南水北調工程陶岔渠首樞紐布置設計

羅承昌

(長江水利委員會勘測設計研究院 武漢 430014)

1 概述

陶岔渠首樞紐工程位于河南省淅川縣陶岔村、丹江口水庫東岸,是丹江口水庫的副壩,陶岔渠首閘初期工程于1974年建成,主要任務作為丹江口水庫副壩擋水,并承擔引水灌溉任務。工程運行至今已30年,滿足了初期工程設計要求。

根據南水北調中線工程規劃,丹江口水庫大壩加高后,正常蓄水位由157m抬高至170m,副壩必須進行必要的加高、加固。

陶岔渠首樞紐作為南水北調中線輸水總干渠的渠首工程,承擔向北京、天津、河北、河南等城市的輸水任務。

因此,樞紐以供水和擋水任務為主,同時兼顧灌溉和發電。根據南水北調中線工程規劃,一期工程渠首閘設計引水流量350m3/s,加大引水流量420m3/s。電站裝機兩臺,總裝機容量50MW。

2 地形及地質條件

工程區地處北部伏牛山脈與南部武當山系之間的狹長低洼地帶,其西為中低山區,東為南陽盆地,總體呈西高東低的地貌景觀。地面高程一般為160～185m之間。閘址區內出露有奧陶系中統中厚層灰巖、灰質白云巖,此外有少量中-基形火成巖脈。巖石表面無統一連續風化帶,垂直厚度一般不大于2m。工程區屬巖溶中等發育地區。地表巖溶形態以石芽、溶溝為主;閘基位于湯禹山背斜的一次級向斜核部,向斜西翼巖層傾向下游,傾角一般28°～38°,東翼巖層傾向上游,傾角較陡,一般64°～85°。主要發育北西西向斷層,多傾向下游,傾角一般大于45°,破碎帶物質膠結較好。裂隙以NNE向較為發育,NWW向、NE向及NW向次之,傾角一般大于45°。中傾角裂隙主要見有兩組,傾向NE和SE,傾角30°～40°。

樞紐工程區處于相對穩定地塊之上,工程區地震活動微弱。地震基本烈度為VI度場地地震動峰值加速度為0.05g。

3 樞紐總體布置

3.1 閘址及閘線選擇

陶岔閘初期工程運行至今,沒有因閘址的問題引起工程量的增加環境變壞等不利情況,陶岔壩址處初期工程已建引水閘及人工開挖了上、下游渠道,渠首段較順直,地形完整,可作為新閘閘址。

經過對老閘加固和易址重建方案進行比較,從工程運行安全和穩定性、施工難易、建筑景觀、工程投資等方面進行全面比較,重建方案工程投資省,施工相對簡單。

在閘線選擇上,進行了原閘線上游70m、原閘線、原閘線下游約80m三條閘線的比選。

(1)從地質條件分析,上、原、下三條閘線,基巖頂板線依次抬高;三條閘線巖溶均較發育,下閘線相對較好,但構造相對發育;三條閘線均無可靠防滲依托。

(2)從擋水建筑物長度看,上閘線軸線長度最長,原、下閘線長度接近。

(3)從工程建設條件來看,下閘線可利用老閘作為施工圍堰,上線、原線老閘須全部拆除,如原線利用老閘,則電站建筑物建在岸邊,工程量大。

綜合分析,下閘線優勢明顯,采用下閘線方案。

3.2 電站方案比選

在本工程水頭及流量條件下,電站發電水頭在6～24.86m之間,機組不適宜不發電僅過流的工況。故加電站方案中,引水閘工程規模不變,只在引水閘旁加設電站建筑物。

陶岔閘一般情況下均從電站直接引水。當遇機組檢修等特殊情況,可從閘室直接引水。閘室和電站引水規模均滿足中線一期工程的要求,從工程運用來看,增加電站不影響中線工程的調水。陶岔渠首修建電站后增加投資2.9億元,發電量可抵消增加投資,經濟指標較好。

3.3 總體布置

樞紐運行期間,一般條件下干渠引水主要來自電站尾水渠,故樞紐布置比較中,電站布置在干渠主渠道、引水閘布置在右岸擴寬處。由于電站占據了主渠道位置,引水閘的基坑需在右岸開挖基巖形成,因此,在引水閘上、下游需要開挖相應的引水通道。樞紐建筑物主要有:初期工程已經修建的上游約4.4km引渠、重力壩、引水閘及消力池、廠房建筑物。樞紐布置如圖1。

圖1 樞紐布置圖

4 主要建筑物

陶岔渠首樞紐工程壩軸線總長265m,從左至右依次為左岸非溢流壩,安裝場壩段,廠房壩段,引水閘室段,右岸非溢流壩。

4.1 工程等別及洪水標準

丹江口水利樞紐正常蓄水位170.0m,校核洪水位174.35m,總庫容339.1億m3,為大 (1)型工程,南水北調中線工程為大型跨流域調水工程。丹江口水利樞紐、南水北調中線工程均為 I等工程。陶岔渠首樞紐作為丹江口水利樞紐的副壩,也是南水北調中線工程的渠首工程,其工程等別為I等工程。主要建筑物引水閘、河床式電站擋水建筑物部分、兩岸連接壩段等擋水建筑物以及上游引渠、下游總干渠為及上、下游導墻為1級建筑物,次要建筑物副廠房、開關站等為3級建筑物。

