黃材水庫除險(xiǎn)加固工程輸水洞施工導(dǎo)流方案比選

文勇坤

（長沙市黃材水庫灌區(qū)管理局,湖南 寧鄉(xiāng) 410600）

1 工程概況

黃材水庫是一座以灌溉為主,兼有發(fā)電、防洪和養(yǎng)殖等綜合效益的大（2）型水利工程。該水庫工程等別為Ⅱ等,主要建筑物級(jí)別為2級(jí),設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000 年一遇,溢洪道消能防沖工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇。水庫總庫容1.45 億m3,正常庫容1.26 億m3,校核洪水位168.50 m（對(duì)應(yīng)洪峰流量為3072 m3/s）,設(shè)計(jì)洪水位167.97 m（對(duì)應(yīng)洪峰流量為1908 m3/s）,水庫正常蓄水位166.00 m,死水位122.04 m。

黃材水庫有供水保障要求,左岸壩端建有黃材水廠,設(shè)計(jì)取水規(guī)模為5000 m3/d,采用黃材庫區(qū)浮船式泵站取水。浮船式取水泵站特征水位：校核洪水位168.5 m,正常水位166 m,最低控制運(yùn)行水位145 m。

輸水洞位于主壩右岸山體,建成于1965 年,主要由進(jìn)口引水明渠段、埋管段、檢修閘室、隧洞段、調(diào)壓井和3 根分水支管組成。輸水洞進(jìn)口底板高程122.00 m,出口底板高程121.52 m。本次輸水洞除險(xiǎn)加固廢除原檢修閘室,在其下游沿隧洞軸線方向距原檢修閘室38.0 m處重建檢修閘室,地面高程為144.0 m~146.0 m,開挖方形豎井與隧洞連接,設(shè)置檢修門閘室,采用鋼質(zhì)平板提升門,下游止水,卷揚(yáng)式啟閉機(jī)垂直啟閉,上部設(shè)置啟閉排架和啟閉室,設(shè)置工作橋與岸邊連接。

2 水文資料

根據(jù)水文分析計(jì)算成果,多年平均來水量分月統(tǒng)計(jì)成果見表1,壩址徑流年內(nèi)分配見表2,水庫水位庫容曲線見表3。

表1 黃材水庫多年平均來水量1月～12月份統(tǒng)計(jì)表

表2 壩址徑流年內(nèi)分配表

表3 水庫水位庫容曲線表

3 導(dǎo)流方案的確定

本工程等別為Ⅱ等,主要建筑物級(jí)別為2級(jí),根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）規(guī)定,導(dǎo)流建筑物級(jí)別為4 級(jí),土石結(jié)構(gòu)導(dǎo)流建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 年~20 年重現(xiàn)期,本工程可取10 年。

3.1 輸水洞泄流能力

利用輸水洞放水時(shí),第二支管和第三支管為發(fā)電站引水管,不能參與泄洪,故輸水洞泄流能力由調(diào)壓井上游輸水隧洞（內(nèi)徑為3.10 m）和調(diào)壓井下游第一支管（3.10 m×2.54 m（寬×高））中斷面較小、泄流能力較小的上游圓洞決定。

當(dāng)H/a<1.2 時(shí),輸水洞為無壓流,其泄流能力按以下公式計(jì)算：

當(dāng)H/a>1.5時(shí),輸水洞為有壓流,其泄流能力按以下公式計(jì)算：

當(dāng)1.2

通過計(jì)算,輸水洞泄流曲線見表4。

表4 輸水洞泄流能力表

3.2 導(dǎo)流方案比選

工程安排在一個(gè)枯水期內(nèi)完成。施工期內(nèi)需要水庫放水以降低庫水位,尤其是輸水洞檢修閘門重建時(shí)需要控制庫水位。根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃,輸水洞檢修閘門拆除重建約需要3 個(gè)月時(shí)間,施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為10 年一遇12 月～次年2 月洪水流量296 m3/s。

