期徑流量占年徑流總量的82%，枯季徑流相對平穩(wěn)。該站所在河流野紀河與水庫所在河流西溪河距離較近，下墊面條件基本一致，且同屬烏江左岸支流，石板塘水文站實測徑流系列基本可代表西溪河徑流特性。

擬建黔西縣凹水河水庫地處貴州省畢節(jié)市黔西縣與大方縣界河—西溪河上，地理位置東經105°48′59″，北緯27°06′28″，水庫正常蓄水位1287 m，相應庫容4479萬m3，工程規(guī)模屬中型。工程的主要任務是向黔西縣城供水，兼顧解決工程區(qū)周邊的部分灌溉用水。工程區(qū)距黔西縣縣城約29 km，距黔西縣林泉鎮(zhèn)約10 km。有鄉(xiāng)村公路與G321國道相連，通往壩址及庫區(qū)，交通較便利。

3 工程設計方案

工程可行性研究階段審查批復的工程總體布置方案由樞紐工程和輸水工程組成。樞紐工程由混凝土拱壩、壩頂溢流表孔、泄洪中孔，壩身底孔取(放)水建筑物等組成[3]。輸水工程由供水泵站、中東部組團加壓泵站、供水區(qū)輸水管道、灌溉供水泵站、灌溉水管道及附屬建筑物等組成。

可研階段在充分研究河段開發(fā)、建壩成庫條件，以及高鐵高速等制約因素條件下，選擇上壩址為推薦壩址。上壩址位于西溪河成貴高鐵橋下游、黔大高速公路橋上游之間，距離高速公路橋約360 m。擋水建筑物為拱壩，最大壩高153 m，泄洪建筑物為壩頂溢洪道和壩身泄洪中孔。壩身取水建筑物供水泵站布置于右岸。壩身底孔兼取水功能，取水鋼管接底孔出口后延伸至右岸山體，經322 m洞內埋管后進入右岸基坑隧洞，利用基坑隧洞鋪設長3090 m的明管后出洞，之后采用268 m地面埋管進入供水泵站。不同正常蓄水位水庫淹沒(含征地和移民)投資成果表如表2所示。

表2 不同正常蓄水位水庫淹沒(含征地和移民)投資成果

供水泵站位于大壩下游約3.5 km的河道右岸，泵站出水管經西溪河跨河管橋至左岸后沿山脊上升至高位水池。高位水池分出西部組團供水管和中東部組團加壓泵站進水管。西部組團供水管向東南方向延伸12.59 km至位于青浦塘水庫庫尾的末端水池。中東部組團供水管為已建管道，起點距離高位水池約140 m，水頭高出高位水池水位42 m，因此增設加壓泵站加壓。灌區(qū)位于緊靠壩址左岸的檬井村和小龍槽子兩塊平坦地形，灌溉泵站布置于大壩上游面，高位水池位于大壩左岸山坡，之后分出兩條灌溉管分別輸水至檬井村灌面和小龍槽子灌面。

4 建筑物設計路線

若壩線向上游偏移存在問題有：①壩址區(qū)巖層緩傾下游8°，下伏永寧鎮(zhèn)組第一段第一層(T1yn1-1)泥灰?guī)r，壩線向上移將使得大壩下部置于泥灰?guī)r上，基巖承載力由灰?guī)r地層的4.5 MPa下降至2.5 MPa，對大壩體型影響較大；②河谷進一步縮窄，平均在5～6 m，最窄處僅有不到4 m，相對于可研壩線下游的平均12 m更不利于泄水建筑物布置和下游消能，也大大增加施工難度；③壩區(qū)施工通道來自下游的基坑隧洞，壩線上移也增加了施工通道的長度，對工期和投資都不利；④壩線上移將使得樞紐建筑物開挖置于高鐵保護范圍內，協調難度大，給工程建設帶來更多不確定因素。

