黃材水庫除險加固工程輸水洞施工導流方案比選

文勇坤

（長沙市黃材水庫灌區管理局,湖南 寧鄉 410600）

1 工程概況

黃材水庫是一座以灌溉為主,兼有發電、防洪和養殖等綜合效益的大（2）型水利工程。該水庫工程等別為Ⅱ等,主要建筑物級別為2級,設計洪水標準為100 年一遇,校核洪水標準為2000 年一遇,溢洪道消能防沖工程設計洪水標準為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（對應洪峰流量為3072 m3/s）,設計洪水位167.97 m（對應洪峰流量為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,設計取水規模為5000 m3/d,采用黃材庫區浮船式泵站取水。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,主要由進口引水明渠段、埋管段、檢修閘室、隧洞段、調壓井和3 根分水支管組成。輸水洞進口底板高程122.00 m,出口底板高程121.52 m。本次輸水洞除險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,設置檢修門閘室,采用鋼質平板提升門,下游止水,卷揚式啟閉機垂直啟閉,上部設置啟閉排架和啟閉室,設置工作橋與岸邊連接。

2 水文資料

根據水文分析計算成果,多年平均來水量分月統計成果見表1,壩址徑流年內分配見表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月份統計表

表2 壩址徑流年內分配表

表3 水庫水位庫容曲線表

3 導流方案的確定

本工程等別為Ⅱ等,主要建筑物級別為2級,根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）規定,導流建筑物級別為4 級,土石結構導流建筑物洪水標準為10 年~20 年重現期,本工程可取10 年。

3.1 輸水洞泄流能力

利用輸水洞放水時,第二支管和第三支管為發電站引水管,不能參與泄洪,故輸水洞泄流能力由調壓井上游輸水隧洞（內徑為3.10 m）和調壓井下游第一支管（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H/a<1.2 時,輸水洞為無壓流,其泄流能力按以下公式計算：

當H/a>1.5時,輸水洞為有壓流,其泄流能力按以下公式計算：

當1.2

通過計算,輸水洞泄流曲線見表4。

表4 輸水洞泄流能力表

3.2 導流方案比選

工程安排在一個枯水期內完成。施工期內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需要控制庫水位。根據施工進度計劃,輸水洞檢修閘門拆除重建約需要3 個月時間,施工導流標準為10 年一遇12 月～次年2 月洪水流量296 m3/s。

檢修閘門除險加固施工導流對庫水位降至147.0 m、140.0 m和最低水位三個方案進行分析比較。

3.2.1 方案一：庫水位降至147.0 m

150 m時相應庫容為4511 萬m3,145 m時相應庫容為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69.0 h,合2.9 天。考慮水位下降速度太快的話,可能導致土石壩上游壩坡失穩,故本工程控制放水速度為1 m/d左右,施工歷時約5 天。

（1）導流方案

輸水洞內施工期間,輸水洞將不能過流,天然徑流只能蓄水至水庫內。為盡量縮短蓄水時段,應優化輸水洞施工程序。

工程徑流量按10 年一遇標準進行計算,為1599 萬m3,加上147 m水位時的庫容3637 萬m3,施工期庫容應為5236 萬m3,查庫容曲線,對應水位為152.2 m。考慮到黃材水廠用水和庫內蒸發,本工程不再疊加10 年一遇3 日暴雨洪量（900 萬m3）,又水位達到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,故導流設計水位取152.2 m。

（2）圍堰設計

輸水洞檢修閘門圍堰設計水位為152.2 m,圍堰軸線處地面高程約140 m,圍堰平均高度13.2 m。采用混凝土圍井結構型式。澆筑圍井時有水,需要填筑臨時小圍堰。

圍井頂高程按設計水位152.2 m+1 m超高計算,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為一個臺階,下臺階比上臺階寬0.5 m。井內尺寸為7.4 m×7.4 m。

圍井施工時,修筑臨時圍堰。

臨時圍堰設計水位取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構型式。圍堰高程145.5 m,頂寬2 m,內外側坡比1∶0.5。

3.2.2 方案二：庫水位降至140.0 m

150 m時相應庫容為4511 萬m3,140 m時相應庫容為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135.0 h,合5.6 天,考慮水位下降速度太快的話可能導致土石壩上游壩坡失穩,控制放水速度為1 m/d左右,施工歷時約10 天。

（1）水廠取水影響

施工期庫水位下降到140 m,會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,在取水口處設臨時進水池,加設水泵從低水位抽至進水池,水廠仍用老水泵。

水池容量按2 h用水量設計,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7.5 萬元。

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

水池和潛水泵總造價9.5 萬元,影響水廠取水時間約10天,對社會影響較小。

（2）導流方案

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、泄水和用水等進行計算。

工程徑流量按10 年一遇標準進行計算為1599 萬m3,加上140 m水位時的庫容1926 萬m3,施工期庫容應為3525 萬m3,查庫容曲線,對應水位為146.6 m。考慮到黃材水廠用水和庫內蒸發,工程不再疊加10 年一遇3 日暴雨洪量（900 萬m3）,故導流設計水位取146.6 m。

（3）圍堰設計

輸水洞檢修閘門圍堰設計水位為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,外側迎水,坡比取1∶0.7,內側坡比取1∶0.5,圍堰軸線長度48.0 m。

根據地勘資料,圍堰基礎為紫紅色、黃褐色中厚層狀砂巖夾薄層狀泥質頁巖,強風化層,巖石整體性較好,不需要進行堰基防滲處理。

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,水位會降低,故水位會在126 m~127 m反復,故本工程最低庫水位暫定為126 m。

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

（1）導流方案

徑流量按10 年一遇標準進行計算,為1599 萬m3,加上127 m水位時的庫容279 萬m3,施工期庫容應為1835 萬m3,查庫容曲線,對應水位為139.6 m。故導流設計水位取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,蓄水時段較長,對水廠和周邊群眾影響較大。

（3）水廠損失輸水洞除險加固期間和水庫蓄水期間,水廠不能取水,時段為2019/11/21~2020/5/16,影響時間177 天。水廠用水損失按1 元/m3單日用水量按50%計算的話,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,涉及要拆除臨時圍堰,方案二工程量較小；從總成本來說,方案一總造價28 萬元,方案二總費用為26 萬元,相差較小。綜合對比分析,遵循減少工程損失和運行干擾,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 結語

除險加固工程施工方案要根據工程的實際情況來分析確定。黃材水庫除險加固工程處于運行期,施工期首先要考慮的就是工程運行損失和運行干擾,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的施工導流方案,既能滿足工程需要,也不影響水廠取水。