長(zhǎng)石嶺水庫(kù)工程泄水建筑物方案比選

胡嘉豪

（溫州市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,浙江 溫州 325000）

1 工程概況

樂(lè)清市長(zhǎng)石嶺水庫(kù)工程位于樂(lè)清市芙蓉鎮(zhèn)上岙垟村上游1.6 km處,距離芙蓉鎮(zhèn)4.0 km,防洪保護(hù)范圍主要為芙蓉鎮(zhèn)。工程位于浙江省樂(lè)清市清江主流黃金溪上,長(zhǎng)石嶺水庫(kù)壩址以上流域面積18.3 km2,主流長(zhǎng)9.36 km,河道平均比降5.76%。水庫(kù)以供水為主,兼顧防洪、灌溉等綜合利用。

1.1 工程區(qū)地貌

工程區(qū)屬峽谷地段,河流流向?yàn)?6°,河谷深切,兩岸山體雄偉,地形陡峭,河谷底寬18 m~30 m,兩岸坡度一般在30°~50°之間,為基本對(duì)稱(chēng)的“V”字型河谷,谷底高程約50 m~59 m。兩岸陡崖分布較多,河流縱坡降較大。

1.2 水庫(kù)大壩結(jié)構(gòu)

水庫(kù)大壩為C15 埋石砼重力壩。按50 年一遇洪水設(shè)計(jì),500 年一遇洪水校核,相應(yīng)校核洪水位129.58 m。壩頂高程129.80 m,防浪墻墻頂高程為130.8 m,大壩基底高程53.7 m,最大壩高76.1 m,壩頂長(zhǎng)度203.5 m,其中溢流壩段長(zhǎng)19.8 m,非溢流壩段長(zhǎng)183.7 m。

水庫(kù)汛限水位為116.0 m,防洪高水位129.10 m；正常蓄水位為125.0 m,相應(yīng)庫(kù)容642.4萬(wàn)m3；供水死水位為70.5 m,相應(yīng)庫(kù)容為31.7萬(wàn)m3；水庫(kù)總庫(kù)容737.0萬(wàn)m3,承擔(dān)的防洪庫(kù)容為250萬(wàn)m3。

1.3 上壩公路

長(zhǎng)石嶺大壩建成后,庫(kù)區(qū)原有接南山村的道路受淹后無(wú)法通行。為方便大壩今后運(yùn)行管理和水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)村民正常通行,在大壩左側(cè)設(shè)置上壩公路,上壩公路總長(zhǎng)為410.0 m。大壩左壩肩設(shè)緩沖平臺(tái),大壩公路下游端接新的白雁公路。

2 水庫(kù)泄洪規(guī)模

2.1 下游安全泄量

2.1.1 下游芙蓉鎮(zhèn)的控制斷面要求

長(zhǎng)石嶺水庫(kù)下游芙蓉鎮(zhèn)的堤防標(biāo)準(zhǔn)為10 年一遇,區(qū)間集雨面積為3.234 km2,現(xiàn)狀安全泄量295 m3/s,其中20 年一遇區(qū)間洪峰流量為116.0 m3/s。

2.1.2 樂(lè)清市清江流域防洪要求

根據(jù)《樂(lè)清市流域防洪規(guī)劃》的要求,長(zhǎng)石嶺水庫(kù)需要防洪庫(kù)容為250 萬(wàn)m3,相應(yīng)安全泄量為110 m3/s。2.1.3 本水庫(kù)安全泄量合理性分析

從上述分析可知,當(dāng)長(zhǎng)石嶺水庫(kù)按照區(qū)域防洪要求,下泄110 m3/s時(shí),疊加區(qū)間洪峰后,芙蓉鎮(zhèn)斷面的洪峰流量為226 m3/s,仍然小于其設(shè)計(jì)安全泄量295 m3/s。因此當(dāng)水庫(kù)按照區(qū)域防洪要求110 m3/s時(shí),可以滿(mǎn)足下游區(qū)域防洪要求,也將芙蓉鎮(zhèn)的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高至20 年一遇以上。

2.2 泄洪孔

由于泄洪洞主要功能為確保水庫(kù)可以預(yù)泄110 m3/s,同時(shí)考慮到汛期泄洪孔啟閉的可靠性,以及建筑物在布置上較為對(duì)稱(chēng),且在調(diào)度方式上較靈活,因此采用2 孔的泄洪洞方案。單孔泄洪洞按照水庫(kù)在汛限水位116.0 m時(shí)可以下泄安全泄量110 m3/s進(jìn)行控制。泄洪洞進(jìn)口段底高程101.0 m,泄水孔出口規(guī)模為3.0 m×2.8 m,水庫(kù)在汛限水位116.0 m時(shí),單孔泄洪洞泄流能力128 m3/s。

