新疆托克遜烏斯通溝水庫溢洪洞設計分析

周 蕾

(吐魯番市水利水電勘測設計研究院，新疆吐魯番838000)

0 前言

烏斯通溝水庫工程位于吐魯番市托克遜縣伊拉湖鄉西南側烏斯通溝，距縣城65 km，距伊拉湖鄉47 km，為年調節水庫，主要任務為灌溉和工業供水，遏制灌區地下水超采，是一座具有綜合效益的水庫樞紐工程，建筑物由瀝青砼心墻砂礫石壩、左岸灌溉放水洞、右岸溢洪洞、導流沖沙兼放空洞組成。水庫總庫容1440萬m3，攔河壩壩高73.0 m。水庫樞紐工程等別為Ⅲ等，工程規模為中型水庫，對流域乃至托克遜縣發揮重大作用。但由于烏斯通溝河流域內缺少控制性水利工程，烏斯通溝地表水利用程度不高，造成農業灌溉春旱、夏洪、秋缺水的現象較為嚴重。加之區域內工業園區的不斷發展，園區用水規模不斷擴大，該區域水資源供需矛盾日益突出。因此在烏斯通溝河興建攔河控制性水庫樞紐工程，以緩解流域的水資源供需矛盾，提高地表水利用率，滿足流域各業綜合用水要求。本文針對水庫的溢洪洞設計進行分析。

1 設計資料

(1)水文資料

烏斯通溝水庫下壩址多年平均流量為1.295 m3/s，多年平均徑流量為4084萬m3。

多年平均懸移質輸沙量為6.68×104t。多年平均推移質輸沙量為1.67×104t。多年平均輸沙量分別為8.35×104t。淤沙容重18 kN/m3，淤沙高程872.50 m。

(2)地質資料

工程區處于近于平行、相距僅約12 km的夏爾嘎天山主干深大斷裂(FⅠ)與936高地南東逆斷裂(FⅡ)之間，均為北天山復雜構造帶內近期活動的發震斷裂，本區為區域構造不穩定地塊。

(3)水文地質基本資料

壩址區水文地質條件較簡單，地下水類型為基巖裂隙水和第四系孔隙水，壩區河水、地下水化學類型均為HCO3—Ca·Mg(K+Na)型，屬弱堿性水。據《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50487-2008)環境水腐蝕性評價的判別標準：河水、地下水對混凝土及鋼結構均無腐蝕性。

2 溢洪洞進出口設計

2.1 溢洪洞進口方式選擇

由于工程右岸地形陡峭，如采用正堰無閘門控制，堰寬達到25 m，開挖邊坡達到80 m，且需大量支護處理，存在高邊坡問題，采用正堰閘門控制則有效的減少開挖，開挖邊坡高度、支護工程量也小許多，但進水口前需疏挖，工程量較大，采用側堰雖可避免疏挖，相對開挖也較少，開挖邊坡高度、噴錨工程量也小許多，但水流條件不好，水流難以精確計算，因此采用右岸側堰無閘控制明流溢洪洞和右岸正堰閘門控制明流溢洪洞兩種形式進行技術經濟比較。

2.2 溢洪洞孔口尺寸選擇

(1)正堰泄洪孔口尺寸選擇

溢洪洞進口采用正堰式駝峰堰[1]，弧形閘門控制，堰頂高程取898.0 m，擬定凈寬11.0 m×7.0 m(寬×高)、12.0 m×7.0 m(寬×高)、13.0 m×7.0 m(寬×高)三個孔口方案進行比選。

1)泄流能力計算

堰型為開敞式駝峰實用堰，按《溢洪道設計規范》公式進行泄流能力計算[2]：

式中：Q為下泄流量，m3/s；B為總凈寬，m；H0為計入流速水頭的堰上總水頭，m；c為上游堰坡影響系數；σs為淹沒系數；m為實用堰流量系數；ε為閘墩側收縮系數。按實用堰的閘墩側收縮系數計算公式進行計算；n為閘孔數目；ζ0為中墩形狀系數；ζk為邊墩形狀系數。

對三個孔口正堰方案進行各頻率洪水下的泄流能力計算，成果見表1。

表1 各孔口尺寸方案泄流能力計算成果表

2)孔口方案技術經濟比較

根據壩頂高程計算成果，壩頂高程控制工況為設計洪水工況，考慮調洪演算及壩頂高程取整，在不同孔口尺寸11.0 m×7.0 m、12.0 m×7.0 m、13.0 m×7.0 m三方案間的壩頂高程依次相差0.8 m、-0.50 m，堰寬改變相應影響壩體工程量和溢洪道工程量。綜合以上考慮，對以上三個堰寬方案進行技術經濟比較，見表2。

