長石嶺水庫工程泄水建筑物方案比選

胡嘉豪

（溫州市水利電力勘測設計院有限公司,浙江 溫州 325000）

1 工程概況

樂清市長石嶺水庫工程位于樂清市芙蓉鎮上岙垟村上游1.6 km處,距離芙蓉鎮4.0 km,防洪保護范圍主要為芙蓉鎮。工程位于浙江省樂清市清江主流黃金溪上,長石嶺水庫壩址以上流域面積18.3 km2,主流長9.36 km,河道平均比降5.76%。水庫以供水為主,兼顧防洪、灌溉等綜合利用。

1.1 工程區地貌

工程區屬峽谷地段,河流流向為96°,河谷深切,兩岸山體雄偉,地形陡峭,河谷底寬18 m~30 m,兩岸坡度一般在30°~50°之間,為基本對稱的“V”字型河谷,谷底高程約50 m~59 m。兩岸陡崖分布較多,河流縱坡降較大。

1.2 水庫大壩結構

水庫大壩為C15 埋石砼重力壩。按50 年一遇洪水設計,500 年一遇洪水校核,相應校核洪水位129.58 m。壩頂高程129.80 m,防浪墻墻頂高程為130.8 m,大壩基底高程53.7 m,最大壩高76.1 m,壩頂長度203.5 m,其中溢流壩段長19.8 m,非溢流壩段長183.7 m。

水庫汛限水位為116.0 m,防洪高水位129.10 m；正常蓄水位為125.0 m,相應庫容642.4萬m3；供水死水位為70.5 m,相應庫容為31.7萬m3；水庫總庫容737.0萬m3,承擔的防洪庫容為250萬m3。

1.3 上壩公路

長石嶺大壩建成后,庫區原有接南山村的道路受淹后無法通行。為方便大壩今后運行管理和水庫庫區內村民正常通行,在大壩左側設置上壩公路,上壩公路總長為410.0 m。大壩左壩肩設緩沖平臺,大壩公路下游端接新的白雁公路。

2 水庫泄洪規模

2.1 下游安全泄量

2.1.1 下游芙蓉鎮的控制斷面要求

長石嶺水庫下游芙蓉鎮的堤防標準為10 年一遇,區間集雨面積為3.234 km2,現狀安全泄量295 m3/s,其中20 年一遇區間洪峰流量為116.0 m3/s。

2.1.2 樂清市清江流域防洪要求

根據《樂清市流域防洪規劃》的要求,長石嶺水庫需要防洪庫容為250 萬m3,相應安全泄量為110 m3/s。2.1.3 本水庫安全泄量合理性分析

從上述分析可知,當長石嶺水庫按照區域防洪要求,下泄110 m3/s時,疊加區間洪峰后,芙蓉鎮斷面的洪峰流量為226 m3/s,仍然小于其設計安全泄量295 m3/s。因此當水庫按照區域防洪要求110 m3/s時,可以滿足下游區域防洪要求,也將芙蓉鎮的防洪標準提高至20 年一遇以上。

2.2 泄洪孔

由于泄洪洞主要功能為確保水庫可以預泄110 m3/s,同時考慮到汛期泄洪孔啟閉的可靠性,以及建筑物在布置上較為對稱,且在調度方式上較靈活,因此采用2 孔的泄洪洞方案。單孔泄洪洞按照水庫在汛限水位116.0 m時可以下泄安全泄量110 m3/s進行控制。泄洪洞進口段底高程101.0 m,泄水孔出口規模為3.0 m×2.8 m,水庫在汛限水位116.0 m時,單孔泄洪洞泄流能力128 m3/s。

2.3 泄洪道

考慮本工程壩頂不宜設置溢洪道,因此在大壩右壩肩進行山體開挖設置溢洪道。溢洪道的規模和調度方式同重力壩上溢洪道,壩體內布置WES溢流面+泄洪洞可大大減少工程投資,同時也方便后期管理。根據實際地形和防洪要求,溢道頂高程略低于正常水位0.5 m左右來擬定溢洪道堰頂高程124.5 m。為分析溢洪道規模,采用2 m×6.0 m、2 m×7.5 m、2 m×9.0 m進行論證。溢洪道的規模及下泄流量見表1。

表1 溢洪道規模及下泄流量表

從上述表格可以看出,溢洪道的下泄流量及校核洪水位與溢洪道凈寬有關系,根據上述的計算成果可以看出,在124.5 m的堰頂高程下,溢洪道凈寬為2 m×6 m可以泄321 m3/s,選擇2 m×7.5 m的堰寬度,可以下泄345 m3/s,采用2 m×9.0 m的閘寬,下泄流量為370 m3/s,為合理控制最高水位,同時又能增加調度合理性,溢洪道規模確定采用2 m×7.5 m。

3 泄水建筑物方案比選

水庫正常蓄水位125.0 m,汛期限制水位116.0 m,防洪庫容和有效庫容部分共用,這就要求泄水建筑物能夠預泄,以便騰出防洪庫容。根據水庫調度方案,當水庫水位小于防洪高水位129.1 m時,且水庫來水小于110 m3/s,水庫開啟泄洪孔泄洪保持水庫按照來水下泄,使水庫水位維持在汛限水位；

