西川水庫(kù)放水建筑物及溢洪道建設(shè)方案探析

鐘　飛

(商洛市水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，陜西 商洛 726000)

1　概　況

西川水庫(kù)座落在乾佑河一級(jí)支流王家河支流西川河上，壩址位于柞水縣下梁鎮(zhèn)老庵寺村，水庫(kù)樞紐工程由大壩、放水洞、溢洪道等組成。壩址以上控制流域面積9.27 km2，總庫(kù)容28.8萬(wàn)m3。工程于1975年12月完工，是一座以灌溉為主，兼有防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖功能等綜合利用的小(2)型水庫(kù)。根據(jù)水利部《水庫(kù)大壩安全鑒定辦法》[1]，柞水縣水利局組織有關(guān)專(zhuān)家，對(duì)西川水庫(kù)大壩進(jìn)行了安全鑒定工作，放水建筑物和溢洪道病險(xiǎn)嚴(yán)重，需進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

2　放水洞、溢洪道存在問(wèn)題

放水洞位于大壩右岸，由放水臥管和放水涵洞兩部分組成。放水臥管分13級(jí)，放水涵洞長(zhǎng)70 m，為矩形斷面，斷面尺寸為0.45 m×0.70 m，設(shè)計(jì)流量0.33 m3/s。經(jīng)過(guò)40多年運(yùn)行，放水臥管已有4階被淤積掩埋。臥管放水口頂蓋缺失漏水，側(cè)壁漏水。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)放水涵洞出口漏水約15 L/s。加之洞身尺寸較小，無(wú)法進(jìn)洞檢查、維修，造成放水設(shè)備無(wú)法正常工作，放水閘門(mén)損毀，危及大壩安全。

溢洪道位于大壩左岸，為開(kāi)敞式正型，由進(jìn)口段、控制段、泄槽段組成。進(jìn)口段喇叭口長(zhǎng)15 m，底寬24～14 m，控制段溢流堰頂寬度為14 m，設(shè)計(jì)堰頂高程843.99 m，設(shè)計(jì)泄流量52 m3/s。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，溢洪道進(jìn)口底板漏水，兩側(cè)砂漿抹面邊墻和勾縫均出現(xiàn)脫落，出口岸坡無(wú)砌護(hù)，下泄洪水沖刷岸坡；尾坎基礎(chǔ)砌體出現(xiàn)沖蝕、石塊剝落。基本不具備安全泄洪的能力，泄流將會(huì)危及壩體安全。

3　放水洞方案設(shè)計(jì)比選

根據(jù)西川水庫(kù)放水洞布置形式，并結(jié)合周邊的地質(zhì)、地形條件，分析認(rèn)為原放水設(shè)施修復(fù)的難度較大，本次加固擬定對(duì)原放水涵洞進(jìn)行封堵，另行新建放水設(shè)施。具體工程處理措施為：對(duì)原放水涵洞進(jìn)行封堵；在壩體右側(cè)新建Ф600預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管，起放水兼具沖砂作用，同時(shí)在管進(jìn)口布設(shè)工作閘門(mén)。對(duì)原放水渠道進(jìn)行部分拆除，埋管出口處新修C20鋼筋混凝土渠道55 m，并在渠道上布設(shè)一道沖砂閘和一道放水閘；新修放水閘房。

3.1　進(jìn)水口形式選擇

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)進(jìn)水口選擇了斜拉閘方案與放水塔兩種方案。

(1)斜拉閘方案：涵洞進(jìn)口形式為斜拉閘門(mén)一道，閘門(mén)尺寸0.6 m×1.3 m；結(jié)合大壩上游整修，在上游壩坡設(shè)拉桿及支墩等設(shè)施通至壩頂并修建閘房，閘房?jī)?nèi)配套安裝QLSD-100KN手電兩用螺桿機(jī)一套。

(2)放水塔方案：放水塔進(jìn)口處設(shè)檢修及工作閘門(mén)各一道，孔口尺寸均為0.6 m×0.6 m，其后接Φ=600 mm預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管。塔身采用C20鋼筋混凝土澆筑，其斷面為圓形，直徑4.0 m，塔壁厚度0.4 m，內(nèi)徑3.2 m。啟閉機(jī)平臺(tái)高程848.91 m。塔頂與壩頂采用工作橋聯(lián)通。工作橋采用C25鋼筋混凝土預(yù)制T梁結(jié)構(gòu)，總跨度16 m，共分兩跨。橋面高程848.91 m。塔頂閘房?jī)?nèi)安裝QLSD-100KN手電兩用螺桿啟閉機(jī)兩臺(tái)。由于塔基及工作橋基均座落于黏土地基之上，為增強(qiáng)其穩(wěn)定性，塔基及工作橋基均采用C20鋼筋混凝土灌注樁處理，灌注樁直徑D=0.8 m，塔基下四根呈矩形排列，樁中心線(xiàn)間距均為2.6 m。樁基深度根據(jù)其位置不同分別為塔基下12 m、1號(hào)橋柱下8.0 m、2號(hào)橋柱下5.0 m。