檢修閘門除險(xiǎn)加固施工導(dǎo)流對(duì)庫水位降至147.0 m、140.0 m和最低水位三個(gè)方案進(jìn)行分析比較。

3.2.1 方案一：庫水位降至147.0 m

150 m時(shí)相應(yīng)庫容為4511 萬m3,145 m時(shí)相應(yīng)庫容為3102 萬m3,加上來流量1.2 萬m3/h （豐水年11 月P=10% （899/30/24））,減去泄流量,放水歷時(shí)69.0 h,合2.9 天。考慮水位下降速度太快的話,可能導(dǎo)致土石壩上游壩坡失穩(wěn),故本工程控制放水速度為1 m/d左右,施工歷時(shí)約5 天。

（1）導(dǎo)流方案

輸水洞內(nèi)施工期間,輸水洞將不能過流,天然徑流只能蓄水至水庫內(nèi)。為盡量縮短蓄水時(shí)段,應(yīng)優(yōu)化輸水洞施工程序。

工程徑流量按10 年一遇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算,為1599 萬m3,加上147 m水位時(shí)的庫容3637 萬m3,施工期庫容應(yīng)為5236 萬m3,查庫容曲線,對(duì)應(yīng)水位為152.2 m。考慮到黃材水廠用水和庫內(nèi)蒸發(fā),本工程不再疊加10 年一遇3 日暴雨洪量（900 萬m3）,又水位達(dá)到152 m以后,水位每上升1 m,庫容增加約400 萬m3,容量增加較大,故導(dǎo)流設(shè)計(jì)水位取152.2 m。

（2）圍堰設(shè)計(jì)

輸水洞檢修閘門圍堰設(shè)計(jì)水位為152.2 m,圍堰軸線處地面高程約140 m,圍堰平均高度13.2 m。采用混凝土圍井結(jié)構(gòu)型式。澆筑圍井時(shí)有水,需要填筑臨時(shí)小圍堰。

圍井頂高程按設(shè)計(jì)水位152.2 m+1 m超高計(jì)算,圍頂高程取153.2 m,底高程144.0 m,最大高度9.2 m。圍井采用階梯形狀,頂部寬度0.5 m,以高度3 m為一個(gè)臺(tái)階,下臺(tái)階比上臺(tái)階寬0.5 m。井內(nèi)尺寸為7.4 m×7.4 m。

圍井施工時(shí),修筑臨時(shí)圍堰。

臨時(shí)圍堰設(shè)計(jì)水位取145.0 m,堰頂高程按145.5 m,圍堰處地面高程約144.3 m,圍堰高度約1.2 m,采用粘土麻袋圍堰結(jié)構(gòu)型式。圍堰高程145.5 m,頂寬2 m,內(nèi)外側(cè)坡比1∶0.5。

3.2.2 方案二：庫水位降至140.0 m

150 m時(shí)相應(yīng)庫容為4511 萬m3,140 m時(shí)相應(yīng)庫容為1926 萬m3,加上來流量1.2 萬m3/h（豐水年11月P=10%（899/30/24））,減去泄流量,放水歷時(shí)135.0 h,合5.6 天,考慮水位下降速度太快的話可能導(dǎo)致土石壩上游壩坡失穩(wěn),控制放水速度為1 m/d左右,施工歷時(shí)約10 天。

（1）水廠取水影響

施工期庫水位下降到140 m,會(huì)影響左壩端黃材水廠的取水,浮船式取水泵站在庫水位低于145 m時(shí)將取不到水,為確保施工期間水廠正常供水,庫水位降至145 m時(shí),在取水口處設(shè)臨時(shí)進(jìn)水池,加設(shè)水泵從低水位抽至進(jìn)水池,水廠仍用老水泵。

水池容量按2 h用水量設(shè)計(jì),為417 m3（5000/24×2）,水池水深按3m,水池面積為139 m2（417/3）,水池尺寸可取14 m×10 m,池子共3 邊,池子長度34 m（14+10+10）,池子采用粘土麻袋填筑,高3.5 m,頂寬2 m,坡比1∶0.5,斷面積為13 m2,粘土麻袋總量446 m3,水池總造價(jià)7.5 萬元。

潛水泵從140 m抽水至145 m,最小揚(yáng)程5 m,流量為208 m3/h（5000/24）,水泵型號(hào)可選擇IS125-100-200 A（Q=114 m3/h,Hr=10 m,n=1450 rpm）（2 臺(tái)）,配套電機(jī)型號(hào)Y132S-4（N=5.5 kW,η=74%）（2 臺(tái)）,水泵總造價(jià)2 萬元。