表2 各孔口方案技術經濟指標比較表

從表2可知，三個不同寬孔口方案中，11.0 m×7.0 m方案和13.0 m×7.0 m方案較12.0 m×7.0 m方案投資分別增加161.9萬元和233.5萬元，12.0 m×7.0 m方案投資最省，因此本階段選擇12.0 m×7.0 m方案為正堰閘門比較方案。

(2)側堰泄洪孔口尺寸選擇

溢洪洞進口采用側堰式駝峰堰，無閘門控制，堰頂高程與正常蓄水位相同，取905.0 m，擬定凈寬25 m、30 m和35 m三個堰頂寬度方案進行比選。

1)泄流能力計算

對三個側堰寬方案進行各頻率洪水下的泄流能力計算成

果見表3(計算公式同上)。

表3 各孔口尺寸方案泄流能力計算成果表

2)孔口方案技術經濟比較

根據壩頂高程計算成果，壩頂高程控制工況為設計洪水工況，考慮調洪演算及壩頂高程取整，25 m、30 m和35 m堰寬方案間的壩頂高程依次相差0.60 m和0.45 m，堰寬改變相應影響壩體工程量和溢洪洞控制段工程量。綜合以上考慮，對三個堰寬方案進行技術經濟比較，見表4。

表4 各孔口方案技術經濟指標比較表

從表4可知，三個堰寬方案中，25 m方案和35 m方案較30 m方案投資分別增加222.2萬元和243.3萬元，30 m寬度方案投資最省，因此本階段選擇凈寬30 m側堰方案為側堰比較方案。

(3)溢洪洞進水口正、側堰方案比選

側堰無閘控制明流溢洪洞方案(30 m)與正堰閘門控制溢洪洞方案(12.0 m×7.0 m)，兩個方案技術經濟比較見表5。

側堰無閘控制明流溢洪洞方案比正堰閘門控制明流溢洪洞方案多1024.56萬元，且正堰閘門控制明流溢洪洞方案進水條件優于側堰無閘控制明流溢洪洞，故本階段推薦采用正堰閘門控制明流溢洪洞方案。

2.3 溢洪洞出口設計

出口平洞段有約80 m長洞段的圍巖主要處于崩坡積碎塊石夾碎石土內，其邊坡穩定性差，可采取提前進施工方案處理溢洪洞出口[3]。

2.4 溢洪洞結構布置

烏斯通溝水庫泄水建筑物采用明流溢洪洞，溢洪洞位于右岸壩肩位置，與壩軸線夾角84.06°，采用正堰閘門控制進水口。采用底流消能。溢洪洞按50a一遇設計，1000a一遇校核。水庫正常蓄水位為905.0 m。

洞身設計為城門洞形，門洞底寬為7.0 m，直墻高由11 m漸變為4.0 m，拱內半徑為3.5 m；洞身段長293.37 m，按縱坡不同隧洞分為兩段，在樁號X0+000～X0+051.22洞縱坡為1∶1，在樁號Y0+074.95至Y0+293.37洞縱坡為1∶34.3，兩段之間以半徑為35 m的圓弧相接；隧洞采用全斷面襯砌，襯砌厚度為1 m。

溢洪洞內最大流速為38.1 m3/s，抗沖耐磨要求較高，參照國內外近年來已設計、施工及運行的同類工程所總結的經驗，結合本工程特點，隧洞底板和側墻采用C40，頂拱采用C25砼襯砌。

隧洞每6 m～10 m設置伸縮縫，伸縮縫寬為2 cm，并用高壓聚乙烯泡沫板進行填縫處理，伸縮縫采用兩道紫銅止水。全洞進行固結灌漿，固結灌漿孔孔距3 m，成梅花布置，深入巖體4 m。拱頂120°范圍內進行回填灌漿，排距3 m，成梅花布置，深入巖體10 cm。由于隧洞是無壓洞，在洞頂范圍設置排水孔，孔距3 m。

3 結語

烏斯通水庫是控制性水利工程，可解決灌區灌溉供需矛盾突出問題的同時，承擔向核心工業園區供水調節的任務，社會效益顯著，工程的建設對促進地區經濟發展，提高居民生活水平具有積極的作用，在托克遜縣水利發展和經濟社會可持續發展中占有重要地位。烏斯通溝水庫建成后可向烏斯通灌區供水1174萬m3，向伊拉湖工業園及阿拉溝流域一般工業供水750萬m3，對解決下游地區灌溉及工業供水緊張問題、緩解地下水超采局面具有重大意義。