庫中庫工程設(shè)計要點探討

周戀彬，楊 曉

（1.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司,湖南 長沙 410014；2.湖南省建筑設(shè)計院集團有限公司,湖南 長沙 410208）

1 引言

大中型水利水電樞紐工程建成蓄水后,形成水庫淹沒區(qū),對上游河段產(chǎn)生一定影響。首先,庫區(qū)上游河段會產(chǎn)生明顯的消落帶。大中型水利水電樞紐工程通常具備多種工程任務,其中防洪為主要工程任務,各樞紐工程在汛期運行調(diào)度時需將水位控制在汛限水位以下,而汛期結(jié)束水位逐漸回蓄至正常蓄水位,年復循環(huán),上游河段將形成明顯的消落帶,高達十余米甚至數(shù)十米。其次,樞紐工程建成后庫區(qū)內(nèi)水流流速大幅減緩,水體置換顯著減慢,水體自凈能力下降,庫內(nèi)污染物滯留,庫區(qū)極易形成污染帶[1]。兩種影響疊加下,下游大中型樞紐工程水位下降后,上游消落帶區(qū)域生態(tài)面貌極差。布滿淤泥殘渣的消落帶區(qū)域景觀效果差、惡臭撲鼻、滋生蚊蟲和病菌,影響生態(tài)景觀與周邊居民健康。

在樞紐工程上游庫區(qū)內(nèi)興建大壩工程,可減少消落帶高度,顯著削弱消落帶區(qū)域產(chǎn)生的不利影響,同時使大壩上游形成穩(wěn)定的水位,進而打造水域景觀。這種在庫區(qū)內(nèi)興建大壩用以調(diào)節(jié)上游水位的工程稱為水位調(diào)節(jié)壩工程,又稱為庫中庫工程。國內(nèi)的首個庫中庫工程就是重慶開州區(qū)的漢豐湖。漢豐湖位于三峽工程庫區(qū)內(nèi),采用混合型閘壩型式,壩址位于長江一級支流小江上。漢豐湖建成后將消落帶高度由18.5 m降為4.72 m,上游消落面積也由24 km2減小至3.06 km2,并形成14.5 km2的穩(wěn)定水域面積,使得開州城區(qū)及其周邊生態(tài)環(huán)境得到根本性改善[2]。

庫中庫工程建設(shè)于水庫中,主要工程任務為調(diào)節(jié)上游水位,其所處環(huán)境和工作條件比常規(guī)水庫工程復雜,需區(qū)別于常規(guī)水庫工程進行設(shè)計。

2 庫中庫工程設(shè)計要點

2.1 擋水建筑物

庫中庫工程修建于水庫中,其擋水建筑物的任務僅調(diào)節(jié)上游水位,需考慮僅上游面擋水和雙面擋水兩種工況,對防滲要求較低。

2.1.1 土石壩設(shè)計要求分析

常規(guī)水庫工程中土石壩僅上游壩面擋水,上游壩面存在水位驟降工況,下游壩面不臨水,水工設(shè)計中上游壩坡一般緩于下游壩坡。上游壩面擋水,壩坡護坡設(shè)計需滿足抗沖刷與排水要求,常常采用砌石、預制混凝土塊、現(xiàn)澆混凝土板等型式。下游壩面不擋水,僅考慮雨水沖刷防護,因此護坡設(shè)計常常結(jié)合景觀效果,采用網(wǎng)格梁和植草的型式。為降低壩體浸潤線,防止下游逸出處變形和凍脹破壞,通常在下游壩坡底部設(shè)置排水體,排水體設(shè)計要求排水體高程應高于下游水位[3]。

庫中庫工程中土石壩存在雙面擋水的工況,下游壩面設(shè)計也需要考慮擋水情形,下游壩坡穩(wěn)定分析需著重考慮下游壩面水位驟降工況。為滿足壩坡穩(wěn)定,下游壩坡坡度設(shè)計較緩?？紤]滿足防沖刷破壞和排水等要求,下游壩坡護坡設(shè)計同上游壩坡,采用砌石、預制混凝土塊、現(xiàn)澆混凝土板等型式。下游壩面存在擋水情形,下游棱體排水與褥墊式排水體設(shè)置位置應提高甚至取消,底部設(shè)置貼坡排水并與下游護坡相銜接,以保護下游壩面。若在底部設(shè)置棱體排水體或褥墊排水體,下游高水位時壩體底部水壓力過大,將對壩體結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響。