(3)方案比較。從工程量、運(yùn)行的可靠性、施工難易、日常維護(hù)及造價(jià)等多方面對(duì)兩種方案進(jìn)行比較，見(jiàn)表1。

表1　埋管進(jìn)水口綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較表

從以上比較可以看出，放水塔方案雖然工程量及造價(jià)較高，但其運(yùn)行安全可靠，日常維護(hù)簡(jiǎn)單方便，從水庫(kù)安全運(yùn)行的長(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮，其優(yōu)勢(shì)是明顯的，因此采用放水塔作為放水洞進(jìn)口的推薦方案。

3.2　壩內(nèi)放水(沖砂)管方案選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，放水(沖砂)設(shè)施壩內(nèi)埋管設(shè)計(jì)分兩個(gè)方案進(jìn)行比較。分別為大開(kāi)挖方案[2]和頂管方案。

(1)大開(kāi)挖方案：封堵原放水涵洞，重新布置管道軸線(xiàn)，將開(kāi)挖軸線(xiàn)設(shè)計(jì)為直線(xiàn)形式，形成底寬2.68 m，長(zhǎng)約57 m的明槽，槽底高程838.50 m。兩側(cè)開(kāi)挖邊坡1∶1.0，并隔5 m高設(shè)一道1.5 m寬的戧臺(tái)。開(kāi)挖后在壩內(nèi)埋設(shè)Φ600 mm預(yù)應(yīng)力混凝土放水(沖砂)管，長(zhǎng)57 m。進(jìn)水口高程838.50 m埋設(shè)比降i=10.2%。放水管出口與下游原渠道相接；由于原涵洞出口放水渠道斷面尺寸較小，不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)洪水時(shí)沖砂要求，且存在一定程度的損毀和滲漏。因此，對(duì)原放水渠道進(jìn)行部分拆除，埋管出口處新修C20鋼筋混凝土渠道55 m，并在渠道上布設(shè)一道沖砂閘和一道放水閘，將泥沙導(dǎo)入下游安全地段。

(2)頂管方案：在新建管道軸線(xiàn)位置采取頂管方案。為確保施工可操作性，放水(沖砂)管選用Φ1000 mm預(yù)應(yīng)力混凝土管，在大壩右側(cè)壩體內(nèi)布設(shè)，其中放水(沖砂)管長(zhǎng)57 m，放水管出口與下游原渠道相接，由于原涵洞出口放水渠道斷面尺寸較小，不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)洪水時(shí)沖砂要求，且存在一定程度的損毀和滲漏。考慮以上因素決定：對(duì)原放水渠道進(jìn)行部分拆除，埋管出口處新修C20鋼筋混凝土渠道55 m，并在渠道上布設(shè)一道沖砂閘和一道放水閘，將泥沙導(dǎo)入下游安全地段。

(3)方案比較見(jiàn)表2。從以上比較可看出大開(kāi)挖方案工程量和造價(jià)均比頂管方案低，且大開(kāi)挖方案便于機(jī)械化施工，施工簡(jiǎn)單，所以埋管壩內(nèi)部分選擇大開(kāi)挖方案。

表2　埋管壩內(nèi)方案比較

3.3　渠道過(guò)水能力計(jì)算

放水洞進(jìn)口高程838.50 m，孔口尺寸0.6 m×0.6 m，進(jìn)口過(guò)水能力計(jì)算按孔流計(jì)算。

(1)當(dāng)放水時(shí)：下游需供水能力按0.33 m3/s設(shè)計(jì)，在不同水位下通過(guò)控制閘門(mén)開(kāi)度來(lái)控制其泄量。進(jìn)口過(guò)水能力計(jì)算。閘孔為自由出流，孔口0.6 m×0.6 m。

計(jì)算公式：

(1)

式中：Q為泄水流量，m3/s；H0為堰上水深，m；μ為流量系數(shù)；b為閘孔寬度，m；e為閘門(mén)開(kāi)度，m。

根據(jù)公式和過(guò)水流量Q=0.33 m3/s設(shè)計(jì)要求，在正常蓄水位及設(shè)計(jì)、校核洪水位下計(jì)算得相應(yīng)水位流量開(kāi)度見(jiàn)表3。

表3　不同水位閘門(mén)開(kāi)度表

由上表可以看出在相應(yīng)水位開(kāi)啟時(shí)進(jìn)口均可滿(mǎn)足過(guò)流要求。

(2)當(dāng)沖砂時(shí)：進(jìn)口閘門(mén)部分開(kāi)啟，堰流自由出流。埋管進(jìn)口閘門(mén)開(kāi)度為0.32 m，同時(shí)渠道沖砂閘門(mén)全部打開(kāi)，渠道放水閘門(mén)關(guān)閉，用來(lái)沖砂。埋管出口接C20鋼筋混凝土渠道，沖砂時(shí)渠道最大設(shè)計(jì)流量1.41 m3/s，輸水時(shí)渠道流量=0.33 m3/s。

