新疆某水庫溢洪道布置方案比選

張生財（吐魯番地區(qū)水利水電勘測設計研究院，新疆 吐魯番 838000）

新疆某水庫溢洪道布置方案比選

張生財
（吐魯番地區(qū)水利水電勘測設計研究院，新疆 吐魯番 838000）

某水庫工程位于新疆維吾爾自治區(qū)境內(nèi)，是山區(qū)重要控制性工程，水庫具有防洪、供水、灌溉等綜合利用效益?？刂乒喔让娣e10.7萬畝，擔負下游工業(yè)園區(qū)、礦區(qū)和農(nóng)業(yè)灌溉的供水任務，本工程溢洪道設計方案由于地質、地形地貌等條件的限制，對方案設計進行比選和優(yōu)化。

水庫工程；溢洪道；優(yōu)化設計

1 工程概況

某水庫工程位于新疆維吾爾自治區(qū)境內(nèi)，是山區(qū)重要控制性工程，水庫具有防洪、供水、灌溉等綜合利用效益?？刂乒喔让娣e10.7萬畝，擔負下游工業(yè)園區(qū)、礦區(qū)和農(nóng)業(yè)灌溉的供水任務。工程壩址多年平均年徑流量為1.343×108m3，多年平均流量4.26m3/s。

工程樞紐部分主要建筑物由大壩、溢洪道、導流洞和灌溉放水洞工程組成。水庫泄水建筑物為開敞式溢洪道，溢洪道按100年一遇設計，2000年一遇校核。水庫防洪限制水位為943.0m，防洪水位944.5m，溢洪道堰頂高程為939.0m，選擇3孔8m寬開敞式溢洪道泄洪。

溢洪道布置在右岸，采用直線布置，縱軸與大壩軸線夾角為161度18分35秒，為開敞式正槽岸邊溢洪道，閘門控制。溢洪道包括進水渠、控制段、泄槽和消能防沖設施四部分組成。

2 溢洪道設計方案比選

2.1 溢洪道設計方案Ⅰ

溢洪道布置在右岸，采用直線布置，縱軸與大壩軸線夾角為166.48°，為開敞式正槽岸邊溢洪道，閘門控制。溢洪道包括進水渠、控制段、泄槽和消能防沖設施四部分組成。

（1）進水渠

進水渠為一矩形平底寬渠道，平坡坡底，寬度28m，軸線長73.9m，底板高程936.75m，底板及導墻采用混凝土砌筑，底板襯砌厚度0.6m，邊墻重力式擋土墻，頂寬0.4米，底寬6.45米。

（2）控制段

控制段中溢流堰采用駝峰堰（b），堰頂高程939.0m，利用3扇8×5.5m（寬×高）的弧型閘門控制，駝峰堰沿水流方向長為13.46m，中墩厚度2.0m，邊墩頂寬1.0m，底寬6.8m，控制段沿水流方向長20.0m，堰底建基面高程934.25m，安裝三臺液壓啟閉機。為滿足交通要求，閘墩上游側布置公路橋，橋面寬4m，橋面高程為950.26m，與大壩壩頂相接。

（3）泄槽

根據(jù)地形，泄槽沿山坡而下，控制段后40m為漸變段，泄槽寬度由28m漸變?yōu)?0m，漸變段后等寬布置，泄槽采用矩形斷面，總長189.4m，縱坡25.9%，泄槽底板厚度0.6m，側墻為擋土墻結構，上部厚度0.4m，底部厚度3.0m，泄槽采用整體式鋼筋混凝土結構；兩段側墻高度按考慮均采用波動和摻氣后的校核水面線加超高確定，側墻高度為5.5m。

（4）消能防沖設施

泄槽未端接15m長的挑流消能段，挑流鼻坎半徑30m，挑角為 15度，挑坎頂高程888.24m，校核流量最大挑距110.64m，出坎流速32.7m/s，沖刷坑深度34.6m，沖刷坑后坡i=0.313。

2.2 溢洪道設計方案Ⅱ

溢洪道布置在右岸，采用直線布置，溢洪道縱向軸線與大壩軸線夾角為161度18分35秒，為開敞式正槽岸邊溢洪道，閘門控制。溢洪道包括進水渠、控制段、泄槽和消能防沖設施四部分組成。

（1）進水渠（0-070.76～0-005.7）

進水渠為圓弧形段，半徑為82.844m，夾角為43度54分43秒，襯砌結構為矩形平底寬渠道，平坡坡底，寬度28.0m，底板高程936.75m。底板及導墻采用鋼筋混凝土砌筑，底板襯砌厚度0.6m?？拷鼔误w的邊墻采用重力式擋土墻，頂寬0.5米，底寬6.98m；靠近山體的邊墻采用衡重式擋土墻，頂寬為0.5m，底部寬3.20m。擋土墻高15.81m高，導墻頂部高程為951.46m。

