SETH水利樞紐泄水建筑物設(shè)計(jì)

翟 政

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

1 工程概況

SETH工程位于新疆阿勒泰地區(qū)青河縣烏倫古河上游流域，是烏倫古河流域規(guī)劃確定的唯一具有多年調(diào)節(jié)能力的水庫(kù)。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高75.5 m，壩頂高程為1032.0 m。壩體布置引水、門庫(kù)、電梯井等功能壩段，泄水建筑物亦布置于壩體，電站廠房為壩后式。工程任務(wù)以供水及防洪為主，兼顧灌溉和發(fā)電，并為加強(qiáng)流域水資源管理和水生態(tài)保護(hù)創(chuàng)造條件。水庫(kù)總庫(kù)容2.94億m3，防洪庫(kù)容0.21億m3。工程建成后，可使下游沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)防洪標(biāo)準(zhǔn)由10 a一遇提高到20 a一遇，縣城防洪標(biāo)準(zhǔn)由20 a一遇提高到30 a一遇。

2 泄水建筑物布置及選型研究

一般而言，泄水建筑物服務(wù)于主體工程，滿足工程開發(fā)任務(wù)，適應(yīng)水文及地形地質(zhì)等條件，確保工程安全發(fā)揮功效[1]。本工程泄水建筑物的布置及型式選擇需考慮水庫(kù)供水和防洪任務(wù)的調(diào)度運(yùn)行、地形地質(zhì)限制條件以及樞紐整體布置的協(xié)調(diào)。

2.1 水庫(kù)供水及防洪調(diào)度運(yùn)行方式

水庫(kù)來(lái)水量首先滿足生態(tài)基流要求，其次滿足流域生活和工業(yè)用水要求，最后滿足農(nóng)業(yè)灌溉和河谷林生態(tài)用水要求，當(dāng)出現(xiàn)枯水年時(shí)，首先影響的是河谷林生態(tài)用水，其次是農(nóng)業(yè)灌溉用水。在水庫(kù)死水位986.0 m時(shí)（枯水時(shí)段），需要向下游提供工業(yè)及農(nóng)業(yè)用水，水量約55 m3/s[2]。

水庫(kù)防洪調(diào)度在30 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)以下均需要控制泄流量。當(dāng)庫(kù)水位達(dá)到20 a一遇防洪高水位之前，控制下泄流量為20 a一遇水庫(kù)安全控泄量395 m3/s[2]；若庫(kù)水位繼續(xù)升高，則控制下泄流量為水庫(kù)30 a一遇控泄流量479 m3/s[2]，直至達(dá)到水庫(kù)30 a一遇防洪高水位；在庫(kù)水位達(dá)到30 a一遇防洪高水位時(shí)，若入庫(kù)流量小于庫(kù)水位最大泄量，則控制出庫(kù)流量不得大于入庫(kù)流量以防止形成人造洪峰，反之水庫(kù)敞泄；工程泥沙含量較少，考慮生態(tài)放水一般下放表層水的要求，本工程30 a一遇洪水以下需高位通道泄上層水。

2.2 地形地質(zhì)條件

樞紐壩址處松散堆積物厚度不大，易于處理，壩址岸坡整體穩(wěn)定，壩基巖體以弱透水為主，巖體滲透穩(wěn)定性好。壩址處主河槽寬度較小，偏向右岸，左岸為灘地，坡度較為平緩，地形相對(duì)開闊；右岸為凹岸，水流通道不夠順直。壩址左岸有單薄山體，可作為溢洪道天然埡口，埡口處表層為厚度0.3～4 m的坡洪積含土碎石，巖體中斷層及結(jié)構(gòu)面發(fā)育，抗沖性能差，巖體透水性較強(qiáng)。

2.3 樞紐布置整體協(xié)調(diào)

樞紐中的永久建筑物包括攔河壩、泄水建筑物、引水建筑物、電站廠房以及過(guò)魚建筑物。對(duì)于以重力壩為攔河壩的樞紐，往往發(fā)揮重力壩結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，將樞紐功能集中于壩體實(shí)現(xiàn)。本工程采用壩后式廠房，引水建筑物置于壩身，其后尾水渠不宜偏離主河床，過(guò)魚建筑物一般與尾水渠同側(cè)。因主河床寬度較窄，如泄水建筑物布置于壩身，需充分考慮其與引水建筑物在主河床中的位置關(guān)系。