本工程擋水建筑物設計與校核洪水位與丹江口大壩相同,設計洪水重現期1000年,校核洪水重現期為10000年加20%。

根據總干渠運用條件,確定閘下消能設計標準為丹江口水庫正常蓄水位,引水閘引加大流量420m3/s。

4.2 引水閘

引水閘布置在渠道右側,寬度38.5m,頂高程176.6m,從上游至下游依次布置有壩頂交通道、事故檢修門啟閉門機以及弧形工作門啟閉機房;在高程157.7m,寬15.4m,布置有閘下游檢修門平臺。

引水閘分3孔,邊孔為整體式結構,中孔采用孔中分縫。壩段寬15.5m,其中墩厚2.5m,孔口寬7m,閘總寬31m。

閘室順水流向長36.5m,其中進口段13.75m,出口明渠段22.75m。孔口上部擋水部分設兩道胸墻,兩道胸墻間設事故檢修門,有壓短管出口設弧形工作門,出口明渠段設檢修門。

閘后設消力池,消力池順水流向長60m,寬36m,采用透水底板型式,池底板厚1.5m,底板設間排距2m×2m的排水孔和長5m的錨筋,消力池后設尾坎,坎高1.5m,坎頂高程141m與原渠道底相接。水閘消力池和廠房尾水渠之間設廠閘導墻,消力池長60m,廠閘導墻延伸至消力池尾坎后5m,總長65m。

廠閘導墻斷面為梯形,頂寬1m,兩側坡度以與消力池、尾水渠邊坡對稱為原則設計,消力池側坡度1∶0.3,尾水渠側坡度 1∶0.2。

4.3 擋水壩

陶岔渠首樞紐工程共分15壩段,其中1#～5#壩段為左岸非溢流壩,11#～15#壩段為右岸非溢流壩,除11#壩段寬為16m,其余均為18m。

左、右岸非溢流壩以橫縫分為各自獨立的結構,其基本剖面均為三角形,上游面直立,下游面坡比1∶0.7,壩頂寬6m,設上游人行道及防浪墻,下游人行道及欄桿。

閘室上游面與左、右岸非溢流壩上游面在同一平面內,即壩軸線剖面內。6#壩段布置2座檢修門庫,11#壩段布置 1座檢修門庫,門庫尺寸為3.0m×7.0 m(長×寬)。左、右岸非溢流壩基礎設基礎防滲帷幕灌漿廊道。

4.4 電站建筑物

陶岔水電站為一河床徑流式電站,水頭范圍為6.0～24.86m。電站裝機容量50MW,安裝兩臺大型貫流式水輪發電機組,單機容量25MW,機組裝機高程136.20m,水輪機直徑5.10m。

電站廠房布置于引水渠左側,電站廠房軸線與壩軸線平行,沿軸線方向前緣總長64.00m,其中主廠房沿軸線長35.00m,安裝場沿軸線長29.00m,安裝場布置在主廠房左側。廠房內裝有2臺燈泡貫流式水輪發電機組及125t/32t橋式起重機,尾水平臺設有1臺半門式尾水門機。

電站廠房部分,包括引水渠、進水口、攔污柵、檢修閘門、主廠房、副廠房、尾水平臺、事故工作閘門及尾水渠。

廠房進水口上游側設5.0m長混凝土水平護面,護面頂高程 129.65m,低于進水口底板高程130.65m,以防推移質進入流道,水平護面上游以1∶5坡度護至高程141.00m,與渠道底面銜接,由于電站進水口底板高程低于引水渠渠道底部高程,為防止大量泥沙淤積廠前或推移質進入進水口,仍需采取有效的防沙措施。

考慮到丹江口水庫庫容較大,引水干渠從水庫中取水,引水干渠中泥沙含量較少,特別是推移質含量較少,從工程的正常運行以及工程維護的角度綜合考慮,采用排沙方案。

因此,在電站廠房進水渠前設置混凝土導沙順坎和丁坎一道,渠道內的泥沙將由導沙坎直接導向引水閘,沖往下游,其中導沙順坎和渠道水流方向平行,丁坎和壩軸線方向成10°角,以利于導沙。導沙坎全長約155.0m,頂部高程140.00m,坎頂高于渠道底部0.5m。

廠房尾水管出口處設10m長混凝土水平護坦,護坦頂面高程為131.70m,與尾水管底板同高,水平護坦下游接1∶5反坡至高程141.00m,然后與渠道底面銜接。

4.5 上下游渠道

閘上游引渠段全長約4.4km,原地面高程在160～185m之間,原設計渠底板高程140m,開挖深度12～47m,渠底寬度30～35m,渠道開口寬150～430m,渠邊坡主要由Q1、Q2及Q4粘性土構成,局部渠段渠底及渠坡下部為奧陶系中統灰巖及其殘積層。

上游引渠在初期工程開挖過程中,曾發生過邊坡穩定問題,初期工程對開挖過程中出現的局部失穩進行了處理,對渠坡采取了坡面排水措施,并對渠坡下部用干砌石進行護坡,運行至今未發現問題。

鑒于渠坡地質結構多為單一土層結構,少量渠段為上粘性土,下硬質巖石結構。

丹江口水庫蓄水至170m以后,水位上升13m,部分渠坡土體力學性質將會有所降低,為防止水位變副帶可能出現的小規模失穩,對157m以上人工邊坡采用干砌石護坡,護坡后30cm,砂礫石墊層厚10cm。

由于在初期工程下游有約260m的渠道已按渠底寬40m建成,本階段利用此渠段約238m。閘下消力池及電站尾水渠采用圓弧段漸變與下游總干渠處平順連接,連接段兩側采用重力式混凝土擋墻,底板采用30cm厚的混凝土。