峽谷高拱壩泄洪建筑物布置方案比選研究

黃 凱，符昌勝，張?bào)心?/p>

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 前言

黔西縣凹水河水庫(kù)位于黔西縣紅林鄉(xiāng)與大方縣黃泥塘鎮(zhèn)的界河西溪河上，西溪河屬長(zhǎng)江流域?yàn)踅档牧鶝_河左岸一級(jí)支流。凹水河水庫(kù)的主要任務(wù)是向黔西新規(guī)劃縣城供水，兼顧解決工程區(qū)附近的部分灌溉用水。大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高153 m，水庫(kù)正常蓄水位1287 m，水庫(kù)總庫(kù)容4669萬(wàn)m3，年供水量4275萬(wàn)m3，工程等別Ⅲ等，工程規(guī)模為中型。

凹水河水庫(kù)工程樞紐位于“一線天”的非典型峽谷型河谷地帶，河谷高陡險(xiǎn)峻，異常狹窄(底寬僅6 m)，正常水位河谷寬高比為0.62，河道于壩后約130 m位置向左偏轉(zhuǎn)約15°。另外受區(qū)域內(nèi)成貴高鐵和高速大橋影響，對(duì)水庫(kù)泄洪建筑物布置帶來(lái)較大困難，主要表現(xiàn)在：①因壩高153 m，水庫(kù)泄流量大，落差較高，需考慮泄洪對(duì)下游河床沖刷影響；②泄洪水舌不得沖刷區(qū)域內(nèi)高速大橋基礎(chǔ)，對(duì)其造成安全隱患；③河谷極為狹窄，泄洪應(yīng)盡量避免沖刷兩岸。

2 泄水建筑物布置方案擬定

2.1 水庫(kù)泄水取水要求

凹水河泄水建筑物主要有泄洪建筑物、放空建筑物和取水建筑物組成。

根據(jù)調(diào)洪計(jì)算，水庫(kù)校核頻率(0.1%)下泄洪水流量875 m3/s，設(shè)計(jì)頻率(1%)下泄洪水流量693 m3/s，消能防沖頻率(2%)下泄洪水流量577 m3/s，多年常遇頻率(20%)下泄洪水流量251 m3/s。

水庫(kù)正常蓄水位庫(kù)容4479萬(wàn)m3，按5天放空計(jì)算，平均放空流量在100 m3/s左右。

水庫(kù)取水流量2.117 m3/s，其中灌溉流量0.108 m3/s，供水流量1.999 m3/s。樞紐下放生態(tài)流量0.34 m3/s。其中灌溉流量和下放生態(tài)流量需采用分層取水等措施保證水溫。

2.2 泄水建筑物布置比選方案的擬定

高拱壩樞紐泄水建筑物類型主要有表孔、中孔、放空底孔和取水口。

(1)對(duì)于表孔布置可選方案有壩頂、左岸和右岸。兩岸布置采用豎井旋流消能，其中左岸布置方案下平洞可利用導(dǎo)流洞改造而成，岸邊表孔方案左岸較優(yōu)。因此表孔布置比選方案有壩頂表孔和左岸表孔2種。

(2)對(duì)于中孔布置可選方案有壩頂、左岸和右岸。兩岸布置采用豎井旋流消能，其中左岸布置方案下平洞可利用導(dǎo)流洞改造而成，岸邊中孔方案左岸較優(yōu)。因此中孔布置比選方案有壩身中孔和左岸中孔2種。

(3)對(duì)于放空底孔布置考慮到結(jié)合利用的經(jīng)濟(jì)合理性，可選有放空底孔兼取水和放空底孔兼泄洪。底孔兼取水時(shí)泄洪中孔獨(dú)立布置，底孔兼泄洪時(shí)取水口獨(dú)立布置。

(4)對(duì)于獨(dú)立布置的取水口可選方案有壩身、左岸和右岸，其中右岸和壩身布置都可以利用右岸基坑隧洞進(jìn)行管道鋪設(shè)，投資少，運(yùn)行管理方便，因此不考慮獨(dú)立取水口布置于左岸。

