雙溪水庫攔河壩設(shè)計方案比選與優(yōu)化

吳偉民，劉詠梅

(1.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000；2.湖南水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410000)

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雙溪水庫攔河壩設(shè)計方案比選與優(yōu)化

吳偉民1，劉詠梅2

(1.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000；2.湖南水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410000)

雙溪水庫攔河壩壩址地形具有特殊性，這使其在各設(shè)計階段中出現(xiàn)多種平面布置方案。通過對各方案在樞紐布置、工程造價、泄流安全、運行維護(hù)等方面定性和定量的比選，擇優(yōu)推薦綜合性能最好的布置方案并對選定方案的攔河壩主要尺寸及細(xì)部設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的攔河壩設(shè)計方案較好地滿足了工程運用要求。圖2幅。

攔河壩；設(shè)計方案；比選；優(yōu)化

1 概 述

雙溪水庫是“福建省重點建設(shè)項目”——沙縣城南水廠的水源工程，位于福建省沙縣南霞鄉(xiāng)雙溪村境內(nèi)，工程由攔河壩、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房和供水系統(tǒng)組成。攔河壩為細(xì)石混凝土砌石重力壩，最大壩高67.0 m，總庫容2768萬m3，為3級建筑物。

壩址段河流呈“S”流向，左右岸地形不對稱，河床寬度10～20 m，正常蓄水位處河谷自然寬度為150～210 m，左岸地形坡度30°～50°，右岸地形坡度30°～45°。壩址地質(zhì)構(gòu)造較簡單，無較大的不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)面；壩址兩岸山坡地表大部分被第四系地層覆蓋，河底為沖洪積層覆蓋，河岸邊、兩岸山坡有基巖零星出露；左岸山體未出現(xiàn)風(fēng)化異常現(xiàn)象，右岸山體310 m高程以上山脊部分風(fēng)化較深。河床覆蓋層下部即為堅硬致密的弱風(fēng)化基巖，巖體較完整，抗沖能力強；河床兩岸山坡基本穩(wěn)定，但大壩在泄洪沖刷、霧化作用下，局部土質(zhì)邊坡可能失穩(wěn)。

2 問題的提出

本工程壩址段地質(zhì)條件較好，但地形條件較為復(fù)雜。壩址段河流呈“S”流向，兩岸山脊、山谷密集交替分布，不利于壩軸線形式(直線或折線)和位置的確定，難以通過簡單分析確定出對樞紐布置合理、工程造價最低、泄流安全度高、運行維護(hù)方便的攔河壩設(shè)計方案。究竟應(yīng)該選擇怎樣的攔河壩平面布置方案？各種方案對工程的綜合性能影響如何？如何對比選出的方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使其更加合理？這些都對工程的安全與經(jīng)濟有著至關(guān)重要的影響。

3 攔河壩設(shè)計方案比選

3.1 攔河壩平面布置方案

本工程攔河壩采用了3種比選方案。方案1的壩軸線(BZ1)布置在左右兩岸的山脊位置(見圖1)，壩軸線與下游主河槽方向的夾角約70°，溢流壩段平面位置以消能設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)情況下(p=3.33%)下泄水流跌落在主河槽位置為原則確定，同時在下泄其他洪水標(biāo)準(zhǔn)時，不會對河床或岸坡產(chǎn)生有害沖刷。方案2的壩軸線(BZ2)是右岸布置在山脊與山谷之間的位置上，左岸布置在岸坡較平緩的山谷位置(見圖1)，壩軸線與下游主河槽方向的夾角約90°，溢流壩段布置在主河槽部位。方案3的壩軸線(BZ3)為折線，右岸布置在山脊位置，在右岸靠近河床部位壩軸線順時針折約20°角，使轉(zhuǎn)折后的壩軸線與下游主河槽方向垂直(見圖2)，溢流壩段布置在主河槽部位，下游水流方向與主河槽方向一致。

圖2 方案3攔河壩布置

3.2 各種方案的綜合性能分析

方案1攔河壩的布置簡潔、緊湊，壩軸線(BZ1)最短，主要問題是壩軸線與下游主河槽方向不垂直，溢流壩段的布置和下游消能工設(shè)計難度較大。圖1中，溢流壩段布置在右岸坡角附近，而此處恰恰是最大壩高位置，因此壩體、下游河床的開挖量很大。同時，溢洪道下游河床及右岸岸坡的支護(hù)工程量也很大(岸坡最大開挖深度和支護(hù)高度均達(dá)30 m左右)，且挑流鼻坎下游的平臺高程為273.00 m，河床高程為261 m；為保證在下泄中小流量(洪水重現(xiàn)期為20%，10%，5%)時不對下游河床產(chǎn)生破壞性沖刷，需要在下游修筑二道壩。

方案2攔河壩的布置也比較簡潔，且由于壩軸線與下游主河槽方向垂直，有利于溢流壩段的布置和泄洪；但該方案的壩軸線(BZ2)最長，約245 m，壩體工程量最大，特別是右岸壩體基本上全部坐落在山谷位置，對大壩的運行安全和工程維護(hù)十分不利，故在一般工程中不采用類似布置方法。