2.3 泄洪道

考慮本工程壩頂不宜設(shè)置溢洪道,因此在大壩右壩肩進(jìn)行山體開(kāi)挖設(shè)置溢洪道。溢洪道的規(guī)模和調(diào)度方式同重力壩上溢洪道,壩體內(nèi)布置WES溢流面+泄洪洞可大大減少工程投資,同時(shí)也方便后期管理。根據(jù)實(shí)際地形和防洪要求,溢道頂高程略低于正常水位0.5 m左右來(lái)擬定溢洪道堰頂高程124.5 m。為分析溢洪道規(guī)模,采用2 m×6.0 m、2 m×7.5 m、2 m×9.0 m進(jìn)行論證。溢洪道的規(guī)模及下泄流量見(jiàn)表1。

表1 溢洪道規(guī)模及下泄流量表

從上述表格可以看出,溢洪道的下泄流量及校核洪水位與溢洪道凈寬有關(guān)系,根據(jù)上述的計(jì)算成果可以看出,在124.5 m的堰頂高程下,溢洪道凈寬為2 m×6 m可以泄321 m3/s,選擇2 m×7.5 m的堰寬度,可以下泄345 m3/s,采用2 m×9.0 m的閘寬,下泄流量為370 m3/s,為合理控制最高水位,同時(shí)又能增加調(diào)度合理性,溢洪道規(guī)模確定采用2 m×7.5 m。

3 泄水建筑物方案比選

水庫(kù)正常蓄水位125.0 m,汛期限制水位116.0 m,防洪庫(kù)容和有效庫(kù)容部分共用,這就要求泄水建筑物能夠預(yù)泄,以便騰出防洪庫(kù)容。根據(jù)水庫(kù)調(diào)度方案,當(dāng)水庫(kù)水位小于防洪高水位129.1 m時(shí),且水庫(kù)來(lái)水小于110 m3/s,水庫(kù)開(kāi)啟泄洪孔泄洪保持水庫(kù)按照來(lái)水下泄,使水庫(kù)水位維持在汛限水位；

當(dāng)水庫(kù)來(lái)水大于110 m3/s時(shí),水庫(kù)通過(guò)控制閘門(mén)開(kāi)度按照110 m3/s下泄。泄水建筑物布置擬定以下兩種方案。

3.1 方案一采用表孔結(jié)合中孔的型式

表孔溢流堰寬度受到地形限制,故將溢流段設(shè)在重力壩中央段。中孔布置在表孔兩側(cè),消能設(shè)施采用挑流消能并結(jié)合下游河道開(kāi)挖形成的水墊塘進(jìn)行消能的方式。

3.1.1 表孔布置

溢洪道采用WES溢流面+弧形閘門(mén)。溢洪道凈寬采用19.8 m,采用2 m×7.5 m的弧形閘門(mén),中墩寬為1.8 m,兩側(cè)邊墩為1.5 m。堰頂高程為124.5 m,溢洪道設(shè)置兩扇弧形鋼閘門(mén)控制,弧形工作閘門(mén)啟閉設(shè)備選用QH-2×150 kN固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī),啟閉容量為2×150 kN,一門(mén)一機(jī)設(shè)置以迅速開(kāi)啟孔口,下泄洪峰。啟閉機(jī)除配置位置和荷載保護(hù)裝置外,為適應(yīng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控的要求,配置數(shù)字式閘門(mén)開(kāi)度儀和數(shù)字式荷載顯示儀。孔口尺寸（寬×高）7.5 m×5.0 m,堰頂高程124.50 m,水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位（P=2%）129.10 m,設(shè)計(jì)水頭4.60 m,承受總水壓力987 kN。溢洪道正上方設(shè)置啟閉機(jī)房,面積為180 m2。

溢流堰堰頂上游采用三圓弧曲線(xiàn),半徑分別為21.72 m,8.691 m,1.736 m。下游面為開(kāi)敞式溢流堰面曲線(xiàn)接1∶0.75的下游壩坡,下接反弧段,進(jìn)入消力池。下游堰面曲線(xiàn)采用WES曲線(xiàn)。經(jīng)計(jì)算,堰面曲線(xiàn)方程為Y=0.151X1.85,溢流堰前沿末端設(shè)挑流反弧,反弧半徑為10.245 m,挑射角為22°9'。溢流堰斷面及堰頂曲線(xiàn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 溢流堰剖面及堰頂曲線(xiàn)圖

