SETH水利樞紐泄水建筑物設計

翟 政

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

1 工程概況

SETH工程位于新疆阿勒泰地區青河縣烏倫古河上游流域，是烏倫古河流域規劃確定的唯一具有多年調節能力的水庫。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高75.5 m，壩頂高程為1032.0 m。壩體布置引水、門庫、電梯井等功能壩段，泄水建筑物亦布置于壩體，電站廠房為壩后式。工程任務以供水及防洪為主，兼顧灌溉和發電，并為加強流域水資源管理和水生態保護創造條件。水庫總庫容2.94億m3，防洪庫容0.21億m3。工程建成后，可使下游沿線鄉鎮防洪標準由10 a一遇提高到20 a一遇，縣城防洪標準由20 a一遇提高到30 a一遇。

2 泄水建筑物布置及選型研究

一般而言，泄水建筑物服務于主體工程，滿足工程開發任務，適應水文及地形地質等條件，確保工程安全發揮功效[1]。本工程泄水建筑物的布置及型式選擇需考慮水庫供水和防洪任務的調度運行、地形地質限制條件以及樞紐整體布置的協調。

2.1 水庫供水及防洪調度運行方式

水庫來水量首先滿足生態基流要求，其次滿足流域生活和工業用水要求，最后滿足農業灌溉和河谷林生態用水要求，當出現枯水年時，首先影響的是河谷林生態用水，其次是農業灌溉用水。在水庫死水位986.0 m時（枯水時段），需要向下游提供工業及農業用水，水量約55 m3/s[2]。

水庫防洪調度在30 a一遇洪水標準以下均需要控制泄流量。當庫水位達到20 a一遇防洪高水位之前，控制下泄流量為20 a一遇水庫安全控泄量395 m3/s[2]；若庫水位繼續升高，則控制下泄流量為水庫30 a一遇控泄流量479 m3/s[2]，直至達到水庫30 a一遇防洪高水位；在庫水位達到30 a一遇防洪高水位時，若入庫流量小于庫水位最大泄量，則控制出庫流量不得大于入庫流量以防止形成人造洪峰，反之水庫敞泄；工程泥沙含量較少，考慮生態放水一般下放表層水的要求，本工程30 a一遇洪水以下需高位通道泄上層水。

2.2 地形地質條件

樞紐壩址處松散堆積物厚度不大，易于處理，壩址岸坡整體穩定，壩基巖體以弱透水為主，巖體滲透穩定性好。壩址處主河槽寬度較小，偏向右岸，左岸為灘地，坡度較為平緩，地形相對開闊；右岸為凹岸，水流通道不夠順直。壩址左岸有單薄山體，可作為溢洪道天然埡口，埡口處表層為厚度0.3～4 m的坡洪積含土碎石，巖體中斷層及結構面發育，抗沖性能差，巖體透水性較強。

2.3 樞紐布置整體協調

樞紐中的永久建筑物包括攔河壩、泄水建筑物、引水建筑物、電站廠房以及過魚建筑物。對于以重力壩為攔河壩的樞紐，往往發揮重力壩結構優勢，將樞紐功能集中于壩體實現。本工程采用壩后式廠房，引水建筑物置于壩身，其后尾水渠不宜偏離主河床，過魚建筑物一般與尾水渠同側。因主河床寬度較窄，如泄水建筑物布置于壩身，需充分考慮其與引水建筑物在主河床中的位置關系。

2.4 泄水建筑物型式及布置方案

從地形地質條件方面考慮，雖然有天然埡口可布置壩外溢洪道，但單獨修建溢洪道作為泄洪通道不僅增加土石方開挖量，還增加鋼筋混凝土投資，經濟性較差，故泄水建筑物布置方案以壩內布置為宜。壩內布置泄水建筑物，需協調其與引水壩段的位置，右岸為凹岸，水庫泄水水流不平順，且電站出線在右岸，如將電站布置于左岸，出線不便，經整體考慮，泄水建筑物布置于主河床靠左岸位置。根據規劃30 a一遇以下洪水通過高位通道泄水的要求，宜布置溢流表孔，且需要表孔具有較好的超泄能力，這是重力壩設計泄洪方式的首選。壩址區地震烈度為8度，需考慮必要情況下的水庫降低水位和放空運行，同時考慮死水位986.0 m時需要為下游提供工業及農業用水，所以壩體布置底孔是必要的。通過調洪計算，表孔和底孔聯合泄洪，初擬布置1孔10 m凈寬的表孔和1孔3 m凈寬的底孔可滿足泄洪和供水要求。考慮泄水壩段與引水壩段之間的隔墩壩段布置表孔門庫，為運行管理方便，表孔布置于右側，底孔布置于左側。

本工程壩基巖體較好，消能型式應優先采用挑流消能。但經初步計算，采用常規18.0°挑角的連續挑坎時，設計洪水工況的表孔泄流挑距為85 m，沖坑深度為15 m，沖坑位置位于魚道誘魚進口附近，對過魚建筑物、電站廠房、下游岸坡等均產生影響。挑流消能在冬季運行時，建筑物邊壁容易產生冰凌，會對建筑物產生危害，影響建筑物發揮正常功能。本工程擋水壩段最大壩高75.5 m，介于高壩和中壩分界部位，采用底流消能可使下游水流流態穩定，減小對下游誘魚口的影響，泄洪霧化的雨區、雨強比挑流消能工程小得多[3]，可減少冬季泄水霧化結冰對建筑物產生的危害，故本工程泄水建筑物采用底流消能方式。

