馬鞍山水庫(kù)工程樞紐布置及創(chuàng)新設(shè)計(jì)

任國(guó)榕,潘思潔,吳玉輝,劉振明,吳一杰

(1.中水君信工程勘察設(shè)計(jì)有限公司,成都,610065;2.內(nèi)江水利電力勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川內(nèi)江,641000;3.西華大學(xué),成都,610039)

1 工程概況

馬鞍山水庫(kù)位于攀枝花市米易縣丙谷鎮(zhèn)芭蕉箐村境內(nèi)、橄欖河上游,壩址距丙谷集鎮(zhèn)7.0km,距米易縣17.0km。水庫(kù)工程總庫(kù)容1136萬(wàn)m3,采用瀝青混凝土心墻石渣壩,最大壩高68.0m。工程等別為Ⅲ等,其中馬鞍山水庫(kù)樞紐攔河大壩、溢洪道、放空(導(dǎo)流)隧洞及取水隧洞等建筑物級(jí)別為3級(jí),次要建筑物級(jí)別為4級(jí)。壩址以上集雨面積37.8km2,河長(zhǎng)12.3km,河道平均比降95.0‰。

馬鞍山水庫(kù)灌溉米易縣新山鄉(xiāng)、攀蓮鎮(zhèn)和丙谷鎮(zhèn)的3807.67hm2土地(新增灌面2841hm2,改善灌面966.67hm2)。主要承擔(dān)米易縣農(nóng)田灌溉、城鎮(zhèn)人畜用水,以及城區(qū)應(yīng)急供水的功能,是米易縣骨干水利工程之一。馬鞍山水庫(kù)工程包括水庫(kù)樞紐工程和灌區(qū)輸水工程,其中水庫(kù)樞紐工程由溢洪道、放空(兼導(dǎo)流)洞、南、北干渠放水洞和瀝青混凝土心墻石渣壩組成。

2 壩線選擇

2.1 壩線擬定

馬鞍山水庫(kù)壩址區(qū)位于米易縣丙谷鎮(zhèn)芭蕉箐村橄欖河中游的大墳壩與秦家灣之間,該河段呈“S”形彎曲,總體流向N40°W。河谷谷底較狹窄,谷底寬約2m～26m,河床高程1231.0m～1252.4m,枯水期河水面寬2m～3m,水深約0～0.5m,河床局部見(jiàn)基巖裸露。兩岸基本對(duì)稱(chēng),呈“V”形峽谷,岸坡為斜坡地形,大多基巖裸露,自然坡角10°～35°,兩岸自然坡高65m～107m。根據(jù)地形地質(zhì)條件,結(jié)合樞紐建筑物布置,擬定了上、下2條壩線進(jìn)行比選,兩條壩線位于該段河道最窄部分。上壩線以上右岸有支溝匯入,支溝以上不能滿(mǎn)足水庫(kù)庫(kù)容要求,壩線不能再向上游選取;下壩線以下河道變寬,壩軸線拓寬為430m以上。在此筑壩將大大增加工程投資,因此選定的上、下壩線為該壩址的壩線選擇的上下限。

2.2 比選分析

從地理位置、地形及地質(zhì)條件來(lái)看,兩條壩線的河床覆蓋層厚度、性狀、地基巖石特性等工程地質(zhì)條件基本相同,無(wú)不利的重大工程地質(zhì)問(wèn)題存在,均具備修建當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚牡刭|(zhì)條件。從樞紐布置上比較,下壩線壩頂長(zhǎng)度略長(zhǎng),大壩工程量略大,從工程布置來(lái)看,上、下壩線樞紐布置及主要建筑物型式均一致,包括瀝青混凝土心墻石渣壩、放空洞、溢洪道、南干渠引水隧洞、北干渠引水隧洞。從施工布置條件來(lái)看,上、下壩線交通及料場(chǎng)運(yùn)距基本接近,不構(gòu)成制約影響因素。從水庫(kù)淹沒(méi)角度看,上壩線略?xún)?yōu)于下壩線,由于僅相距50m,淹沒(méi)占地賠償相差不大。

根據(jù)上、下壩軸線地形、地質(zhì)條件進(jìn)行樞紐工程布置,初擬各建筑物的結(jié)構(gòu)尺寸,進(jìn)行各建筑物工程量計(jì)算和投資概算。經(jīng)綜合分析,上、下壩線均具備建壩條件,地質(zhì)條件、施工條件、交通條件相近;上壩線樞紐建筑工程直接投資為10069萬(wàn)元,下壩線樞紐建筑工程投資10981萬(wàn)元,下壩線工程靜態(tài)總投資比上壩線多912萬(wàn)元。從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析,上壩線優(yōu)于下壩線。因此綜合地形地質(zhì)條件、樞紐布置、施工、占地及工程投資等方面比較,選擇上壩線作為工程壩線。