（2）控制段（0-005.7～0+010.3）

控制段中溢流堰采用駝峰堰，堰頂高程939.0m，利用3扇8×5.5m（寬×高）的弧型閘門控制，中墩厚度2.0m，邊墩頂寬2.5m，控制段沿水流方向長16m，堰底建基面高程934.25m，安裝三臺液壓啟閉機。為滿足交通要求，閘墩上游側布置公路橋，橋面寬4m，橋面高程為950.26m，與大壩壩頂相接。

（3）連接過渡段（0+010.3～0+068.03）

控制段后40.0m為漸變段（0+010.3～0+ 050.3），泄槽寬度由28m漸變?yōu)?0m，夾角為6度，漸變段后等寬布置，泄槽采用矩形斷面，總長40m。在樁號0+050.3～0+060.03段，泄槽采用矩形斷面，泄槽寬度為20m，縱坡2.0%。

（4）臺階段（0+068.03～0+132.03）

樁號0+068.03-0+083.43段為臺階高度和水平長度漸變段，與下游臺階相連接，臺階大小依次為（高度 ×水平長度）25cm×140cm，25cm× 140cm，25cm×140cm，25cm×140cm，25cm× 140cm，50cm×140cm，50cm×100cm，50cm× 100cm，50cm×100cm，75cm×100cm，75cm× 100cm，75cm×100cm，75cm×100cm。

樁號0+080.3～0+132.03段，臺階寬度為0.9m，高度為1.0m，泄槽底板厚度0.6m，側墻為擋土墻結構，上部厚度0.5m，底部厚度3.84m，側墻高度為7.0m。

（5）輸水段（0+132.03～0+245.73）

輸水段長度為113.70m，為矩形槽結構，寬度為20m。其中樁號0+132.03～228.53縱坡為3%，邊墻高7.0m，靠近壩體側采用重力式擋土墻，靠近山體側用衡重式擋土墻（除樁號0+162.03～0+ 182.03采用板樁式，邊墻厚 1.0m）。樁號 0+ 228.53～0+233.88采用圓弧連接，圓弧半徑為20.0m，圓心角為 40°，與上端和下端平順相接，邊墻高度由7.0m，漸變至10.0m，靠近壩體側采用重力式擋土墻，靠近山體側用板樁式擋土墻。樁號0+233.88～0+245.73縱坡i=1.1，邊墻高為10.0m，靠近壩體側采用重力式擋土墻，靠近山體側用板樁式擋土墻。底板采用分離式面板，底板厚度為0.6m，結構縫設置橡膠止水，在結構縫下面設置排水溝。

（6）消能防沖設施（0+245.73～0+295.73）

輸水段末端接消力池，消力池長度為30.0m，深度為4.0m。消力池后接海漫，長度為20.0m，其中水平段長10.0m，緩坡段長10.0m，坡度i= 0.1。海漫末端處用拋石進行回填。消力池段邊墻高10.0m，海漫段邊墻高6.0m，樁號0+245.73～0+270.73靠近山體側采用板樁式擋土墻，墻厚度1.0m，其余段及靠近壩體側擋土墻采用重力式。

3 工程方案比選

3.1 進水方式的比選

通過水工模型試驗對原設計方案進行驗證，為了消除溢洪道進口左側引渠導墻對進口水流的不利影響，改善進口繞流流態(tài)，提高溢流堰的泄流能力，根據(jù)水流的運動規(guī)律，試驗在原設計方案的基礎上進行了必要的修改。由于水流由水庫沿導流翼墻進入溢流堰是一個質點加速過程，采用橢圓曲線容易適應這種變化。參考恰甫其海等多個水工模型試驗的成功體型，并考慮到本工程的具體情況，對進口左側采用導流翼墻橢圓曲線方程為:（其長短半軸的比值為1.6），右側進口導墻保持原設計線型不變。通過模型放水試驗，進口流態(tài)明顯得到改善，水流平穩(wěn)順暢。由于對溢洪道進口導墻進行了修改優(yōu)化，使得閘前水流更加順暢，有可能會引起泄流量的變化，因此，試驗對進口修改后的溢洪道三孔全開庫水位～流量關系進行了重新率定驗證。通過測驗，認為修改后的體型對泄流量的影響不大，可以按照原庫水位～流量關系進行設計及運行控制?？傊ㄟ^對進口導墻的修改，改善了進口水流流態(tài)，實現(xiàn)了水流平穩(wěn)的進入閘室的目的。