3.1.2 中孔布置

中孔布置在表孔兩側(cè),進(jìn)口底高程為101.0 m。為了使水流平順進(jìn)入,進(jìn)口頂曲線(xiàn)和底曲線(xiàn)采用橢圓曲線(xiàn),長(zhǎng)軸為3.7 m,短軸為1.23 m。進(jìn)口側(cè)曲線(xiàn)采用的橢圓曲線(xiàn)長(zhǎng)軸為2.4 m,短軸為0.80 m。壩身泄水孔采用有壓式,出口壓坡段兩端斷面面積比為0.75,即出口尺寸為3.0 m×2.8 m。出口明流段采用拋物線(xiàn)銜接,經(jīng)計(jì)算,拋物線(xiàn)方程為Y=0.02355X2+0.57735X。中孔上游設(shè)一道事故檢修門(mén),事故檢修門(mén)尺寸3.00 m×3.70 m?？紤]到溢流堰高程以及挑流時(shí)水流合理消能,出口段采用挑流鼻坎頂高程也為70.20 m,反弧半徑為10.245 m,挑射角為22°9'。工作閘門(mén)為潛孔式弧形鋼閘門(mén),孔口尺寸為寬3.0 m,高2.8 m,設(shè)計(jì)水頭30.1 m,工作閘門(mén)操作方式為動(dòng)水啟閉。相應(yīng)結(jié)構(gòu)型式見(jiàn)圖2。

圖2 中孔泄洪洞剖面及曲線(xiàn)圖

3.2 方案二、采用表孔結(jié)合深孔的型式

表孔布置和規(guī)模同方案一,深孔布置在表孔兩側(cè),消能設(shè)施采用挑流消能并結(jié)合二道壩形成的水墊塘進(jìn)行消能的方式。

考慮到泄洪洞與二級(jí)廊道交叉,將泄洪洞進(jìn)口調(diào)整設(shè)置在高程76.0 m。進(jìn)口側(cè)曲線(xiàn)采用的橢圓曲線(xiàn)長(zhǎng)軸為2.0 m,短軸為0.80 m。壩身泄洪洞采用有壓式,進(jìn)口頂曲線(xiàn)和底曲線(xiàn)采用橢圓曲線(xiàn),進(jìn)口尺寸為3.0 m×2.6 m。出口壓坡段兩端斷面面積比為0.87,即出口尺寸為2.6 m×2.6 m。出口孔底高程76.62 m,出口段由弧形閘門(mén)控制[1]。上游設(shè)一道事故檢修門(mén),事故檢修門(mén)尺寸3.0 m×2.6 m。出口采用挑流鼻坎頂高程46.4 m,挑角15°,反弧半徑10.00 m。工作閘門(mén)為弧形鋼閘門(mén),設(shè)計(jì)水頭53.1 m,工作閘門(mén)操作方式為動(dòng)水啟閉。

3.3 方案比選

泄水建筑物布置方案比選主要差異在于中孔和深孔布置方面,現(xiàn)分別從施工工期、運(yùn)行管理、質(zhì)量控制和工程投資方面進(jìn)行比較分析,比較內(nèi)容見(jiàn)表2。

表2 泄洪洞方案比較分析表

在工程施工工期、施工質(zhì)量控制、運(yùn)行管理、泄洪時(shí)對(duì)下游的影響、工程投資等方面來(lái)考慮,方案一優(yōu)勢(shì)較明顯。

另外考慮到本水庫(kù)日常洪水調(diào)度主要通過(guò)泄洪洞進(jìn)行下泄,高水頭時(shí)通過(guò)弧形閘門(mén)開(kāi)度控制下泄流量,難度均較大。頻繁啟閉弧形閘門(mén),對(duì)閘門(mén)質(zhì)量要求較高。另外,高水頭時(shí)如何防止閘門(mén)段的滲水難度也較大。

結(jié)合水庫(kù)泄洪規(guī)模分析,最終確定將“方案一中孔泄洪洞”做為泄水建筑物布置方式。

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)石嶺水庫(kù)泄洪洞采用中孔泄洪布置方式,當(dāng)水庫(kù)水位小于防洪高水位129.1 m時(shí),且水庫(kù)來(lái)水小于110 m3/s,水庫(kù)開(kāi)啟泄洪中孔泄洪保持水庫(kù)按照來(lái)水下泄,使水庫(kù)水位維持在汛限水位；當(dāng)水庫(kù)來(lái)水大于110 m3/s時(shí),水庫(kù)通過(guò)控制閘門(mén)開(kāi)度按照110 m3/s下泄。當(dāng)水庫(kù)水位達(dá)到129.10 m時(shí),此刻水庫(kù)轉(zhuǎn)為保壩運(yùn)行,隨來(lái)水量變化調(diào)整水閘開(kāi)度。工程運(yùn)行后可以滿(mǎn)足下游區(qū)域防洪要求,也將芙蓉鎮(zhèn)的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高至20 年一遇以上。可為類(lèi)似工程泄洪建筑物布置提供一定的參考價(jià)值。