阿湖水庫溢洪道擴建工程設計研究

夏 輝，徐 波，陳 偉

(1.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225217；2.揚州大學 水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009)

新疆克孜勒蘇柯爾克孜州阿湖水庫地處阿圖什市境內布谷孜河上游。2010年9月，阿湖水庫遭受了超百年一遇洪水考驗，雖然搶險成功，但汛情已十分危急，壩身安全出現重大險情。另外，隨著克州經濟的發展、工業園區的建成以及城市化進程的加快，阿湖水庫供水需求的增加與水庫防洪安全之間的矛盾日益明顯、激化。因此，抬高阿湖水庫汛限水位，增加蓄水量以滿足興利要求迫在眉睫。為解決水庫蓄水與防洪矛盾，保證水庫防洪安全，急需實施阿湖水庫溢洪道擴建工程。

工程的主要任務是在增加水庫供水量、減小水庫供需水矛盾的情況下，解決水庫的防洪安全問題。通過抬高水庫汛限水位，增加水庫的蓄水量，滿足工農業發展的用水需求；實施溢洪道擴建，增大下泄能力，解決增加蓄水導致防洪庫容減小的矛盾，保證水庫防洪安全。

1 工程等別

阿湖水庫工程等別[1]為III等。防洪標準[2]為100 a一遇洪水設計，1000 a一遇洪水校核。阿湖水庫所在地地震動峰值加速度為0.3 g，相應地震基本烈度為8°。

2 溢洪建筑物方案比選

阿湖水庫長期運行，庫底淤積嚴重且水庫供水要求不斷提高。為了保證水庫防洪能力，勢必要求增加水庫泄流能力。本次設計對隧洞方案及溢洪道擴建方案進行了比選。

2.1 隧洞方案

隧洞設計情況泄流流量為750 m3/s，校核情況泄流流量為770 m3/s。隧洞采用有壓隧洞結構，洞身采用圓形結構，洞首采用豎井結構，出口設置底流消能。洞身長度約200 m，根據流量計算確定洞身直徑為7 m，隧洞采用“龍抬頭”結構，豎曲線圓弧半徑均為35 m，洞身襯砌厚度根據現有地質成果取為70 cm。水庫下游布谷孜河灘長期處于無水狀態，無需排水檢修，因此隧洞工作閘門及檢修門均布置在洞首，以簡化出口結構。隧洞方案估算投資約1000萬元。

隧洞方案實施主要存在兩個技術問題。

(1)阿湖水庫淤積嚴重，淤積料粒徑相對較大，目前水庫沒有有效的排砂設施，新建隧洞較難結合排砂功能。隧洞泄流能力會受淤積影響，洞身淤積尚可由出口處進洞清除，但洞口淤積清除較為困難。

(2)山體以泥結礫巖為主，隧洞圍巖壓力相對較大，施工過程安全支護工作較為復雜。

2.2 溢洪道擴建方案

溢洪道設計情況泄流流量為1116.9 m3/s，校核情況泄流流量為1688.1 m3/s。現狀2孔溢洪道向右岸再擴建2孔可保證水庫防洪能力。為了便于運行、管理及檢修，擴建部分控制段與現狀控制段同結構，閘門及啟閉形式均與現狀相同，弧形鋼閘門，卷揚式啟閉機控制。控制段閘室凈寬10.0 m，中墩寬度2.0 m，邊墩寬度1.5 m，控制段采用b型駝峰堰結構，泄槽總長度60 m，采用單一縱坡i=0.038，寬度由47.22 m漸變至40.00 m，邊墻采用重力式結構，泄槽末端天然溝槽開挖整坡，以滿足泄流順暢要求。溢洪道擴建方案估算投資約800萬元。

溢洪道擴建方案實施主要存在兩個技術問題。

(1)溢洪道擴建需開挖右岸山體，通常采用爆破施工方法，容易對現狀溢洪道結構產生影響，因此爆破施工技術要求較高。

(2)擴建與現狀結構之間沉降縫止水難以施工，工程在現狀結構加貼20 cm混凝土結構止水施工的方法可較好布置止水，但貼面混凝土澆筑面較大(整個邊墩墻面等)，且厚度較薄，因此施工技術要求較高。

2.3 方案比選

隧洞方案與溢洪道擴建方案的優缺點對比如表1所示。

表1 隧洞方案與溢洪道擴建方案的優缺點比較表

由表1可知，工程投資相當的情況下，隧洞施工難度較大，施工安全存在不確定因素，后期管理成本較大且受水庫淤積影響；溢洪道擴建工程雖然土石方工程量較大，但總體施工難度相對較小，并且便于運行管理，后期管理成本也相對要小。由此本次設計采用溢洪道擴建方案。