因此本階段壩線選擇范圍僅限于可研壩線附近，根據初設階段更為詳盡的地形測量和勘探工作，結合壩線左岸受L1裂隙切斷形成的局部凹槽地形和巖體風化線，初步擬定兩條壩線進行比選，上壩線與可研壩線位置一致，下壩線為可研壩線向下游偏移20 m位置。從工程布置上看，上壩線因更靠近高鐵橋，因此導流洞進口和上游圍堰布置范圍受限較多。大壩施工和臨時交通來自下游，因此上壩線各種道路和交通洞稍長，但帷幕灌漿線短了6 m。綜合來看下壩線距離高鐵橋稍遠，工程布置略好。

因上壩與高鐵保護范圍線更近，因此導流洞進口和上游圍堰更靠近基坑，使得基坑施工面較下壩線小。同時大壩臨時和永久交通均通向下游，下壩線交通投資較上壩線投資偏小。因此從施工條件來看下壩線略好[4]。從兩個壩的開挖棄渣以及用料的數量看上壩線方案棄渣量比下壩線大，相應的環(huán)境影響也稍大。上、下兩個壩線相距20 m，庫區(qū)淹沒面積差異微小，樞紐區(qū)占地面積基本一致，總體比較的意義不大。下壩線工程投資較上壩線投資增加624萬元，投資略高。兩條壩線距離僅有20 m，各方面條件差異不大，但經詳細比選，下壩線方案在地質條件、樞紐布置、施工、環(huán)保、工程投資等方面均比上壩線優(yōu)，因此本階段推薦采用下壩線拱壩方案。

5 主要建筑物設計

5.1 擋水建筑物

壩址處河床及兩岸均為硬質巖，且河谷狹窄為“一線天”地形，作為拱壩設計，為保證壩肩抗滑穩(wěn)定，拱壩兩岸嵌深較深，初設階段結合河谷下部狹窄地形，借鑒貓?zhí)恿饔蜷_發(fā)中窄巷口電站等經驗，初擬下部為重力墊座，上部為雙曲拱壩的組合壩型進行分析比較。

下部重力墊座高度結合河谷狹窄部分的高度、壩前淤沙高程和底孔布置高程等因素取63 m，上部拱壩取90 m。上部拱壩壩頂寬7 m，底寬20 m，厚高比0.22，兩側嵌深與整體拱壩方案基本一致。根據本階段設計的拱壩方案和上述初擬的組合壩方案進行對比，組合壩對于基礎兩側嵌深減少作用有限，但因自身沿河流方向較長，使得混凝土方量和開挖量均較大。加之組合壩體結構計算復雜，兩個壩體剛度差異大，拱壩底部需設置周邊縫以適應變形，因而使得結構更為復雜。此外組合壩方案布置壩頂溢流設施時，在小流量泄流易造成下部重力墊座被沖刷。另外下部墊座還可以考慮采用厚拱壩減少下部基礎開挖，但也存在上下部變形協調、周邊縫，以及工程量加大等問題。因此，做成標準拱壩體形結構簡單且經濟性較好，因此本階段繼續(xù)推薦采用拱壩方案進行后續(xù)比選。

樞紐泄水建筑物主要類型有表孔、中孔、放空底孔和取水口。對于表孔布置可選方案有壩頂、左岸和右岸。兩岸布置采用豎井旋流消能，其中左岸布置方案下平洞可利用導流洞改造而成，岸邊表孔方案左岸較優(yōu)。因此表孔布置比選方案有2種：壩頂表孔和左岸表孔。

對于中孔布置可選方案有壩頂、左岸和右岸。兩岸布置采用豎井旋流消能，其中左岸布置方案下平洞可利用導流洞改造而成，岸邊中孔方案左岸較優(yōu)。因此中孔布置比選方案有2種：壩身中孔和左岸中孔。對于放空底孔布置考慮到結合利用的經濟合理性，可選有放空底孔兼取水和放空底孔兼泄洪。底孔兼取水時泄洪中孔獨立布置，底孔兼泄洪時取水口獨立布置。對于獨立布置的取水口可選方案有壩身、左岸和右岸，其中右岸和壩身布置都可以利用右岸基坑隧洞進行管道鋪設，投資少，運行管理方便，因此不考慮獨立取水口布置于左岸。