3 水庫(kù)樞紐布置研究

3.1 布置原則

樞紐布置應(yīng)綜合考慮地形地質(zhì)條件的適用性、安全可靠性、施工條件等因素[1-2]。馬鞍山水庫(kù)需要滿(mǎn)足下游灌溉、供水任務(wù),與動(dòng)能專(zhuān)業(yè)配合復(fù)核水庫(kù)的正常蓄水位和死水位,設(shè)有擋水、水庫(kù)充水及取水建筑物,為保證大壩安全運(yùn)行和檢修需要,本工程也設(shè)置了放空洞和溢洪道。為了使工程安全可靠、工程施工和運(yùn)行管理方便,在樞紐布置選擇時(shí)應(yīng)充分考慮建筑物之間有無(wú)相互制約因素存在,大壩軸線和壩型確定后,為確保大壩安全運(yùn)行,優(yōu)先考慮泄洪建筑物布置[3-5]。樞紐總體布置見(jiàn)圖1。

1.壩軸線;2.溢洪道;3.導(dǎo)流放空隧洞;4.南干渠取水洞圖1 馬鞍山水庫(kù)樞紐平面布置

3.2 壩型選擇

從地質(zhì)條件上看,壩址區(qū)內(nèi)出露地層為第四系松散堆積層、第三系上新統(tǒng)昔格達(dá)組及二疊系閃長(zhǎng)巖地層。雖然壩址左岸地質(zhì)條件較好,開(kāi)挖10m～20m以上可達(dá)到修建剛性壩的基礎(chǔ)要求,但是左岸山體陡峭,不利于基礎(chǔ)深層開(kāi)挖;右岸為昔格達(dá)組粘土巖與粉砂巖互層,承載力較低,同時(shí)昔格達(dá)組粘土巖在擾動(dòng)下易遇水軟化,摩擦系數(shù)小,不利于壩體穩(wěn)定。因此,比較適宜修建當(dāng)?shù)夭牧蠅巍?/p>

通過(guò)勘探及試驗(yàn),當(dāng)?shù)貜V泛分布的強(qiáng)風(fēng)化輝長(zhǎng)巖儲(chǔ)量和質(zhì)量滿(mǎn)足作為壩殼石渣料的要求,而瀝青混凝土心墻骨料可從米易縣購(gòu)買(mǎi)。瀝青混凝土心墻石渣壩雖然投資較高,但是參考其他類(lèi)似水庫(kù)工程施工情況,其具有施工制約因素少、質(zhì)量易保證、對(duì)其他工序影響小、節(jié)省工期、現(xiàn)場(chǎng)管理方便等特點(diǎn),因此選擇當(dāng)?shù)夭牧蠅?即采用瀝青混凝土心墻石渣壩為本工程擋水建筑物,壩軸線布置成直線。大壩壩高68m,壩頂長(zhǎng)263m,寬8m,壩頂高程1307.00m。

3.3 導(dǎo)流、放空洞

為保證大壩安全運(yùn)行和檢修需要,水庫(kù)設(shè)置放空設(shè)施。馬鞍山水庫(kù)大壩施工導(dǎo)流時(shí)設(shè)計(jì)為隧洞導(dǎo)流,為充分利用導(dǎo)流洞,考慮節(jié)約工程投資和施工的方便性,將導(dǎo)流洞與放空洞完全結(jié)合布置,放空洞在施工期兼導(dǎo)流洞使用。由于大壩右岸存在較深的昔格達(dá)地層,不適于放空洞施工和運(yùn)行,因此將放空洞布置在左岸,放空洞的軸線應(yīng)在保證大壩和放空洞安全布置需要的情況下,盡量使軸線較短,以節(jié)省工程投資。根據(jù)大壩及上游圍堰的布置,進(jìn)口軸線基本按垂直岸坡等高線布置。放空設(shè)施布置于大壩左壩肩約50.00m,包括隧洞和豎井兩部分。

放空洞為城門(mén)洞型,洞長(zhǎng)350m。設(shè)計(jì)放空流量為10m3/s。隧洞進(jìn)口高程1257.20m,進(jìn)口后120m為有壓洞,底寬3.5m,直墻高度3m,i=1/200。豎井閘室長(zhǎng)度10m,閘室底高程1256.60m。豎井后為城門(mén)洞型無(wú)壓洞,i=1/50,洞長(zhǎng)230m,底寬3.5m,直墻高度3m,隧洞出口高程1252.00m。隧洞出口接98.75m的泄槽,經(jīng)底流消能進(jìn)入橄欖河。