其中表孔閘門工作水頭低，便于小流量控制常年洪水，超泄能力強(qiáng)，水庫(kù)安全性好，因此不宜取消。底孔因具備放空、取水功能，不得高于死水位，因此不能取消。中孔可結(jié)合其他建筑物布置進(jìn)行取舍。

綜上分析后組合，初步擬定布置方案并進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)比較，見(jiàn)表1。

表1 樞紐泄水建筑物布置方案初步對(duì)比表

由表1可見(jiàn)，泄水建筑物布置比選主要體現(xiàn)在表孔布置和放空底孔所兼功能，因此方案比選按兩個(gè)階段進(jìn)行，先進(jìn)行泄洪表孔的布置比選，再進(jìn)行底孔兼顧功能布置比選。

3 泄水建筑物布置方案比選

3.1 表孔布置方案比選

(1)壩頂表孔方案

壩頂溢洪道位于壩中河床段，設(shè)2孔溢流表孔，采用2孔5 m×5 m的閘門控制，堰頂高程1282 m，溢流堰采用WES型實(shí)用堰，堰頂下游堰面采用WES曲線。為使得兩孔水舌在河床落點(diǎn)錯(cuò)開(kāi)分布，左右兩個(gè)表孔分別采用挑流和跌流消能。左側(cè)表孔堰面曲線后接半徑9 m的反弧段，反弧中心角53.13°，反護(hù)段下游側(cè)采用水平挑流，鼻坎高程1271.826 m。右表孔采用跌流消能，不設(shè)挑坎，末端坡面坡比1∶1.25。

圖1 壩頂表孔剖面圖

(2)左岸岸邊表孔方案

左岸豎井溢洪道由進(jìn)口控制段、上平段泄槽、起旋室、旋流豎井和下部出水洞組成，整體呈L形布置，上平段和下部出水洞夾角116.073°。進(jìn)口控制段長(zhǎng)18.25 m，布置2孔弧形閘門，孔口尺寸5 m×5 m，堰頂高程1282.00 m，堰型采用WES實(shí)用堰。上平段泄槽為收縮布置，長(zhǎng)33.83 m，泄槽寬由5 m收縮至2.65 m，兩側(cè)邊墻夾角4.5°，泄槽底坡8.5%，采用封閉箱型結(jié)構(gòu)，底板及邊墻厚1.2 m，采用C30鋼筋混凝土。泄槽末端接起旋室，起旋室為豎向桶形，內(nèi)徑7.5 m，高19.31 m。起旋室下部采用5.7 m高的收縮段與下部旋流豎井相接，豎井底板高程1151.04 m，井深14.45 m，內(nèi)徑5.7 m，C30鋼筋混凝土襯砌厚0.75 m。下部出水洞為城門洞型，利用導(dǎo)流洞改造而成，長(zhǎng)261 m，隧洞凈寬6 m，凈高7 m，C30鋼筋混凝土襯砌厚0.75 m。

(3)方案比選

1)地形地質(zhì)條件

從地形地質(zhì)條件來(lái)看，壩身泄洪方案不涉及開(kāi)挖回填，對(duì)于岸邊泄洪洞來(lái)說(shuō)，在巖溶地區(qū)進(jìn)行洞室開(kāi)挖施工，有一定工程風(fēng)險(xiǎn)。因此壩頂表孔方案較優(yōu)。

2)水力學(xué)條件

岸邊表孔+豎井泄洪洞能在洞內(nèi)消耗大部分水體動(dòng)能，減少下游沖刷，壩頂泄洪受下游狹窄河谷影響，易造成一定的沖刷，同時(shí)還有泄洪霧化的，對(duì)兩岸邊坡表層風(fēng)化巖體穩(wěn)定不利。因此從水力學(xué)條件來(lái)說(shuō)岸邊方案優(yōu)。

3)工程布置

從工程布置方面看壩頂表孔方案布置緊湊，但表孔和下部底孔泄洪需在平面錯(cuò)開(kāi)，存在一定的干擾。左岸表孔+豎井方案避免了壩身泄洪建筑物的干擾。因此從工程布置來(lái)看，左岸方案較優(yōu)。

