茸草水庫(kù)泄洪工程的方案選擇

摘 要：一般情況下泄洪工程通常釆用開(kāi)敞式溢洪道方案，為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)茸草水庫(kù)泄洪工程提出了二個(gè)建設(shè)方案：開(kāi)敞式溢洪道方案和泄洪洞式方案。經(jīng)過(guò)論證優(yōu)選設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：泄洪工程 方案選擇

中圖分類號(hào)：TV651.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）01（b）-0056-02

茸草水庫(kù)位于德慶縣高良鎮(zhèn)，是以防洪、灌溉為主結(jié)合發(fā)電的中型工程。工程在1994年開(kāi)工。正常水位170 m，死水位156 m。壩頂高程174.5 m，大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高50.5 m。發(fā)電引水隧洞位于壩的右岸，進(jìn)口高程146 m。隧洞長(zhǎng)度880 m，內(nèi)徑1.6 m。一般情況下泄洪工程通常釆用開(kāi)敞式溢洪道方案，為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)泄洪工程提出了二個(gè)建設(shè)方案：開(kāi)敞式溢洪道方案和泄洪洞式方案。

1 方案選擇

1.1 開(kāi)敞式溢洪道方案

開(kāi)敞式溢洪道布置在大壩左岸的條形山上。進(jìn)口釆用駝峰堰型，堰頂高程為165 m，寬度為8 m，堰頂安裝弧形鋼閘門，上設(shè)啟閉室，溢洪道陡槽坡率1∶4.0，末端接挑流鼻坎，挑流消能，溢洪道全長(zhǎng)146 m。

1.2 泄洪洞方案

泄洪洞的軸線與開(kāi)敞式溢洪道方案布置在同一位置，位于其下方。進(jìn)水口高程為156 m，溢洪洞工作方式為進(jìn)口工作閘門前設(shè)置成有壓短管，閘后為無(wú)壓的明流隧洞形式，斷面為城門洞形。考慮地形地質(zhì)條件及與導(dǎo)流洞巧妙結(jié)合的因素，泄洪洞進(jìn)水口段設(shè)計(jì)成“龍?zhí)ь^”式。泄洪洞由進(jìn)口、有壓短管、閘門及啟閉室、豎曲線段、斜直線段、反弧段、水平段和出口挑流鼻坎組成。水平段與導(dǎo)流段相結(jié)合，泄洪洞全長(zhǎng)150 m。

1.3 地形地質(zhì)條件比較

兩方案都布置在左岸條形山上，進(jìn)出口水力條件較好。出口與主河床順暢銜接。

云利河流域的地層由燕山期侵入巖和奧陶系地層組成。燕山期侵入巖與奧陶系地層的接觸帶從壩軸線上經(jīng)過(guò)，上游為燕山期粗粒花崗巖，下游為奧陶系砂巖夾板巖。均為堅(jiān)硬巖基。兩大類巖性呈緊密交錯(cuò)穿插接觸，接觸帶從壩址區(qū)穿過(guò)，橫切河谷，接觸面近直立，走向近東～西，壩區(qū)內(nèi)無(wú)大斷裂通過(guò)。

左岸山體地表發(fā)育2～3 m的殘坡積層，覆蓋層薄而較穩(wěn)定，基巖為砂巖夾板巖及粗粒花崗巖，產(chǎn)狀為0300/750，利于防滲和岸坡穩(wěn)定，巖石堅(jiān)硬，構(gòu)造不發(fā)育，全風(fēng)化巖石的厚度為10～17 m，強(qiáng)風(fēng)化巖石的厚度為8～12 m。根據(jù)上述地質(zhì)條件認(rèn)為，兩方案的地基都能滿足要求。

1.4 施工條件比較

開(kāi)敞式方案：溢洪道槽體深槽開(kāi)挖，深達(dá)20多米，斜坡處理較困難，開(kāi)挖工作量和圬工工作量較大；條形山體將變得更為單薄，對(duì)整個(gè)樞紐工程穩(wěn)定不利；且下游出口反弧挑流段不能與導(dǎo)流洞結(jié)合，這就使施工導(dǎo)流布置上造成一定困難，即使免強(qiáng)布置，導(dǎo)流完成后，仍要將出口處理。

泄洪洞方案：開(kāi)挖工作量相對(duì)較少，所需技術(shù)性較強(qiáng)，但目前有一套較成熟的施工方法；泄洪洞出口段與導(dǎo)流洞出口段可結(jié)合在一起，結(jié)合段長(zhǎng)度為68 m，這樣可減少工作量，縮短工期。

1.5 運(yùn)行營(yíng)理比較

兩方案進(jìn)口都釆用弧形鋼閘門，卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)啟閉，機(jī)械和電氣設(shè)施基本相同，運(yùn)行時(shí)需要專人管理；溢洪道兩側(cè)邊坡高達(dá)20多米，不可能全部襯護(hù)，容易產(chǎn)生山泥傾瀉。泄洪洞全洞砼襯砌，不會(huì)有此現(xiàn)象；水位的調(diào)度能力不同，水庫(kù)在汛期水位有限制運(yùn)用要求，泄洪洞起泄流量較大，對(duì)庫(kù)水位的調(diào)節(jié)能力較大。