3.4　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

槽內(nèi)放水(沖砂)管底高程838.50 m，管道進(jìn)口布設(shè)工作閘及檢修閘各一道。結(jié)合大壩上游整修，在上游壩坡設(shè)放水塔并修建閘房。進(jìn)口設(shè)弧形鑄鐵閘門(mén)2道，閘孔尺寸為0.6×0.6 m，同時(shí)閘房?jī)?nèi)配套安裝QLSD-100KN手電兩動(dòng)螺桿啟閉機(jī)。出口渠道設(shè)置放水、沖砂平面鑄鐵閘門(mén)，其中閘孔尺寸為：放水閘0.5 m×0.6 m，沖砂閘0.8 m×1.0 m，并配套安裝QLSD-50KN手動(dòng)螺桿啟閉機(jī)。

4　溢洪道加固設(shè)計(jì)

根據(jù)溢洪道水毀現(xiàn)狀和地形、地質(zhì)條件，現(xiàn)提出三種改造、加固方案進(jìn)行比較：

方案一：將溢洪道進(jìn)口段兩側(cè)邊墻加高至4.8 m，C20鋼筋混凝土襯砌25 cm，底板采用C20鋼筋混凝土襯砌，厚30 cm。沿進(jìn)口段左側(cè)側(cè)墻基巖薄弱段增設(shè)錨桿。泄槽段總長(zhǎng)27.5 m，本次對(duì)原側(cè)墻進(jìn)行加固，后與跌水式消力段相連接，沿泄槽左側(cè)側(cè)墻基巖薄弱段增設(shè)錨桿。在泄槽底部增設(shè)縱、橫排水盲溝，橫向間距5 m。泄槽出口段采用跌水式消能，池底高程831.00～834.00 m，池寬約17 m，落差11.30 m。為防止水流對(duì)右側(cè)和下游邊墻的掏刷和沖擊，保護(hù)池邊高邊坡，邊墻用M7.5漿砌石砌護(hù)，砌護(hù)高度均為14.72 m；由于邊坡較陡，只對(duì)坡腳進(jìn)行砌護(hù)，厚度為1.5～2.0 m，邊坡坡比1∶0.3。下游邊坡開(kāi)挖坡比

1∶0.3，砌護(hù)厚度為1.0 m，由坡腳砌護(hù)至坡頂。砌石邊墻設(shè)Φ50 mm排水孔，縱、橫排距均為2.0 m，孔后設(shè)反濾體，防止水流帶走土壤顆粒，墻頂設(shè)排水溝。工程共投資54.84萬(wàn)元。

方案二：本方案設(shè)計(jì)中溢洪道進(jìn)口段、控制段、消力段與方案一基本相同，僅對(duì)泄槽段進(jìn)行比較。泄槽段總長(zhǎng)27.5 m，本次對(duì)原側(cè)墻進(jìn)行加固，后與跌水式消力段相連接。沿泄槽左側(cè)側(cè)墻基巖薄弱段增設(shè)錨桿。在泄槽底部增設(shè)縱、橫排水盲溝，橫向間距5 m。工程投資82.25萬(wàn)元。

方案三： 本方案進(jìn)口段、控制段、泄槽段與方案一相同，僅對(duì)出口消力段段進(jìn)行比較。消力段采用挑流消能，挑射角15°挑流鼻坎為C20鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為增強(qiáng)泄槽與鼻坎的穩(wěn)定性，設(shè)Φ22砂漿錨桿。末端防止水流對(duì)右側(cè)和末端山體的掏刷和沖擊，其右岸需進(jìn)行加固，采用方案一加固方案，邊墻加高至844.8 m。根據(jù)泄槽消能計(jì)算結(jié)果，總挑距為13.6 m，沖刷坑深5.4 m，坎頂水面流速為6.41 m/s，坎頂平均水深2.33 m。

經(jīng)比較可以看出，方案一優(yōu)點(diǎn)是泄槽過(guò)流量較大，溢洪道出口對(duì)下游邊坡無(wú)沖刷，開(kāi)挖工程量相對(duì)較小。方案二優(yōu)點(diǎn)是泄槽過(guò)流量最大，缺點(diǎn)是開(kāi)挖工程量相對(duì)較大，泄槽段邊墻需要重新砌筑增大了工作量。方案三優(yōu)點(diǎn)是增大了泄洪能力，缺點(diǎn)是受地形限制，泄流對(duì)下游左岸的巖石沖刷嚴(yán)重，挑流段消力池長(zhǎng)，沖刷坑深度最深，投資較大。經(jīng)綜合比較，溢洪道改造方案選用方案一。

5　結(jié)　語(yǔ)

通過(guò)對(duì)放水洞進(jìn)水口形式、放水管方式和溢洪道除險(xiǎn)加固方案的比選設(shè)計(jì)論證，放水洞采用放水塔方式進(jìn)行大開(kāi)挖施工加固，溢洪道采用進(jìn)口段、控制段、泄槽段加固，改造方案經(jīng)濟(jì)科學(xué)合理，安全性能高。通過(guò)加固后，水庫(kù)各項(xiàng)功能均能得到正常發(fā)揮，確保了水庫(kù)安全，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的改善起到積極作用。