2.1.2 重力壩設(shè)計要求分析

常規(guī)水庫工程中重力壩非溢流壩段斷面呈三角形,在運行期上游靜水壓力作用下大壩壩踵受拉、壩趾受壓,大壩重心靠近壩踵,產(chǎn)生與上游靜水壓力方向相反的力矩,改善壩踵和壩趾應力狀況。為減小滲漏及揚壓力,重力壩上游面、溢流壩面、下游壩面水位以下均設(shè)置止水。為減小水體對壩體帶來的不利影響,壩體內(nèi)部設(shè)置排水管,排水管的水流匯集后,通過水泵抽排或者自流形式從下游面排出[4]。重力壩由于各部位工作條件及受力工況的不同,對混凝土性能要求也不相同。為滿足不同部位對混凝土的要求,同時節(jié)省投資,壩體混凝土設(shè)計常常分區(qū)設(shè)置,選用不同強度等級和性能的混凝土。其中下游壩面水位以下壩體外層分區(qū)要求混凝土材料滿足一定抗?jié)B、抗侵蝕等級要求,下游水位以上壩體外層分區(qū)則無抗?jié)B與抗侵蝕要求。

庫中庫工程重力壩下游壩面存在擋水情形,壩體斷面型式與壩體構(gòu)造設(shè)計方面有許多區(qū)別于常規(guī)水庫工程重力壩設(shè)計的特點。存在雙面擋水工況導致下游靜水壓力產(chǎn)生的力矩較大,與上游靜水壓力產(chǎn)生的力矩方向相反,壩體重心設(shè)計應向下游側(cè)偏移以改善壩踵與壩趾應力狀況,減小下游靜水壓力對壩基應力帶來的影響。庫中庫工程設(shè)計中對防滲要求低,但為控制揚壓力大小,大壩下游面水位以上應同上游面一樣設(shè)置止水,避免下游水從壩體橫縫滲入壩體,進而導致?lián)P壓力劇增。下游壩面存在擋水情形,壩體排水無法通過自流形式從下游排出,往往采用水泵抽排形式。下游壩面壩體分區(qū)也應調(diào)整,要求具有抗?jié)B和抗侵蝕特性的分區(qū)應延伸至下游壩面最高水位以上,以保證下游壩面充分滿足工作條件要求。

2.2 泄水建筑物

庫中庫工程存在僅上游面擋水與雙面擋水兩種工況,泄水建筑物設(shè)計應同時滿足這兩種工況。庫中庫工程建于水庫中,建壩前壩址處過流斷面大而流速較小,避免建壩后產(chǎn)生明顯水位雍高,造成二次淹沒損失,庫中庫工程泄水建筑物過流斷面應足夠大,以便洪水平順通過壩址斷面。

庫中庫工程汛期為滿足下游大中型樞紐工程防洪調(diào)度要求,水位處于汛限水位以下,下游水位較低,泄水建筑物基本外露,等同于常規(guī)水庫工程。汛期庫中庫工程需按照全年最大洪水標準進行泄水建筑物及消能防沖建筑物設(shè)計,其溢洪道邊墻高度、消力池長與池深、護坦厚度、海漫長度、挑流鼻坎高程與角度、水舌拋距、混凝土耐久性等均應滿足相關(guān)要求。

汛期過后,根據(jù)下游大中型樞紐工程防洪調(diào)度要求及水文特點,分析確定庫中庫工程泄水建筑物洪水標準。下游蓄水回升,庫中庫工程泄水建筑物基本被淹沒在水下,泄槽與消能防沖設(shè)施不發(fā)揮效益,但其設(shè)計需考慮滿足長時間淹沒于水下的要求。此時,泄水建筑物泄流基本為淹沒出流,泄流能力低于堰流情況（下游低水位）,壩前洪水位高于下游低水位工況下同頻率洪水位。下游大中型樞紐工程水位往往在汛期結(jié)束不久后,便回蓄至正常蓄水位,而結(jié)合水文分析此時有可能出現(xiàn)全年最大洪水。因此,雙面擋水工況往往決定庫中庫工程的泄水建筑物過流斷面和特征洪水位。