2.4 泄水建筑物型式及布置方案

從地形地質(zhì)條件方面考慮，雖然有天然埡口可布置壩外溢洪道，但單獨(dú)修建溢洪道作為泄洪通道不僅增加土石方開挖量，還增加鋼筋混凝土投資，經(jīng)濟(jì)性較差，故泄水建筑物布置方案以壩內(nèi)布置為宜。壩內(nèi)布置泄水建筑物，需協(xié)調(diào)其與引水壩段的位置，右岸為凹岸，水庫(kù)泄水水流不平順，且電站出線在右岸，如將電站布置于左岸，出線不便，經(jīng)整體考慮，泄水建筑物布置于主河床靠左岸位置。根據(jù)規(guī)劃30 a一遇以下洪水通過(guò)高位通道泄水的要求，宜布置溢流表孔，且需要表孔具有較好的超泄能力，這是重力壩設(shè)計(jì)泄洪方式的首選。壩址區(qū)地震烈度為8度，需考慮必要情況下的水庫(kù)降低水位和放空運(yùn)行，同時(shí)考慮死水位986.0 m時(shí)需要為下游提供工業(yè)及農(nóng)業(yè)用水，所以壩體布置底孔是必要的。通過(guò)調(diào)洪計(jì)算，表孔和底孔聯(lián)合泄洪，初擬布置1孔10 m凈寬的表孔和1孔3 m凈寬的底孔可滿足泄洪和供水要求?？紤]泄水壩段與引水壩段之間的隔墩壩段布置表孔門庫(kù)，為運(yùn)行管理方便，表孔布置于右側(cè)，底孔布置于左側(cè)。

本工程壩基巖體較好，消能型式應(yīng)優(yōu)先采用挑流消能。但經(jīng)初步計(jì)算，采用常規(guī)18.0°挑角的連續(xù)挑坎時(shí)，設(shè)計(jì)洪水工況的表孔泄流挑距為85 m，沖坑深度為15 m，沖坑位置位于魚道誘魚進(jìn)口附近，對(duì)過(guò)魚建筑物、電站廠房、下游岸坡等均產(chǎn)生影響。挑流消能在冬季運(yùn)行時(shí)，建筑物邊壁容易產(chǎn)生冰凌，會(huì)對(duì)建筑物產(chǎn)生危害，影響建筑物發(fā)揮正常功能。本工程擋水壩段最大壩高75.5 m，介于高壩和中壩分界部位，采用底流消能可使下游水流流態(tài)穩(wěn)定，減小對(duì)下游誘魚口的影響，泄洪霧化的雨區(qū)、雨強(qiáng)比挑流消能工程小得多[3]，可減少冬季泄水霧化結(jié)冰對(duì)建筑物產(chǎn)生的危害，故本工程泄水建筑物采用底流消能方式。

3 泄水建筑物設(shè)計(jì)

3.1 表孔結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)

表孔為開敞式溢流孔，承擔(dān)主要泄洪任務(wù)，選擇流量系數(shù)較大且運(yùn)用較為廣泛的WES實(shí)用堰堰型，堰頂高程1019.0 m，堰頂上游曲線采用1/4橢圓曲線，方程為x2/2.782+y2/1.572=1。為便于閘門布置，堰頂設(shè)0.716 m水平直線段，下游是WES冪曲線，方程為y=0.0755x1.85，下游壩面同壩體整體坡度為1∶0.75，斜坡末端通過(guò)半徑為20.0 m的反弧段與消力池底板相切連接。表孔設(shè)置1孔，凈寬為10.0 m，邊墩厚4.0 m，下游導(dǎo)墻厚2.5 m。表孔設(shè)平板檢修閘門及弧形工作閘門，弧形工作閘門便于控制泄量。表孔堰頂設(shè)1跨凈跨為10.0 m的預(yù)制“T”形梁橋，橋面高程為1032.0 m、寬5 m。

3.2 底孔結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)