方案3攔河壩的布置綜合了上述兩種布置方案的優(yōu)點，克服了它們的缺點。由于右岸壩肩避開了山谷位置，使壩體在運行時不會受到山洪、泥石流的影響。同時，將溢流壩段布置在主河槽部位且溢洪道的軸線與主河道方向一致，有利于溢流壩的下游消能，又大大減小了壩體澆筑、壩基開挖和支護(hù)的工作量。雖然折線型壩在外觀上有些影響，施工難度和構(gòu)造措施也會相應(yīng)增大，但是綜合比較在樞紐布置、工程造價、泄流安全、運行維護(hù)等方面的性能是最佳的。

4 攔河壩的主要尺寸確定

4.1 非溢流壩剖面尺寸

非溢流壩剖面尺寸基本固定。壩頂高程按滿足擋水和防浪要求確定，以“校核洪水位+安全超高”為控制情況，取323.00 m(壩頂未設(shè)防浪墻)，河床處最低開挖高程為256.00 m，最大壩高為67.0 m；壩頂長度為231.0 m，壩頂寬度按構(gòu)造要求取5 m；重力壩上下游壩坡按滿足穩(wěn)定應(yīng)力要求確定，上游面垂直，下游面坡度為1∶0.75。

4.2 溢流壩尺寸確定

溢流壩尺寸確定的影響因素較多，包括平面位置、溢流前緣長度、堰頂高程、剖面設(shè)計和下游消能工設(shè)計等內(nèi)容。溢流壩段的平面位置一般確定在主河槽位置，對于本工程溢流壩段的布置既要考慮下泄水流歸槽問題，又要考慮放空底孔和生態(tài)放水管的合理設(shè)置。本設(shè)計對此作了優(yōu)化布置，使上述兩方面的要求均得到良好解決。

溢流前緣長度和堰頂高程的確定是相互影響的，一般先按下游河床允許單寬流量確定溢流前緣長度。本工程河床為堅硬致密的弱風(fēng)化基巖，單寬流量可取q=50～70 m3/s，考慮到本工程地形較為復(fù)雜，故取較小的單寬流量值，在滿足泄流安全的情況下，盡量減少挑距。經(jīng)比選擬定溢流壩段總長23.0 m，設(shè)3孔5.0 m×6.0 m(寬×高)平板工作閘門(不設(shè)檢修閘門)，閘墩及導(dǎo)墻厚度均為2.0 m，則最大下泄單寬流量為33.3 m3/s。將該尺寸代入堰流計算公式，得溢流堰堰頂高程為314.00 m。

溢流壩的頂部曲線由復(fù)合圓弧和WES曲線兩部分組成，定型設(shè)計水頭Hd=0.88Hmax；中間直線段坡度為1∶0.80，反弧半徑取10 m，反弧底高程275.042 m，出口處鼻坎高程為276.134 m，挑角取28°。

本工程下游采用挑流消能方式，根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(SL 319—2005)中公式，分別計算在下泄校核洪水(p=0.2%、上游水位321.71 m、下游水位267.96 m、調(diào)洪后最大下泄流量633 m3/s)、設(shè)計洪水(p=2%、上游水位320.92 m、下游水位265.83 m、調(diào)洪后最大下泄流量335 m3/s)、消能防沖設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水(p=3.33%、上游水位320.70 m、下游水位264.76 m、調(diào)洪后最大下泄流量275 m3/s)時的挑距L(分別為103.8、94.2、90.5 m)和沖坑深度tk，均能滿足L/tk>5的要求，且下泄水流歸槽效果良好(見圖2中的3個“○”點)。

4.3 其他

壩內(nèi)設(shè)置生態(tài)放水管，向下游河道放水，生態(tài)放水管直徑為500 mm，生態(tài)放水流量為0.27 m3/s。

5 結(jié) 語

本工程壩址段河流呈“S”流向，兩岸山脊、山谷分布密集，不利于壩軸線形式和位置的確定。本文從樞紐布置的合理性、工程量及工程造價高低、泄流安全性、運行維護(hù)方便可靠等方面對各種可能的攔河壩設(shè)計方案進(jìn)行了比選，擇優(yōu)推薦了綜合性能最好的布置方案，并對該方案攔河壩的主要尺寸確定進(jìn)行了優(yōu)化計算。優(yōu)化后的攔河壩設(shè)計方案較好地滿足了工程運用要求。

[1]SL 319—2005，混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范[S].

[2]鈕新強,王小毛,陳鴻麗.三峽工程樞紐布置設(shè)計[J].水力發(fā)電學(xué)報，2009，28(6)：13_18．

[3]雷長海，汪慶元，夏葉青.皂市水利樞紐布置比選及優(yōu)化[J].人民長江，2008，39(21):18_20.

[4]孫 慧，張 靜，劉 軍.生態(tài)環(huán)保的農(nóng)村水電樞紐布置原則研究[J].小水電，2014(1):23_25.

責(zé)任編輯 吳 昊

2016-08-10

吳偉民(1965-)，男，教授級高級工程師，主要從事水利專業(yè)課程教學(xué)和水利工程設(shè)計工作。E_mail:wwm137@126.com