庫中庫工程為滿足泄流能力要求,其溢洪道控制段頂高程一般顯著低于下游大中型樞紐工程正常蓄水位,有利于通航。庫中庫工程主要任務為減少上游消落帶影響,設(shè)計時需盡量減少上游消落帶高度,往往在泄水建筑物底板上設(shè)計活動型壅水建筑物[5]。下游低水位時,壅水建筑物豎立擋水,以保證上游水位高度；遭遇洪水時迅速倒下,以滿足泄流要求[6]。下游高水位時,壅水建筑物倒下,滿足泄流和通航要求,加速庫區(qū)水體置換。

2.3 施工導流

枯水期洪峰流量較全年洪峰流量小,常規(guī)水庫工程往往利用枯水期施工,可減小圍堰與導流建筑物規(guī)模,節(jié)省投資和加快施工進度。但庫中庫工程枯水期時,下游大中型樞紐工程蓄水位一般較高,導致庫中庫工程施工不便。而汛期時,下游水位下降,為庫中庫工程施工帶來便利,應抓住這個關(guān)鍵時期加緊施工。

3 工程案例

貴州省八吝大壩工程建設(shè)于龍灘水庫庫區(qū)內(nèi),主要開發(fā)任務是減小龍灘水庫消落帶影響,同時打造城市水域景觀。龍灘水庫正常蓄水位375 m,該水庫正常蓄水位為373.00 m,總庫容4300 萬m3,屬Ⅲ等中型工程。水庫建成后,可使上游形成永久水域面積2.55 km2,消落帶高度由34 m減小至2 m,為羅甸縣城區(qū)域附近生態(tài)環(huán)境帶來根本性改善。

該工程采用碾壓土石壩方案,土石壩與圍堰結(jié)合布置,壩頂高程382 m,最大壩高51 m,壩頂寬20 m,壩頂長度249 m,上下游壩坡坡比均為1∶3.5,防滲體為黏土心墻。上下游壩坡均采用砌石護坡,下墊砂礫石與土工布。下游壩坡底部設(shè)置貼坡排水,下游圍堰與壩體下游結(jié)合處設(shè)置褥墊排水,高程為365 m。

施工導流分三期,第一期導流時間為第一年2月～7月；第二期導流時間為第二年全年,土石壩與溢洪道趕在汛期修建好,汛期后壩體基本填筑至設(shè)計頂高程,利用壩體攔洪度汛；第三期導流時間為第三年3月～6月。本工程施工導流均選用下游水位較低的汛期作為施工高峰期,各導流分期圍堰高度均較低,最高圍堰高度27 m。目前,該工程已施工完畢,開始下閘蓄水,工程運行良好。

4 結(jié)論

建設(shè)庫中庫工程可有效解決上游消落帶帶來的問題,其存在僅上游面擋水與雙面擋水兩種工況,應區(qū)別于常規(guī)水庫工程進行設(shè)計。

庫中庫工程擋水建筑物應著重考慮雙面擋水工況,土石壩在下游壩坡坡比、護坡、排水體設(shè)計方面需特殊考慮,重力壩在斷面型式、壩體排水與下游止水、下游壩面分區(qū)設(shè)計方面需特殊考慮。泄水建筑物一般由雙面擋水工況決定規(guī)模和特征洪水位,由上游面擋水工況決定泄水建筑物及其消能防沖建筑物具體型式與尺寸。泄水建筑物常設(shè)置活動型壅水建筑物,以同時滿足維持上游高水位、泄流能力、通航等要求。庫中庫工程施工利用下游樞紐工程汛期低水位條件,以減小圍堰與導流建筑物規(guī)模。

庫中庫工程設(shè)計需充分考慮雙面擋水工況,分析各建筑物下游面擋水的環(huán)境與條件,結(jié)合各建筑物設(shè)計要求針對進行分析論證,保證各建筑物在雙面擋水情況下也能安全運行。