3.4 溢洪道

根據(jù)實(shí)際地形和地質(zhì)條件分析,壩體左岸巖層為強(qiáng)度較高、穩(wěn)定性良好的輝長(zhǎng)巖、花崗巖,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有大的順坡的連通性良好的節(jié)理裂隙發(fā)育,不存在穩(wěn)定問(wèn)題,其工程地質(zhì)條件良好。該地段地形相對(duì)陡峭,地形坡度達(dá)35°以上,巖體風(fēng)化強(qiáng)烈,強(qiáng)風(fēng)化層厚度大,鉛直厚度達(dá)11.95m～35.20m,水平厚度達(dá)15m～65.8m。而大壩右壩肩巖層為昔格達(dá)組粘土巖與粉砂巖互層,該巖層相對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化輝長(zhǎng)巖體其抗沖刷、承載能力、抵抗變形的能力弱,且遇水易軟化和泥化,工程處理措施要求較高。對(duì)左、右岸溢洪道方案做同精度比較工程量及投資后,左岸溢洪道方案比右岸溢洪道方案投資少424萬(wàn)元,綜合安全與經(jīng)濟(jì)等方面考慮,選定左岸溢洪道方案。

根據(jù)左岸良好的地形地質(zhì)條件,此處具備布置側(cè)槽式溢洪道的條件,在溢洪道的形式選擇上將開(kāi)敞式側(cè)槽溢洪道和有閘溢洪道進(jìn)行比較,開(kāi)敞式側(cè)槽溢洪道延軸線方向分為側(cè)槽段、控制段、漸變段、泄槽段和消能防沖段;有閘溢洪道沿軸線方向分為進(jìn)口導(dǎo)流明渠段、閘室段、漸變段、泄槽段和消能防沖段。兩方案布置比較見(jiàn)表1。

表1 溢洪道布置特性比較

從表1可以看出,開(kāi)敞式側(cè)槽溢洪道投資比有閘溢洪道投資省178萬(wàn)元,加之開(kāi)敞式溢洪道運(yùn)行管理要比有閘溢洪道運(yùn)行管理簡(jiǎn)單,因此選擇開(kāi)敞式側(cè)堰溢洪道方案。同時(shí)適應(yīng)地形變化將溢洪道收縮段結(jié)構(gòu)改進(jìn)為由寬淺式迅速變?yōu)檎钍?也有利于節(jié)省成本。

該工程設(shè)計(jì)中溢洪道和導(dǎo)流洞布置在大壩同側(cè),創(chuàng)新性地采用將導(dǎo)流洞與溢洪道相結(jié)合的消能結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖2所示。該結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)兩個(gè)消力池段,一個(gè)消力池段在施工初期與導(dǎo)流洞出口段相連完成施工導(dǎo)流目的;另一個(gè)消力池段與溢洪道出口段相連用以宣泄洪水,防止洪水漫頂,確保大壩安全。與傳統(tǒng)方案對(duì)比可較大幅度節(jié)省成本、減短工期。

1.溢洪道消力池段;2.導(dǎo)流洞消力池段;3.尾坎;4.海漫;5.護(hù)坡;6.防沖槽圖2 導(dǎo)流洞與溢洪道出口共用消能結(jié)構(gòu)示意

3.5 取水建筑物

馬鞍山水庫(kù)取水建筑物包括:北干渠引水隧洞取水口布置于庫(kù)區(qū)右岸庫(kù)尾、南干渠引水隧洞取水口布置于大壩左岸山體前緣、生態(tài)流量放水管。

根據(jù)北干渠渠道線路布置及對(duì)渠系線路的合理優(yōu)化后的布置線路,北干渠引水隧洞須布置于大壩右岸,而大壩右岸存在單薄分水嶺,且有滲漏問(wèn)題。根據(jù)減少渠道長(zhǎng)度及避開(kāi)不利地質(zhì)條件的原則,將北干渠引水隧洞布置于距離大壩樞紐上游約550m的水庫(kù)庫(kù)尾處,下游與北干渠渠道銜接。

南干渠渠道為舊有芭蕉箐水庫(kù)灌區(qū)的灌溉渠道改造而成,渠道線路位于大壩左岸,同樣南干渠引水隧洞須布置于大壩左岸,并且南干渠引水隧洞需要避開(kāi)位于左岸的放空洞,因此本次南干渠引水隧洞取水口布置于大壩上游約150m處,下游與南干渠渠首相接。生態(tài)流量放水管埋設(shè)于南干渠引水隧洞內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合考慮地形、地質(zhì)、料源、交通等情況,經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較,確定馬鞍山水庫(kù)工程樞紐的型式和布置,采用碾壓式瀝青混凝土心墻石渣壩、開(kāi)敞式實(shí)用堰型溢洪道、放空(導(dǎo)流)隧洞、南、北干渠引水隧洞及生態(tài)流量放水管等組合布置方式。改進(jìn)溢洪道收縮段結(jié)構(gòu)和導(dǎo)流洞出口與溢洪道出口共用消力池兩項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì),既能節(jié)省成本、減短工期,也可將導(dǎo)流洞消力池段留作后期的檢修口,從而對(duì)損壞、堵塞部位進(jìn)行檢修,確保溢洪道泄洪系統(tǒng)有效運(yùn)行。馬鞍山水庫(kù)在協(xié)調(diào)各方面因素的同時(shí),降低了工程總投資,使工程產(chǎn)生更優(yōu)的綜合效益,對(duì)類(lèi)似工程設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。