某水庫樞紐布置設(shè)計(jì)

杜全勝，嚴(yán)克兵，何楠

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 鄭州 450003）

0 引言

翁結(jié)水庫壩址控制流域面積100.90 km2。多年平均水量11 835 萬m3，多年平均流量3.75 m3/s。可研階段，年均總供水量3 198 萬m3。壩型為碾壓混凝土重力壩，最大壩高111.50 m，水庫總庫容2 594 萬m3。

1 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造南汀河斷裂、雙江斷裂所控制，構(gòu)造體系基本屬于徑向構(gòu)造體系，只在局部地區(qū)零星分布有緯向構(gòu)造體系，主要構(gòu)造類型為走向北北東、北東的斷裂、褶皺和新生界斷陷盆地。工程區(qū)處于瀾滄—耿馬地震條帶東緣，位于南汀河活動(dòng)斷裂帶東側(cè)，該地震帶震級(jí)高、烈度大、活動(dòng)頻繁。區(qū)域活動(dòng)性斷裂三尖山斷裂（F35）從本灌區(qū)穿越，工程區(qū)的地層表現(xiàn)為整體抬升。南汀河斷裂帶和汗母壩斷裂為全新世活動(dòng)斷裂，具有發(fā)生7.5級(jí)左右的地震構(gòu)造條件。工程區(qū)位于0.30 g分區(qū)，地震基本烈度為Ⅷ度，屬?gòu)?qiáng)震區(qū)。

1.1 地形地貌

壩址區(qū)地貌類型為構(gòu)造侵蝕山地及深切河谷地貌。

南碧河壩址段流向302°，總體呈南東—北西向，壩址區(qū)平直段河道長(zhǎng)約860 m，壩址下游河流流向近東西向，自東向西流。壩址區(qū)河底高程1 350～1 390 m，寬20～30 m。

壩址區(qū)兩岸高程均高于1 800 m，河流切割深度達(dá)250～350 m，河谷呈深“V”型谷，兩岸局部基巖裸露，山形陡峻，岸坡自然坡度一般為35°～55°，靠近河床或溝谷的陡坡局部大于65°。遠(yuǎn)岸的平緩山坡以及左岸山梁平緩處坡度僅為15°～25°，南碧河壩址段水面高程為1 365～1 375 m，平水期水面寬約3～5 m，豐水期約5～8 m。

壩址區(qū)左壩肩以上高程岸坡強(qiáng)風(fēng)化層及其以上最大厚度約54 m；右壩肩以上高程岸坡強(qiáng)風(fēng)化層及其以上最大厚度約68 m；河床地段壩基強(qiáng)風(fēng)化帶埋深較淺，一般為0～5 m。

1.2 地層巖性

壩址區(qū)出露地層主要由泥盆系（D2-3）和第四系（Q）地層組成。其中泥盆系中上統(tǒng)（D2-3）地層廣泛分布于壩址區(qū)的左右兩岸，主要巖性為淺灰、灰白、青灰白、深灰色變質(zhì)石英中細(xì)粒砂巖，夾薄層狀千枚巖、砂質(zhì)板巖或黑云石英片巖等。巖層傾角較陡，一般可達(dá)55°～65°，局部由于構(gòu)造作用近垂直。

第四系全新統(tǒng)地層（Q）主要為第四系殘坡積物（Qedl）層及沖洪積物（Qal+pl），巖性以灰色、灰黃色、土黃色含碎石粘性土夾砂等為主。

壩址區(qū)地表共發(fā)現(xiàn)20 余條斷層，其中規(guī)模較大的有3 條（F1～F3），走向主要以NE向?yàn)橹?，傾角一般在60°～80°。

壩址區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙水，地下水主要接受大氣降水及地表水補(bǔ)給。

2 樞紐布置

翁結(jié)水庫供水量3 198 萬m3，其中灌溉2 561 萬m3、生活638 萬m3。翁結(jié)水庫配套干渠的總干渠渠首設(shè)計(jì)流量為4.37 m3/s。樞紐需要布置擋水、泄水和引水建筑物，同時(shí)保證生態(tài)基流的下泄。

2.1 布置條件和布置原則

布置原則為：①充分利用重力壩壩身泄洪，適當(dāng)留有裕度，增強(qiáng)泄洪設(shè)施運(yùn)行的安全性；大壩屬于2 級(jí)建筑物，地震烈度為VIII級(jí)，考慮設(shè)置底孔用于泄洪和放空。②利用壩身引水，結(jié)合總干渠位置，選擇引水建筑物的位置。③結(jié)合壩址區(qū)已建公路考慮上壩永久道路及工程管理等有關(guān)設(shè)施。④引水孔進(jìn)口高程考慮能夠全部自流灌溉，且位于淤沙高程以上。

2.2 首部樞紐布置選擇

泄水建筑物需布置在主河床部位，泄水建筑物采用表孔和底孔；為了控制規(guī)模，盡量讓正常蓄水位控制壩頂高程，泄水建筑物型式和規(guī)模的選擇需要滿足上述要求。