1.6 工程投資比較

工程量包括土石方工程，混凝土工程，機(jī)電、金屬結(jié)構(gòu)安裝工程。溢洪道方案主要工程量為：土石方148172 m3，其中漿砌石1172 m3、混凝土2338 m3，工程造價(jià)402.66萬(wàn)元（按1995年價(jià)格算，下同）；泄洪洞工程需土石方10273 m3，其中漿砌石783 m3、混凝土2263 m3，工程造價(jià)245.68萬(wàn)元。泄洪工程投資比較見(jiàn)表1。

綜合各種因素，及考慮工程造價(jià)，泄洪洞方案比溢洪道方案節(jié)約156.96萬(wàn)元，故選用泄洪洞方案。

泄洪洞縱剖面（圖1）。

2 泄洪洞結(jié)構(gòu)布置及泄流能力校核

2.1 結(jié)構(gòu)布置

泄洪隧洞為“龍?zhí)ь^”式布置，進(jìn)口段設(shè)置一段有壓短管，閘前有壓，閘后無(wú)壓的明流隧洞形式。進(jìn)水口高程156 m，隧洞為城門形結(jié)構(gòu)，洞寬為4.5 m，拱高1.6 m，中心角為141.70，半徑2.382 m，洞高根據(jù)水面線計(jì)算確定，水面水深加摻氣水深加安全超高得洞高，凈高從6.9 m至4.7 m，砼襯砌厚0.5 m。全洞長(zhǎng)150 m，各連接段體形如以下所述。

（1）進(jìn)口頂板橢圓曲線方程為：x2/62+ y2/22=1

進(jìn)水口側(cè)曲線方程為：x2/3.32+y2/1.12 =1

（2）壓坡段長(zhǎng)度取3.6 m，坡率1∶6.0；

（3）弧形閘門尺寸為4.5×4.7（寬×高），圓弧半徑為6.5 m，閘室尺寸為4.5×5.5 m。

（4）豎曲線段方程：x2=55.6y。

（5）斜直線段斜率1∶1.10，長(zhǎng)度為20 m。

（6）反弧段即斜直線段與水平段連接處，反弧半徑R=30 m，大于5倍洞徑。

（7）水平段長(zhǎng)度68 m，底板坡降i=0.0478。

（8）出口消能段，為降低單寬流量，減少對(duì)下游河床的沖刷，出洞后由寬4.5 m漸變至6 m，擴(kuò)散角為3.86°，挑流消能挑射角15°。

2.2 泄洪洞泄量計(jì)算

泄洪洞進(jìn)口高程的選擇，要從三個(gè)方面考慮：（1）洞內(nèi)流態(tài)的穩(wěn)定。（2）形地質(zhì)條件。（3）與導(dǎo)流洞的連接。對(duì)進(jìn)口高程為140 m、156 m、160 m時(shí)，進(jìn)行計(jì)算及分析，確定進(jìn)口高程為156較適宜。

當(dāng)H>1.5a時(shí)為有壓流，a為洞高，H>1.5×4.5=6.75 m。

即水位大于156+6.75=162.75時(shí)屬有壓流態(tài)。

有壓流計(jì)算公式：Q=μBe√[2g（H-εe）]—見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]

式中：

H為由有壓短管出口的閘孔底板高程算起的上游庫(kù)水深，H=Z-165；

ε為有壓短管出口的工作閘門垂直收縮系數(shù)，壓坡率為1∶6.0，

取ε=0.918；

2.3 短管洞頂壓力驗(yàn)算

進(jìn)口段在泄流時(shí)，應(yīng)形成正壓，避免負(fù)壓，分下列三種運(yùn)行情況進(jìn)行驗(yàn)算。

（1）水庫(kù)控制運(yùn)用時(shí)，限泄水位為166.27 m，限泄流量65 m3/s。

（2）設(shè)計(jì)洪水位運(yùn)行時(shí)，設(shè)計(jì)洪水位170.33 m，相應(yīng)泄量253 m3/s。

（3）校核洪水運(yùn)行時(shí)，校核洪水位173.24 m，相應(yīng)泄量286.7 m3/s。

進(jìn)口段水頭損失主要是局部水頭損失，損失系數(shù)ξ=0.03，局部水頭損失hw=ξ.v2/2g。洞頂高程160.5 m，總水頭H1=H-160.5-hw。測(cè)壓管水頭Z1+P1/T=H1-V2/2g。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，在上述三種工況下，進(jìn)口段均能形成正壓。

4 結(jié)語(yǔ)

方案的比較選擇，是為了更好地優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省投資。從地形地質(zhì)條件、水力計(jì)算要求、運(yùn)行管理、施工難易、與導(dǎo)流洞的銜接等進(jìn)行比較，選擇了進(jìn)口高程為156 m，進(jìn)口段設(shè)置有壓短管的“龍?zhí)ь^”式無(wú)壓泄洪隧洞布置形式為最優(yōu)方案。泄洪洞工程于1997年5月開(kāi)工建設(shè)，工程進(jìn)展順利。

參考文獻(xiàn)

[1]水力計(jì)算手冊(cè)，武漢水利電力學(xué)院水力學(xué)教研室編[M].水利電力出社出版.

[2]水工設(shè)計(jì)手冊(cè)，華東水利學(xué)院主編[M].水利電力出版社出版.

[3]潘家錚.水工隧洞和調(diào)壓室（水工隧洞部分）[M].水利電力出版社出版.

[4]水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S].SD134-84.

[5]德慶水利志[J].德慶縣水利電力局編寫，1993，1.

[6]廣東省德慶縣防汛手冊(cè)[J].德慶縣水利電力局編寫，1994，12.