4)施工臨時(shí)措施

從施工組織方面來(lái)看，壩頂表孔方案施工條件較好，與其他建筑物施工干擾小。左岸表孔方案施工時(shí)，表孔位于導(dǎo)流洞進(jìn)口上方，進(jìn)口開(kāi)挖易造成下部導(dǎo)流洞進(jìn)口受損，此外因河岸地形陡峭，上平段出渣困難。豎井段開(kāi)挖出渣需經(jīng)導(dǎo)流洞運(yùn)輸，且需在導(dǎo)流之前完成開(kāi)挖，施工干擾大，導(dǎo)流前的施工工程量大，工期緊張。因此從施工組織方面看，壩頂泄洪方案優(yōu)。

5)工程投資

根據(jù)兩種布置方案工程量計(jì)算成果進(jìn)行工程投資對(duì)比計(jì)算，經(jīng)計(jì)算壩頂表孔投資為956萬(wàn)元，左岸表孔投資為4539萬(wàn)元。壩頂表孔方案投資明顯節(jié)省。若再考慮施工臨時(shí)措施投資差異，兩者投資差異更大。

由上述綜合比較可見(jiàn)，岸邊表孔方案除了在泄洪消能方案和樞紐布置方面有優(yōu)勢(shì)，其余均不如壩頂泄洪方案，且工程投資是表孔方案的4.7倍，投資明顯偏大，加之施工組織干擾大，施工困難，因此本階段表孔泄洪布置方案采用壩頂泄洪。

3.2 底孔兼顧功能比選

由比選可知，泄洪表孔推薦采用壩頂布置方案，根據(jù)泄水建筑物初步擬定方案，配合確定的壩頂表孔方案，僅需對(duì)方案②及方案⑦進(jìn)行對(duì)比。

(1)方案②(壩頂表孔+壩身泄洪中孔+放空兼取水底孔)

方案②泄洪、放空、取水均布置于壩上，下游河道狹窄，且在壩后約130 m位置向左偏轉(zhuǎn)約15°，因此結(jié)合各泄水建筑物挑距進(jìn)行布置。中孔挑距最遠(yuǎn)(底孔放空時(shí)水位已下降至中孔附近，挑距沒(méi)有中孔遠(yuǎn))，結(jié)合河道向左轉(zhuǎn)彎，因此將中孔布置于表孔右側(cè)，水舌方向與轉(zhuǎn)彎后的河道基本一致。放空兼取水底孔若布置于表孔另一側(cè)，水庫(kù)水位低時(shí)，小流量水舌將落在壩后抗滑巖體上，對(duì)大壩安全不利，因此將底孔布置于兩個(gè)表孔中間，將表孔間距增加3.6 m，并適當(dāng)增加偏轉(zhuǎn)角度。

(2)方案⑦(壩頂表孔+放空兼取泄洪底孔+右岸取水口)

凹水河壩址下游河道狹窄，且在壩后約130 m位置向左偏轉(zhuǎn)約15°，若將泄洪底孔置于兩個(gè)表孔中間，在聯(lián)合泄洪時(shí)，易造成表孔水舌和底孔水舌空中碰撞，影響水舌落點(diǎn)，造成河岸沖刷，因此結(jié)合下游河道走向?qū)⑿购榈卓字糜诒砜子覀?cè)，使得水舌方向與下游河道基本一致。壩頂表孔及壩身底孔泄洪落點(diǎn)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 壩頂表孔及壩身底孔泄洪落點(diǎn)圖

壩身泄洪兼放空底孔位于壩身右側(cè)緊靠表孔位置，總長(zhǎng)49.1 m，底板高程1206.00 m，進(jìn)口設(shè)置3 m×5.5 m(寬×高)平板事故檢修閘門，出口設(shè)3 m×4.5 m(寬×高)弧形工作閘門，出口采用窄縫挑流消能。

取水口位于庫(kù)首右岸岸坡，距離拱壩上游面約30 m，取水流量包含供水流量、灌溉流量和下放生態(tài)流量。取水口底板高程1207.50 m，頂部高程1290.50 m，其上設(shè)移動(dòng)式臺(tái)車啟閉機(jī)及相應(yīng)的啟閉設(shè)備。閘門井1206.00 m～1246.00 m高程的尺寸7.0 m×15.5 m，1246.00 m～1290.50 m的尺寸9.0 m×15.5 m。取水口閘門井依次設(shè)置攔污柵、分層取水疊梁門、事故檢修閘門。