下游河道在壩后約80 m 處向右拐向下游，為了避免表孔和底孔挑流對(duì)下游岸坡不利，將底孔布置在表孔右側(cè)，底孔右側(cè)布置引水孔和壩后引水設(shè)施，這樣可以讓壩后引水設(shè)施靠近右岸下游邊坡，減少工程量。

耿馬灌區(qū)和耿馬縣城都在水庫右岸下游，根據(jù)供水的需要，引水建筑物不能布置在左岸壩段而只能布置在右岸。

擋水建筑物布置在左、右兩岸。

總干渠進(jìn)口隧洞位于壩后右側(cè)，渠首過渡水池需要設(shè)置在壩后右側(cè)，同時(shí)利用過渡水池實(shí)現(xiàn)生態(tài)基流的泄放。

壩址區(qū)已建公路位于右壩肩附近，為了便于交通和節(jié)省投資，永久上壩公路結(jié)合已建公路布置于右岸，工程管理有關(guān)設(shè)施布置于右壩肩附近。

2.3 泄洪建筑物型式選擇

2.3.1 泄洪建筑物設(shè)計(jì)原則

泄洪建筑物的布置考慮了以下原則：①滿足樞紐的設(shè)計(jì)泄洪需要，并有一定的超泄能力；②根據(jù)地形、地質(zhì)條件，合理選擇下游水流銜接模式，當(dāng)泄洪建筑物正常運(yùn)行時(shí)，必須確保大壩及其它主要建筑物的運(yùn)行安全，盡量避免對(duì)兩岸山體的沖刷，減少防護(hù)工程量。

2.3.2 泄洪建筑物方案選擇

翁結(jié)水庫壩址河床狹窄，主河槽寬度約30 m。碾壓混凝土重力壩的最大壩高達(dá)到約110 m，設(shè)計(jì)地震烈度為VIII度。綜合考慮以上因素，泄洪建筑物的型式采用溢流表孔+泄洪放空底孔的布置型式。泄洪建筑物的布置方式考慮以下三種方案：

方案1：1個(gè)溢流表孔（有閘控制）+1個(gè)泄洪放空底孔方案。

溢流表孔采用弧形閘門控制，共1孔，凈寬6.50 m，堰頂高程1 465.80 m。為降低閘門開啟頻率，經(jīng)過調(diào)洪演算，汛期可以最低將水位降低到1 470.50 m。溢流堰采用WES 堰型。表孔布置見圖1。

圖1 方案1溢流表孔布置圖

泄洪放空底孔采用短有壓進(jìn)口型式，進(jìn)口底高程為1 400 m。出口采用挑流消能方式，挑坎高程1 392.92 m，反弧段半徑R為21 m，挑角15°。

方案1 的設(shè)計(jì)洪水位是1 472.50 m，校核洪水位是1 472.69 m。經(jīng)復(fù)核，該方案壩頂高程取為1 473.50 m。

方案2：2個(gè)溢流表孔（無閘門控制）+1個(gè)泄洪放空底孔方案。

溢流表孔采用無閘門控制，共2孔，單孔寬度10 m，總凈寬度20 m，堰頂高程和正常蓄水位齊平，為1 472.50 m。堰頂上游堰頭采用三圓弧曲線，前緣坡比3∶0，下游堰面采用WES 實(shí)用堰，冪曲線為y=0.2463x1.85，定型設(shè)計(jì)水頭Hd=2.30 m，堰面下接坡度為1∶0.75的斜坡段。表孔布置見圖2。

圖2 方案2溢流表孔布置圖

泄洪放空底孔布置方式同方案1。

方案2 的設(shè)計(jì)洪水位是1 474.71 m，校核洪水位是1 475.30 m。

經(jīng)復(fù)核，本方案壩頂高程取為1 475.40 m。

方案3：2個(gè)溢流表孔（有閘門控制）+1個(gè)泄洪放空底孔方案。

溢流表孔采用平板閘門控制，共2 孔，單孔寬度7 m，總凈寬度14 m，堰頂高程和汛期運(yùn)用控制水位齊平，為1 470.50 m。汛期敞泄，非汛期關(guān)門蓄水，水位高于正常蓄水位時(shí)開啟閘門泄洪。堰頂上游堰頭采用單圓弧曲線，前緣坡比3∶3，下游堰面采用WES 實(shí)用堰，冪曲線為y=0.3118x1.873，定型設(shè)計(jì)水頭Hd=2.00 m，堰面下接坡度為1∶0.75的斜坡段。表孔布置見圖3。

圖3 方案3溢流表孔布置圖

泄洪放空底孔布置方式基本同方案1，不同的是事故檢修閘門孔口尺寸3 m×5 m，由壩頂門機(jī)啟閉?；⌒喂ぷ鏖T孔口尺寸為3 m×4 m。

方案3 的設(shè)計(jì)洪水位是1 472.50 m，校核洪水位是1 472.65 m。經(jīng)復(fù)核，該方案壩頂高程取為1 473.50 m。