因枯水期供水任務(wù)及水庫(kù)降低水位和放空需求，底孔進(jìn)水口高程控制水位為死水位986.0 m，該水位下下泄流量需大于55 m3/s以滿足下游工農(nóng)業(yè)用水。對(duì)于碾壓混凝土重力壩來(lái)說(shuō)，壩體孔洞規(guī)模不宜過(guò)大，擬定底孔進(jìn)水口尺寸為3 m×4 m，在死水位下計(jì)算的最小淹沒(méi)深度為4.26 m，底孔進(jìn)水口底高程取976.0 m，孔口淹沒(méi)深度為4.4 m。底孔進(jìn)口頂部采用橢圓曲線，方程為x2/5.62+y2/1.92=1，側(cè)面采用半徑為1.5 m的圓弧曲線，下緣采用半徑為1.5 m的圓弧曲線，其后設(shè)置一道平板事故檢修閘門，門槽處的孔口高度為5.6 m。閘門槽后底部接拋物線段，方程為y=0.025x2，其后采用長(zhǎng)約18.3 m的有壓斜坡段連接到弧門處，斜坡坡度1∶4；為消除出口處的負(fù)壓，頂部采用1∶3.3929全程壓坡。檢修閘門與工作閘門之間的洞段采用全斷面鋼板襯護(hù)，以降低壩體滲透壓力，減少滲透量。出口后底孔寬度由3 m擴(kuò)散到消力池處變?yōu)?0 m，與消力池底的連接采用半徑為20 m的圓弧曲線。底孔進(jìn)口檢修閘門由壩段門機(jī)控制，出口弧形工作閘門采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)控制。

消能方式采用底流消能方式，表孔及底孔壩段消力池采用整體U形槽，池底高程959.0 m，池長(zhǎng)105.55 m，采用中隔墻分割，寬度分別為13、10 m，尾坎頂高程968.5 m、寬2 m，后以坡度1∶1連接海漫護(hù)坦，邊墻及中隔墻墻頂高程977.0 m。消力池后接長(zhǎng)30 m、厚1 m的鋼筋混凝土防沖護(hù)坦及長(zhǎng)12 m的拋石防護(hù)區(qū)。為與基礎(chǔ)巖石緊密聯(lián)接，消力池全底板設(shè)置系統(tǒng)錨桿，并進(jìn)行固結(jié)灌漿。系統(tǒng)錨桿為Φ28錨筋，入巖7.5 m。固結(jié)灌漿孔孔深5 m，間排距3 m。遇有破碎帶需挖除，設(shè)置混凝土巖塞。為減小浮托力，消力池全基礎(chǔ)設(shè)置Φ110消力池排水孔，入巖6 m，間排距4 m。底板與基礎(chǔ)巖石之間設(shè)置橫縱排水溝。

3.3 泄流能力計(jì)算

根據(jù)SL319-2005計(jì)算各庫(kù)水位下表孔泄流量、底孔泄流量和總泄流量，結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 泄流能力匯總

由表1可知，正常蓄水位1027.0 m時(shí)，泄流能力為761.7 m3/s；設(shè)計(jì)水位1028.24 m時(shí)，泄流能力為880.1 m3/s；校核洪水位1029.94 m時(shí)，泄流能力為1056.2 m3/s，泄流建筑物的泄流能力滿足各頻率洪水泄量要求。

3.4 消能工計(jì)算

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，消力池按50 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，P=2%時(shí)需泄流量636 m3/s，相應(yīng)壩前水位為1028.24 m，相應(yīng)壩軸線下游160 m處（接近消力池尾端）水位為972.1 m。利用理正巖土軟件做消力池消能計(jì)算，成果詳見(jiàn)表2。消力池底板抗浮穩(wěn)定計(jì)算成果，詳見(jiàn)表3。

表2 消能計(jì)算成果

表3 消力池底板抗浮穩(wěn)定計(jì)算成果

在未設(shè)置錨筋的情況下，各工況消力池底板抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)均小于規(guī)范允許值。因此，采取錨筋加固的方式對(duì)消力池底板進(jìn)行加固，以滿足底板抗浮要求。消力池設(shè)置Φ28、間排距2.0 m、入巖長(zhǎng)度7.5 m的錨筋底板即可滿足抗浮穩(wěn)定要求[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

SETH水利樞紐工程地處新疆嚴(yán)寒且缺水的地區(qū)，是山區(qū)高壩大庫(kù)，水資源利用調(diào)度原則較為復(fù)雜。泄水建筑物的布置需根據(jù)樞紐工程的具體工作任務(wù)來(lái)確定，高水頭、窄河谷、大流量以及多目標(biāo)的水利樞紐適合于表孔、中孔及深孔的形式。本工程泄水建筑物設(shè)計(jì)結(jié)合了運(yùn)用要求、主體建筑物布置以及地形地質(zhì)條件等，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的方案比較研究，確定了符合工程特點(diǎn)且經(jīng)濟(jì)合理的布置及結(jié)構(gòu)方案，以確保工程供水需求、保障工程具有良好的泄洪防洪效果。