水池和潛水泵總造價(jià)9.5 萬元,影響水廠取水時(shí)間約10天,對(duì)社會(huì)影響較小。

（2）導(dǎo)流方案

輸水洞檢修閘門下部施工期間（1 月～次年2 月）,水庫上游最低控制水位為140.0 m,最高水位由天然徑流、泄水和用水等進(jìn)行計(jì)算。

工程徑流量按10 年一遇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算為1599 萬m3,加上140 m水位時(shí)的庫容1926 萬m3,施工期庫容應(yīng)為3525 萬m3,查庫容曲線,對(duì)應(yīng)水位為146.6 m。考慮到黃材水廠用水和庫內(nèi)蒸發(fā),工程不再疊加10 年一遇3 日暴雨洪量（900 萬m3）,故導(dǎo)流設(shè)計(jì)水位取146.6 m。

（3）圍堰設(shè)計(jì)

輸水洞檢修閘門圍堰設(shè)計(jì)水位為146.6 m,圍堰軸線處地面高程約143 m,圍堰平均高度4.6 m。粘土麻袋圍堰總價(jià)較低,能滿足擋水和防滲要求,故采用人工堆碼,堰頂寬2 m,外側(cè)迎水,坡比取1∶0.7,內(nèi)側(cè)坡比取1∶0.5,圍堰軸線長度48.0 m。

根據(jù)地勘資料,圍堰基礎(chǔ)為紫紅色、黃褐色中厚層狀砂巖夾薄層狀泥質(zhì)頁巖,強(qiáng)風(fēng)化層,巖石整體性較好,不需要進(jìn)行堰基防滲處理。

3.2.3 方案三：庫水位降至最低水位

庫水位降至126 m以后,輸水洞泄流能力明顯減小,會(huì)小于來流量,庫水位將上升,隨著水位上升,泄流量加大,大于來流量,水位會(huì)降低,故水位會(huì)在126 m~127 m反復(fù),故本工程最低庫水位暫定為126 m。

考慮土石壩上游壩坡穩(wěn)定性,控制防水速度為1 m/d左右,施工歷時(shí)約24 天。

（1）導(dǎo)流方案

徑流量按10 年一遇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算,為1599 萬m3,加上127 m水位時(shí)的庫容279 萬m3,施工期庫容應(yīng)為1835 萬m3,查庫容曲線,對(duì)應(yīng)水位為139.6 m。故導(dǎo)流設(shè)計(jì)水位取139.6 m,圍堰處地面高程約143 m,不需填筑圍堰。

（2）蓄水方案

新的檢修閘門完成以后,水庫重新從126 m開始蓄水,蓄水至正常蓄水位145 m需76.4 天,至5 月16 日完成。從126 m開始蓄水,蓄水時(shí)段較長,對(duì)水廠和周邊群眾影響較大。

（3）水廠損失輸水洞除險(xiǎn)加固期間和水庫蓄水期間,水廠不能取水,時(shí)段為2019/11/21~2020/5/16,影響時(shí)間177 天。水廠用水損失按1 元/m3單日用水量按50%計(jì)算的話,水廠損失44.3 萬元（1×5000×50%×177/10000）。

3.3 方案比選

表6 方案比較表

從表5可以看出,從社會(huì)影響、水廠損失來看,可以直接排除方案三,方案一最佳；從工程量來看,方案一后期圍堰工程量大,涉及要拆除臨時(shí)圍堰,方案二工程量較小；從總成本來說,方案一總造價(jià)28 萬元,方案二總費(fèi)用為26 萬元,相差較小。綜合對(duì)比分析,遵循減少工程損失和運(yùn)行干擾,保證黃材水廠取水,減少居民生活干擾,最終選定方案一。

表5 圍堰工程量表

4 結(jié)語

除險(xiǎn)加固工程施工方案要根據(jù)工程的實(shí)際情況來分析確定。黃材水庫除險(xiǎn)加固工程處于運(yùn)行期,施工期首先要考慮的就是工程運(yùn)行損失和運(yùn)行干擾,故本工程安排在枯水期水量較少的12 月～次年2 月；另外黃材水庫有供水保障要求,基于少干擾、少損失、少工程量等多方考慮,選擇將水位降至147 m的施工導(dǎo)流方案,既能滿足工程需要,也不影響水廠取水。