當水庫來水大于110 m3/s時,水庫通過控制閘門開度按照110 m3/s下泄。泄水建筑物布置擬定以下兩種方案。

3.1 方案一采用表孔結合中孔的型式

表孔溢流堰寬度受到地形限制,故將溢流段設在重力壩中央段。中孔布置在表孔兩側,消能設施采用挑流消能并結合下游河道開挖形成的水墊塘進行消能的方式。

3.1.1 表孔布置

溢洪道采用WES溢流面+弧形閘門。溢洪道凈寬采用19.8 m,采用2 m×7.5 m的弧形閘門,中墩寬為1.8 m,兩側邊墩為1.5 m。堰頂高程為124.5 m,溢洪道設置兩扇弧形鋼閘門控制,弧形工作閘門啟閉設備選用QH-2×150 kN固定卷揚式啟閉機,啟閉容量為2×150 kN,一門一機設置以迅速開啟孔口,下泄洪峰。啟閉機除配置位置和荷載保護裝置外,為適應計算機監控的要求,配置數字式閘門開度儀和數字式荷載顯示儀。孔口尺寸（寬×高）7.5 m×5.0 m,堰頂高程124.50 m,水庫設計洪水位（P=2%）129.10 m,設計水頭4.60 m,承受總水壓力987 kN。溢洪道正上方設置啟閉機房,面積為180 m2。

溢流堰堰頂上游采用三圓弧曲線,半徑分別為21.72 m,8.691 m,1.736 m。下游面為開敞式溢流堰面曲線接1∶0.75的下游壩坡,下接反弧段,進入消力池。下游堰面曲線采用WES曲線。經計算,堰面曲線方程為Y=0.151X1.85,溢流堰前沿末端設挑流反弧,反弧半徑為10.245 m,挑射角為22°9'。溢流堰斷面及堰頂曲線圖見圖1。

圖1 溢流堰剖面及堰頂曲線圖

3.1.2 中孔布置

中孔布置在表孔兩側,進口底高程為101.0 m。為了使水流平順進入,進口頂曲線和底曲線采用橢圓曲線,長軸為3.7 m,短軸為1.23 m。進口側曲線采用的橢圓曲線長軸為2.4 m,短軸為0.80 m。壩身泄水孔采用有壓式,出口壓坡段兩端斷面面積比為0.75,即出口尺寸為3.0 m×2.8 m。出口明流段采用拋物線銜接,經計算,拋物線方程為Y=0.02355X2+0.57735X。中孔上游設一道事故檢修門,事故檢修門尺寸3.00 m×3.70 m。考慮到溢流堰高程以及挑流時水流合理消能,出口段采用挑流鼻坎頂高程也為70.20 m,反弧半徑為10.245 m,挑射角為22°9'。工作閘門為潛孔式弧形鋼閘門,孔口尺寸為寬3.0 m,高2.8 m,設計水頭30.1 m,工作閘門操作方式為動水啟閉。相應結構型式見圖2。

圖2 中孔泄洪洞剖面及曲線圖

3.2 方案二、采用表孔結合深孔的型式

表孔布置和規模同方案一,深孔布置在表孔兩側,消能設施采用挑流消能并結合二道壩形成的水墊塘進行消能的方式。

考慮到泄洪洞與二級廊道交叉,將泄洪洞進口調整設置在高程76.0 m。進口側曲線采用的橢圓曲線長軸為2.0 m,短軸為0.80 m。壩身泄洪洞采用有壓式,進口頂曲線和底曲線采用橢圓曲線,進口尺寸為3.0 m×2.6 m。出口壓坡段兩端斷面面積比為0.87,即出口尺寸為2.6 m×2.6 m。出口孔底高程76.62 m,出口段由弧形閘門控制[1]。上游設一道事故檢修門,事故檢修門尺寸3.0 m×2.6 m。出口采用挑流鼻坎頂高程46.4 m,挑角15°,反弧半徑10.00 m。工作閘門為弧形鋼閘門,設計水頭53.1 m,工作閘門操作方式為動水啟閉。

3.3 方案比選

泄水建筑物布置方案比選主要差異在于中孔和深孔布置方面,現分別從施工工期、運行管理、質量控制和工程投資方面進行比較分析,比較內容見表2。

表2 泄洪洞方案比較分析表

在工程施工工期、施工質量控制、運行管理、泄洪時對下游的影響、工程投資等方面來考慮,方案一優勢較明顯。

另外考慮到本水庫日常洪水調度主要通過泄洪洞進行下泄,高水頭時通過弧形閘門開度控制下泄流量,難度均較大。頻繁啟閉弧形閘門,對閘門質量要求較高。另外,高水頭時如何防止閘門段的滲水難度也較大。

結合水庫泄洪規模分析,最終確定將“方案一中孔泄洪洞”做為泄水建筑物布置方式。

4 結語

長石嶺水庫泄洪洞采用中孔泄洪布置方式,當水庫水位小于防洪高水位129.1 m時,且水庫來水小于110 m3/s,水庫開啟泄洪中孔泄洪保持水庫按照來水下泄,使水庫水位維持在汛限水位；當水庫來水大于110 m3/s時,水庫通過控制閘門開度按照110 m3/s下泄。當水庫水位達到129.10 m時,此刻水庫轉為保壩運行,隨來水量變化調整水閘開度。工程運行后可以滿足下游區域防洪要求,也將芙蓉鎮的防洪標準提高至20 年一遇以上。可為類似工程泄洪建筑物布置提供一定的參考價值。