3.2 消能方式比選

溢洪道沿線基巖為上泥盆統(tǒng)天格爾組第二亞組（D 3t b），巖性主要為灰黑色凝灰質粉砂巖、凝灰質砂巖、硅質巖夾頁巖、淡灰色凝灰?guī)r，相變較大，屬厚至巨厚層狀夾薄層狀結構。巖層揉皺較強烈，產(chǎn)狀一般為 N 45°～70°W，∠65°～76°，傾向山內(nèi)偏上游，沿線主要有 F 39、F 36、F 37、F 62、F 63、F 64、F 65及F 5等多條斷層通過，分布于8#深切沖溝兩側山坡，斷傾角均較陡，為 N W向與N E向兩組，在剖面上為一對共軛“X”型切割面，斷層破碎帶寬度一般在1m以內(nèi)，受斷層影響，溢洪道沿線巖體較破碎，緩傾角的卸荷裂隙發(fā)育，產(chǎn)狀為N 10°～20°W～N 5°～17°E，N E～SE∠11°～35°與層面構成不利邊坡穩(wěn)定塊體。溢洪道沿線地表風化劇烈，強風化帶厚度較大（其下限埋深15m～30m），其巖體完整性差，抗沖刷能力低。雖然溢洪道堰基及泄槽段沿線由于巖層傾向山內(nèi)偏上游，傾角較陡，斷層與溢洪道軸線交角較大，斷層傾角陡，邊坡整體基本穩(wěn)定，但由于強風化帶內(nèi)巖體破碎，卸荷裂隙發(fā)育，與斷層、層面構成不利邊坡穩(wěn)定塊體，對開挖邊坡穩(wěn)定不利，對于邊坡穩(wěn)定處理及支護要求較高，邊坡支護工作量大。溢洪道設計方案Ⅰ為一般型式的正槽開敞式溢洪道，泄槽縱坡為25%，消能采用挑流方式消能，沿線地形起伏較大，一般基巖裸露，中段通過8#深切沖溝，沖溝兩側為陡崖，通過對8#深切沖溝進行回填膠凝砂礫石，有利于沖溝兩側的基巖穩(wěn)定，但存在已經(jīng)到末端的高邊坡的開挖和支護，可以考慮適當調整溢洪道軸線，進一步進行優(yōu)化設計。溢洪道設計方案Ⅱ，利用原山體走勢，樁號0+068.03～0+ 138.38段泄槽采用臺階式消能方式，避免了對原方案泄槽末端地質條件較為復雜地段的大范圍開挖支護情況，但在臺階式段存在多條斷層，對溢洪道結構產(chǎn)生不安全因素，如對坡面采取錨固措施，施工周期較長施工技術復雜，投資較大。

3.3 投資的選擇

溢洪道設計方案Ⅰ泄槽穿過8#沖溝，末端基巖高邊坡開挖，不僅在8#沖溝處需做大量回填工作，還要在末端進行大量的巖石開挖，總投資為3892.80萬元。

方案Ⅱ減少了8#沖溝處膠凝砂礫石的回填量和泄槽末端巖石的開挖量。利用沖溝地形特點，在此處設置消力池，減少該段石方的開挖量。但是由于消力池段和輸水段水深較大，增加了邊墻的高度，綜合比較，方案Ⅱ總投資為4293.91萬元。

方案比選后，方案Ⅰ減少了8#沖溝處的膠凝砂礫石的回填量和泄槽末端巖石開挖量，但增加了泄槽混凝土量，經(jīng)綜合比較，方案Ⅱ較方案Ⅰ相比投資增加約401.11萬元。

4 結論與建議

總而言之，針對水庫溢洪道設計中根據(jù)地形地貌、地質條件等因素，進行溢洪道布置設計方案比選是必不可少的工作，這不僅使水利工程使用功能得到有效發(fā)揮，而且還能減少工程投資，節(jié)約成本。

［1］馮慶剛.莊里水庫溢洪道優(yōu)化設計［J］.水利科技與經(jīng)濟，2012（05）.

［2］向蕾.某工程溢洪道臺階消能設計優(yōu)化研究［J］.華北水利水電學院學報，2011（05）.

［3］陳少慶，胡衛(wèi)紅，毛根海.應村水利樞紐工程溢洪道設計方案優(yōu)化分析［J］.浙江水利水電?？茖W校學報，2004（04）.

TV 65

：B

：1672-2469（2015）03-0083-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.03.029

張生財（1979年—），男，工程師。