馬鞍山水庫工程樞紐布置及創(chuàng)新設計

任國榕,潘思潔,吳玉輝,劉振明,吳一杰

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

1 工程概況

馬鞍山水庫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。水庫工程總庫容1136萬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,其中馬鞍山水庫樞紐攔河大壩、溢洪道、放空(導流)隧洞及取水隧洞等建筑物級別為3級,次要建筑物級別為4級。壩址以上集雨面積37.8km2,河長12.3km,河道平均比降95.0‰。

馬鞍山水庫灌溉米易縣新山鄉(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)。主要承擔米易縣農(nóng)田灌溉、城鎮(zhèn)人畜用水,以及城區(qū)應急供水的功能,是米易縣骨干水利工程之一。馬鞍山水庫工程包括水庫樞紐工程和灌區(qū)輸水工程,其中水庫樞紐工程由溢洪道、放空(兼導流)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,河床局部見基巖裸露。兩岸基本對稱,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)地形地質條件,結合樞紐建筑物布置,擬定了上、下2條壩線進行比選,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,支溝以上不能滿足水庫庫容要求,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、地形及地質條件來看,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條件基本相同,無不利的重大工程地質問題存在,均具備修建當?shù)夭牧蠅蔚牡刭|條件。從樞紐布置上比較,下壩線壩頂長度略長,大壩工程量略大,從工程布置來看,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。從施工布置條件來看,上、下壩線交通及料場運距基本接近,不構成制約影響因素。從水庫淹沒角度看,上壩線略優(yōu)于下壩線,由于僅相距50m,淹沒占地賠償相差不大。

根據(jù)上、下壩軸線地形、地質條件進行樞紐工程布置,初擬各建筑物的結構尺寸,進行各建筑物工程量計算和投資概算。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10069萬元,下壩線樞紐建筑工程投資10981萬元,下壩線工程靜態(tài)總投資比上壩線多912萬元。從經(jīng)濟指標分析,上壩線優(yōu)于下壩線。因此綜合地形地質條件、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 水庫樞紐布置研究

3.1 布置原則

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

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

3.2 壩型選擇

從地質條件上看,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)昔格達組及二疊系閃長巖地層。雖然壩址左岸地質條件較好,開挖10m～20m以上可達到修建剛性壩的基礎要求,但是左岸山體陡峭,不利于基礎深層開挖;右岸為昔格達組粘土巖與粉砂巖互層,承載力較低,同時昔格達組粘土巖在擾動下易遇水軟化,摩擦系數(shù)小,不利于壩體穩(wěn)定。因此,比較適宜修建當?shù)夭牧蠅巍?/p>

通過勘探及試驗,當?shù)貜V泛分布的強風化輝長巖儲量和質量滿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買。瀝青混凝土心墻石渣壩雖然投資較高,但是參考其他類似水庫工程施工情況,其具有施工制約因素少、質量易保證、對其他工序影響小、節(jié)省工期、現(xiàn)場管理方便等特點,因此選擇當?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263m,寬8m,壩頂高程1307.00m。

3.3 導流、放空洞

為保證大壩安全運行和檢修需要,水庫設置放空設施。馬鞍山水庫大壩施工導流時設計為隧洞導流,為充分利用導流洞,考慮節(jié)約工程投資和施工的方便性,將導流洞與放空洞完全結合布置,放空洞在施工期兼導流洞使用。由于大壩右岸存在較深的昔格達地層,不適于放空洞施工和運行,因此將放空洞布置在左岸,放空洞的軸線應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,進口軸線基本按垂直岸坡等高線布置。放空設施布置于大壩左壩肩約50.00m,包括隧洞和豎井兩部分。

放空洞為城門洞型,洞長350m。設計放空流量為10m3/s。隧洞進口高程1257.20m,進口后120m為有壓洞,底寬3.5m,直墻高度3m,i=1/200。豎井閘室長度10m,閘室底高程1256.60m。豎井后為城門洞型無壓洞,i=1/50,洞長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)底流消能進入橄欖河。

3.4 溢洪道

根據(jù)實際地形和地質條件分析,壩體左岸巖層為強度較高、穩(wěn)定性良好的輝長巖、花崗巖,沒有發(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)定問題,其工程地質條件良好。該地段地形相對陡峭,地形坡度達35°以上,巖體風化強烈,強風化層厚度大,鉛直厚度達11.95m～35.20m,水平厚度達15m～65.8m。而大壩右壩肩巖層為昔格達組粘土巖與粉砂巖互層,該巖層相對于強風化輝長巖體其抗沖刷、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424萬元,綜合安全與經(jīng)濟等方面考慮,選定左岸溢洪道方案。

根據(jù)左岸良好的地形地質條件,此處具備布置側槽式溢洪道的條件,在溢洪道的形式選擇上將開敞式側槽溢洪道和有閘溢洪道進行比較,開敞式側槽溢洪道延軸線方向分為側槽段、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口導流明渠段、閘室段、漸變段、泄槽段和消能防沖段。兩方案布置比較見表1。

表1 溢洪道布置特性比較

從表1可以看出,開敞式側槽溢洪道投資比有閘溢洪道投資省178萬元,加之開敞式溢洪道運行管理要比有閘溢洪道運行管理簡單,因此選擇開敞式側堰溢洪道方案。同時適應地形變化將溢洪道收縮段結構改進為由寬淺式迅速變?yōu)檎钍?也有利于節(jié)省成本。

該工程設計中溢洪道和導流洞布置在大壩同側,創(chuàng)新性地采用將導流洞與溢洪道相結合的消能結構,見圖2所示。該結構預設兩個消力池段,一個消力池段在施工初期與導流洞出口段相連完成施工導流目的;另一個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.導流洞消力池段;3.尾坎;4.海漫;5.護坡;6.防沖槽圖2 導流洞與溢洪道出口共用消能結構示意

3.5 取水建筑物

馬鞍山水庫取水建筑物包括:北干渠引水隧洞取水口布置于庫區(qū)右岸庫尾、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,且有滲漏問題。根據(jù)減少渠道長度及避開不利地質條件的原則,將北干渠引水隧洞布置于距離大壩樞紐上游約550m的水庫庫尾處,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)流量放水管埋設于南干渠引水隧洞內(nèi)。

4 結語

綜合考慮地形、地質、料源、交通等情況,經(jīng)過經(jīng)濟技術比較,確定馬鞍山水庫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、開敞式實用堰型溢洪道、放空(導流)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。改進溢洪道收縮段結構和導流洞出口與溢洪道出口共用消力池兩項創(chuàng)新設計,既能節(jié)省成本、減短工期,也可將導流洞消力池段留作后期的檢修口,從而對損壞、堵塞部位進行檢修,確保溢洪道泄洪系統(tǒng)有效運行。馬鞍山水庫在協(xié)調(diào)各方面因素的同時,降低了工程總投資,使工程產(chǎn)生更優(yōu)的綜合效益,對類似工程設計有一定的參考價值。