(3)方案比選

1)地形地質(zhì)條件

從地形地質(zhì)條件來(lái)看，方案②取水隧洞開(kāi)挖位于右壩肩下游，方案⑦取水隧洞位于右壩肩上游和右側(cè)，取水口距離大壩和導(dǎo)流洞進(jìn)口較近，對(duì)開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性要求高，因此方案②較優(yōu)。

2)水力學(xué)條件

對(duì)于泄洪，方案②受底孔布置影響，表孔間距較寬，使得水舌沖刷方向與下游河道方向有一定的夾角，此外因表孔外擴(kuò)，右表孔與中孔間距更近，兩個(gè)水舌聯(lián)合泄洪時(shí)易干擾。

對(duì)于取水，方案②取水鋼管由底孔出壩后垂直接入，水流條件不如方案⑦的順向過(guò)流。方案②在水庫(kù)放空時(shí)，受放空流速影響，取水管進(jìn)口易產(chǎn)生負(fù)壓，影響泵站取水，進(jìn)口疊梁閘門和攔污柵需全部取出，也不利于取水管防污。因此從水力學(xué)條件來(lái)說(shuō)方案⑦更優(yōu)。

3)工程布置

從工程布置方面看，方案②布置緊湊，但存在壩身開(kāi)孔較多，泄水建筑物擁擠相互干擾的問(wèn)題。方案⑦將放空功能和取水功能分開(kāi)，高速水流運(yùn)行和低速水流運(yùn)行分開(kāi)，互不干擾，因此從工程布置來(lái)看，方案⑦較優(yōu)。

4)施工臨時(shí)措施

從施工組織方面來(lái)看，方案②壩身附屬建筑物較多，施工干擾大。方案⑦取水系統(tǒng)獨(dú)立布置，施工干擾小。因此從施工組織方面看，方案⑦較優(yōu)。

5)工程投資

根據(jù)兩種布置方案工程量計(jì)算成果進(jìn)行工程投資對(duì)比，方案②(壩頂表孔+壩身泄洪中孔+放空兼取水底孔)總投資為7198萬(wàn)元，方案⑦(壩頂表孔+放空兼取泄洪底孔+右岸取水口)總投資為7045萬(wàn)元，兩個(gè)方案總投資相近，其中方案⑦投資較節(jié)省。

6)運(yùn)行管理

從運(yùn)行管理方面來(lái)看，方案⑦取水與放空分開(kāi)布置，在水庫(kù)放空過(guò)程對(duì)取水影響小，方案②在放空時(shí)，需將全部疊梁和攔污柵取出，運(yùn)行管理繁瑣。因此從運(yùn)行管理方面來(lái)說(shuō)方案⑦優(yōu)。

由上述綜合比較可見(jiàn)，從工程布置、水力學(xué)條件、施工臨時(shí)和工程投資等方面，方案⑦均優(yōu)于方案②，因此本階段推薦采用方案⑦，樞紐泄水建筑物布置采用壩頂表孔+壩身放空兼泄洪底孔+岸邊取水口。

根據(jù)上述綜合比選，推薦采用壩頂雙表孔+底孔型式布置。并經(jīng)水力模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本工程泄水建筑物比選推薦結(jié)果合理可靠，充分利用河道長(zhǎng)度方向，有效避免高壩泄洪對(duì)狹窄河谷的影響。

4 結(jié)論

本文從地質(zhì)條件、水利條件、工程投資、運(yùn)行管理等方面對(duì)表孔及底孔進(jìn)行比選，最終推薦采用壩頂雙表孔+底孔型式布置。受拱壩下游河道向左側(cè)轉(zhuǎn)彎的影響，對(duì)于挑距最遠(yuǎn)的底孔考慮布置于右側(cè)，使得水舌方向與下游河道方向盡量吻合。受下游狹窄河道影響，為充分利用河道長(zhǎng)度方向、減少狹窄河谷寬度上的影響，設(shè)計(jì)考慮左表孔采用挑流消能，右表孔采用跌流消能，使得三個(gè)水舌縱向錯(cuò)開(kāi)，根據(jù)水力學(xué)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)布置合理可靠，對(duì)同類工程有一定參考意義。