表孔具有閘門工作水頭低，便于小流量控制常年洪水，超泄能力強，水庫安全性好，因此不宜取消。底孔因具備放空、取水功能，不得高于死水位，因此不能取消。中孔可結合其他建筑物布置進行取舍。因此方案比選按兩個階段進行，先進行泄洪表孔的布置比選，再進行底孔兼顧功能布置比選。

5.2 泄水建筑物

根據調洪計算成果，水庫校核洪水位1288.98 m，設計洪水位1287.00 m，正常蓄水位1287.00 m，死水位1213.00 m。大壩采用C25碾壓混凝土拋物線雙曲拱壩，河床壩基開挖至弱風化下部至微風化基巖，壩基高程1137.5 m，最大壩高153.0 m，正常水位時河谷寬高比0.62。拱冠梁高度150.00 m，下部墊層厚3.00 m，壩頂弧長137.89 m，壩頂寬6.00 m，拱冠梁底寬24.00 m，拱冠厚高比0.16，屬薄拱壩。大壩兩岸壩肩為非溢流壩段，左岸非溢流壩段長70.397 m，右岸長49.532 m。

庫首兩岸壩肩設三層帷幕灌漿平洞, 平洞高程分別為1290.5 m、1225.5 m和1162.0 m，左岸上層平洞長2164.0 m、左岸中層平洞長1421.1 m、左岸下層平洞長334.8 m，右岸上層平洞長1207.0 m、右岸中層平洞長626.6 m、右岸下層平洞長238.7 m，6條灌漿平洞總長5992.2 m。帷幕分為雙排和單排兩種布置型式，近壩部分雙排布置，孔距3 m，遠壩部分單排布置，孔距2 m，總進尺22.80萬m。

壩頂溢洪道位于壩中河床段，中軸線樁號壩0+086.545 m，設2孔溢流表孔，采用2孔5 m×5 m (寬×高)的閘門控制，堰頂高程1282 m，溢流堰采用WES型實用堰，堰頂下游堰面采用WES曲線。左右兩個表孔分別采用挑流和跌流消能。左側表孔堰面曲線后接半徑9 m的反弧段，反弧中心角53.13°，反護段下游側采用水平挑流，鼻坎高程1271.826 m。右表孔采用跌流消能，不設挑坎，末端坡面坡比1∶0.75。溢洪道靠壩頂下游緣閘墩之間設交通橋，橋面寬為5 m，用于壩頂交通。溢流面和閘墩均采用C30鋼筋混凝土[5]。

6 結 論

本工程的主要任務是向黔西縣城供水(包括西部工業(yè)組團和中東部組團)，兼顧解決工程區(qū)周邊的部分灌溉用水。工程建成后，可緩解工業(yè)、縣城發(fā)展與缺水的矛盾，并保證2334畝農田灌溉用水；經計算，P=95%工業(yè)及城鎮(zhèn)供水量4198萬m3/a，P=80%灌溉供水量為77萬m3/a。凹水河水庫壩址以上流域面積225 km2，多年平均年徑流量10 596萬m3，多年平均流量3.36 m3/s。工程區(qū)地震活動為相對弱震區(qū)，無活動斷層發(fā)育。查國家技術質量監(jiān)督局2001版《中國地震動參數區(qū)劃圖》，工程區(qū)地震動峰值加速度小于0.05 g，相應的地震基本烈度小于Ⅵ度，區(qū)域構造穩(wěn)定性較好。工程總投資127 377.00萬元，工程總供水量4274.7萬m3，單方供水投資29.8元/m3，與類似工程比較，本工程經濟效益較優(yōu)。項目的國民經濟內部收益率為9.52%，大于社會折現率8%，經濟凈現值為19 577萬元，大于零，國民經濟評價指標表明，項目合理可行。