3 泄水建筑物設計

3.1 表孔結構型式設計

表孔為開敞式溢流孔，承擔主要泄洪任務，選擇流量系數較大且運用較為廣泛的WES實用堰堰型，堰頂高程1019.0 m，堰頂上游曲線采用1/4橢圓曲線，方程為x2/2.782+y2/1.572=1。為便于閘門布置，堰頂設0.716 m水平直線段，下游是WES冪曲線，方程為y=0.0755x1.85，下游壩面同壩體整體坡度為1∶0.75，斜坡末端通過半徑為20.0 m的反弧段與消力池底板相切連接。表孔設置1孔，凈寬為10.0 m，邊墩厚4.0 m，下游導墻厚2.5 m。表孔設平板檢修閘門及弧形工作閘門，弧形工作閘門便于控制泄量。表孔堰頂設1跨凈跨為10.0 m的預制“T”形梁橋，橋面高程為1032.0 m、寬5 m。

3.2 底孔結構型式設計

因枯水期供水任務及水庫降低水位和放空需求，底孔進水口高程控制水位為死水位986.0 m，該水位下下泄流量需大于55 m3/s以滿足下游工農業用水。對于碾壓混凝土重力壩來說，壩體孔洞規模不宜過大，擬定底孔進水口尺寸為3 m×4 m，在死水位下計算的最小淹沒深度為4.26 m，底孔進水口底高程取976.0 m，孔口淹沒深度為4.4 m。底孔進口頂部采用橢圓曲線，方程為x2/5.62+y2/1.92=1，側面采用半徑為1.5 m的圓弧曲線，下緣采用半徑為1.5 m的圓弧曲線，其后設置一道平板事故檢修閘門，門槽處的孔口高度為5.6 m。閘門槽后底部接拋物線段，方程為y=0.025x2，其后采用長約18.3 m的有壓斜坡段連接到弧門處，斜坡坡度1∶4；為消除出口處的負壓，頂部采用1∶3.3929全程壓坡。檢修閘門與工作閘門之間的洞段采用全斷面鋼板襯護，以降低壩體滲透壓力，減少滲透量。出口后底孔寬度由3 m擴散到消力池處變為10 m，與消力池底的連接采用半徑為20 m的圓弧曲線。底孔進口檢修閘門由壩段門機控制，出口弧形工作閘門采用液壓啟閉機控制。

消能方式采用底流消能方式，表孔及底孔壩段消力池采用整體U形槽，池底高程959.0 m，池長105.55 m，采用中隔墻分割，寬度分別為13、10 m，尾坎頂高程968.5 m、寬2 m，后以坡度1∶1連接海漫護坦，邊墻及中隔墻墻頂高程977.0 m。消力池后接長30 m、厚1 m的鋼筋混凝土防沖護坦及長12 m的拋石防護區。為與基礎巖石緊密聯接，消力池全底板設置系統錨桿，并進行固結灌漿。系統錨桿為Φ28錨筋，入巖7.5 m。固結灌漿孔孔深5 m，間排距3 m。遇有破碎帶需挖除，設置混凝土巖塞。為減小浮托力，消力池全基礎設置Φ110消力池排水孔，入巖6 m，間排距4 m。底板與基礎巖石之間設置橫縱排水溝。

3.3 泄流能力計算

根據SL319-2005計算各庫水位下表孔泄流量、底孔泄流量和總泄流量，結果詳見表1。

表1 泄流能力匯總

由表1可知，正常蓄水位1027.0 m時，泄流能力為761.7 m3/s；設計水位1028.24 m時，泄流能力為880.1 m3/s；校核洪水位1029.94 m時，泄流能力為1056.2 m3/s，泄流建筑物的泄流能力滿足各頻率洪水泄量要求。

3.4 消能工計算

根據相關規范規定，消力池按50 a一遇洪水標準設計，P=2%時需泄流量636 m3/s，相應壩前水位為1028.24 m，相應壩軸線下游160 m處（接近消力池尾端）水位為972.1 m。利用理正巖土軟件做消力池消能計算，成果詳見表2。消力池底板抗浮穩定計算成果，詳見表3。

表2 消能計算成果

表3 消力池底板抗浮穩定計算成果

在未設置錨筋的情況下，各工況消力池底板抗浮穩定安全系數均小于規范允許值。因此，采取錨筋加固的方式對消力池底板進行加固，以滿足底板抗浮要求。消力池設置Φ28、間排距2.0 m、入巖長度7.5 m的錨筋底板即可滿足抗浮穩定要求[4]。

4 結語

SETH水利樞紐工程地處新疆嚴寒且缺水的地區，是山區高壩大庫，水資源利用調度原則較為復雜。泄水建筑物的布置需根據樞紐工程的具體工作任務來確定，高水頭、窄河谷、大流量以及多目標的水利樞紐適合于表孔、中孔及深孔的形式。本工程泄水建筑物設計結合了運用要求、主體建筑物布置以及地形地質條件等，經過詳細的方案比較研究，確定了符合工程特點且經濟合理的布置及結構方案，以確保工程供水需求、保障工程具有良好的泄洪防洪效果。