2.3.3 方案比較

三種泄洪方案比較見表1。由比較可知，方案1投資最省，汛期可結(jié)合水情自動(dòng)測(cè)報(bào)，汛前泄放至汛期運(yùn)用控制水位后關(guān)閉閘門，蓄滿后再開啟泄流，降低閘門的開啟頻率。因此可研階段推薦1個(gè)溢流表孔（有閘控制）+1個(gè)泄洪放空底孔方案，溢流表孔采用弧形閘門控制，共1孔，單孔寬度6.50 m，堰頂高程1 465.80 m，汛期運(yùn)用控制水位為1 470.50 m。

表1 三種泄洪方案比較表

2.4 樞紐布置

首部樞紐主要建筑物包括：1 座碾壓混凝土重力壩，結(jié)合壩身布置的1個(gè)溢流表孔、1個(gè)泄洪放空底孔、1個(gè)疊梁門取水口以及下游消能防沖建筑物。

首部樞紐建筑物大壩由擋水壩段、溢流壩段、底孔壩段和引水壩段組成，壩頂長(zhǎng)度286 m，壩頂寬度10 m，壩頂高程1 473.50 m，最大壩高111.50 m，共分13個(gè)壩段。

2.4.1 擋水壩段

左岸1#～5#壩段為左岸擋水壩段，合計(jì)110 m；8#～13#壩段為右岸擋水壩段，合計(jì)132 m。壩體基本斷面呈三角形。壩頂寬度10 m，上游采用折面，折坡點(diǎn)高程1 400 m，折坡點(diǎn)以上為鉛直面，以下坡度為1:0.20；下游壩坡1:0.75，折坡點(diǎn)高程為1 463.50 m；三角形頂點(diǎn)高程1 476.83 m。

2.4.2 溢流壩段

6#壩段為溢流壩段，為使下游水流歸槽，采用正對(duì)河道布置。有閘門控制，共1 孔，凈寬6.50 m，邊墩寬度2.50 m，壩段總寬22 m。采用開敞式WES 曲線實(shí)用堰型式，堰頂高程1 465.80 m。堰頂下游WES曲線實(shí)用堰面和下游壩面連接，出口采用挑流消能，挑坎高程1 372.12 m，挑角15°，反弧半徑10 m。下游設(shè)長(zhǎng)30 m、厚1 m護(hù)坦，護(hù)坦頂高程1 362 m。

2.4.3 泄洪放空底孔和引水壩段

7#壩段靠近右岸，為泄洪放空底孔和引水壩段，緊鄰6#壩段布置，壩段長(zhǎng)22 m，泄洪放空底孔共1孔，泄洪放空底孔和表孔一起承擔(dān)泄洪任務(wù)，同時(shí)具有放空水庫的功能。淤沙高程為1 406.50 m，按不排沙設(shè)計(jì)。為了不使淤沙影響閘門開啟，同時(shí)考慮水流流速過高需要設(shè)置抗沖磨設(shè)施，將底孔進(jìn)口底板高程設(shè)置在1 400 m?？裳须A段，底孔采用常用的短有壓進(jìn)口形式。

由于灌區(qū)在大壩右岸，將引水口設(shè)置在泄洪放空底孔右側(cè)。根據(jù)灌區(qū)自流灌溉需要，引水口進(jìn)口高程設(shè)置在1 407.50 m 可滿足要求。為了降低水庫蓄水以后低溫水對(duì)下游灌區(qū)作物的影響，經(jīng)分析，采用運(yùn)用和檢修比較靈活的疊梁門取水型式。后接穿壩鋼管到壩后平臺(tái)，末尾布置內(nèi)聚活塞式調(diào)流調(diào)壓閥，后接壩后過渡水池。水流經(jīng)過調(diào)流調(diào)壓后進(jìn)入過渡水池。過渡水池作為總干渠渠首引水建筑物，后接總干渠引水洞。

2.4.4 其他設(shè)施

①生態(tài)基流設(shè)施。生態(tài)基流的泄放采用在壩后過渡水池底部設(shè)生態(tài)基流管，水流經(jīng)過調(diào)流調(diào)壓后泄放到下游河道。②過魚設(shè)施。由于翁結(jié)水庫位于南碧河的源頭區(qū)域，大壩的阻隔作用不明顯，因此修建過魚系統(tǒng)的意義較小。此外，不推薦專門修建過魚設(shè)施，而是以捕撈過壩的形式代替。在翁結(jié)水庫引水口前設(shè)置電攔魚設(shè)施，防止水庫里的魚隨水引走。③交通設(shè)施。新建進(jìn)場(chǎng)道路一條，通往右壩肩和壩后平臺(tái)。

3 結(jié)論

①翁結(jié)水庫壩址選擇是合適的，建壩條件較好，庫容滿足工程需要，可以滿足自流灌溉。②樞紐布置合理，引泄水建筑物布置緊湊，滿足灌區(qū)需要。