3 溢洪道及溢洪閘設計

為增加水庫的供水能力，本次溢洪道擴建抬高汛限水位，增加蓄水量，但減小了防洪庫容，需要增加泄量以保證水庫防洪安全。溢洪道設計、校核洪水位相應下泄流量見表2。

表2 溢洪道運行水位組合及下泄流量

3.1 溢洪閘泄流能力計算

新建溢洪閘采用駝峰堰b型結構[3]，定型設計水頭Hd=5.0 m，上游堰高P1=2.5 m。

駝峰堰泄流公式：

(1)

溢洪閘泄流能力計算結果見表3。

表3 溢洪閘泄流能力計算表

3.2 泄槽水力計算

溢洪道改建后，泄槽為進口寬47.22 m，出口寬40.00 m，單一縱坡i=0.038的矩形斷面，長度60 m，按設計流量及校核流量兩種情況進行水力設計。根據規范[3]，泄槽水面線的求解方程：

(2)

(3)

由于泄槽上游連接駝峰堰，堰高P1=2.5 m，確定泄槽水力計算起始斷面按(4)式計算。

(4)

分別計算泄槽首端至下游30 m處和末端(60 m)水深，在泄槽泄流過程中，計入波動及摻氣的水深利用公式：

(5)

式中：ζ為修正系數，取1.3 s/m。

由以上公式，進行泄槽水力計算，現狀泄槽最低邊墻高度4.5 m，能夠滿足本次設計下泄流量要求，因此本次拓寬后邊墻仍采用原墻頂高程及結構斷面形狀。

3.3 溢洪道結構布置

阿湖水庫溢洪道由進口段、控制段、泄槽三部分組成。

進口段：采用混凝土結構，厚50 cm，長度18 m，斜坡坡比1∶0.5，頂寬30 cm，底寬50 cm；進口段底板、斜坡混凝土結構均采用φ25 mm錨桿，間排距2 m，深入巖層2.5 m，呈梅花型布置。

控制段：4孔開敞式溢洪閘，兩塊底板，原有底板兩孔一聯，擴建兩孔，同樣采用兩孔一聯獨立底板。采用駝峰堰b型結構，定型設計水頭Hd=5.0 m，堰頂高度P1=2.5 m，駝峰圓弧半徑2.625 m，底板總長度24 m，擴建2孔閘室底板總寬25 m，底板地基采用錨桿(φ25，深4 m，間距2.0 m)和固結灌漿(孔深4 m，間排距3.0 m，梅花型布置)進行處理；中墩寬度2 m，邊墩寬度1.5 m，進出口均采用半圓形墩頭；閘門采用弧形閘門，孔口尺寸10.0 m×5.5 m；閘門啟閉機采用固定卷揚式啟閉機；控制段下游墩頂設5 m寬現澆板混凝土梁式交通橋，荷載等級公路Ⅱ級，距墩頂上游側4.39 m處設置1.9 m寬行人便橋。

泄槽：總長度60 m，采用單一縱坡i=0.038，寬度由47.22 m漸變至40.00 m；底板采用分離式底板結構，順坡長5.0 m，橫向長4.0 m或4.5 m，厚1.0 m，錯縫布置；泄槽末端為天然“V”字形泄洪山溝，本次溢洪道擴建工程泄槽向右岸擴寬，拆除原右岸擋墻結構，經復核，新建擋墻布置方式、結構與原擋墻相同，并且為了保證洪水下泄通暢，對泄槽末端山溝進行修整，底寬40.00 m，邊坡1∶0.3，至天然寬闊河灘。

3.4 控制段穩定計算

根據《水閘設計規范》[4]，抗滑安全穩定計算公式：

(6)

式中：f為基底面摩擦系數，取值0.6。

基底應力：

(7)

式中：A為底板面積，m2；e為偏心距，m；L為底板順水流長度，m。

由表4中計算成果可知，各種工況下抗滑穩定安全系數均滿足要求。

表4 控制段抗滑穩定計算成果表

4 結 論

本次設計采用溢洪道擴建方案是安全合理的。可為類似工程提供設計及施工的相關經驗。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國水利部.水利水電工程等級劃分及洪水標準：SL 252—2000[S].北京：中國水利水電出版社，2000.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 防洪標準：GB 50201—2014[S].北京：中國計劃出版社，2014.

[3] 中華人民共和國水利部.溢洪道設計規范：SL 253—2000[S].北京：中國水利水電出版社，2000.

[4] 中華人民共和國水利部.水閘設計規范：SL 265—2001[S].北京：中國水利水電出版社，2001.

Abstract：In order to resolve the contradiction between reservoir impounding and flood control, and ensure the safety of reservoir flood control, the spillway expansion plan was optimized by comparing the advantages and disadvantages of these two schemes in investment, construction and management. The scheme has good adaptability and can reduce the project cost appropriately.

Keywords：spillway；tunnel；scheme comparison and selection；design scheme