茸草水庫泄洪工程的方案選擇

摘 要：一般情況下泄洪工程通常釆用開敞式溢洪道方案，為了優化設計，對茸草水庫泄洪工程提出了二個建設方案：開敞式溢洪道方案和泄洪洞式方案。經過論證優選設計方案。

關鍵詞：泄洪工程 方案選擇

中圖分類號：TV651.3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（b）-0056-02

茸草水庫位于德慶縣高良鎮，是以防洪、灌溉為主結合發電的中型工程。工程在1994年開工。正常水位170 m，死水位156 m。壩頂高程174.5 m，大壩為均質土壩，最大壩高50.5 m。發電引水隧洞位于壩的右岸，進口高程146 m。隧洞長度880 m，內徑1.6 m。一般情況下泄洪工程通常釆用開敞式溢洪道方案，為了優化設計，對泄洪工程提出了二個建設方案：開敞式溢洪道方案和泄洪洞式方案。

1 方案選擇

1.1 開敞式溢洪道方案

開敞式溢洪道布置在大壩左岸的條形山上。進口釆用駝峰堰型，堰頂高程為165 m，寬度為8 m，堰頂安裝弧形鋼閘門，上設啟閉室，溢洪道陡槽坡率1∶4.0，末端接挑流鼻坎，挑流消能，溢洪道全長146 m。

1.2 泄洪洞方案

泄洪洞的軸線與開敞式溢洪道方案布置在同一位置，位于其下方。進水口高程為156 m，溢洪洞工作方式為進口工作閘門前設置成有壓短管，閘后為無壓的明流隧洞形式，斷面為城門洞形。考慮地形地質條件及與導流洞巧妙結合的因素，泄洪洞進水口段設計成“龍抬頭”式。泄洪洞由進口、有壓短管、閘門及啟閉室、豎曲線段、斜直線段、反弧段、水平段和出口挑流鼻坎組成。水平段與導流段相結合，泄洪洞全長150 m。

1.3 地形地質條件比較

兩方案都布置在左岸條形山上，進出口水力條件較好。出口與主河床順暢銜接。

云利河流域的地層由燕山期侵入巖和奧陶系地層組成。燕山期侵入巖與奧陶系地層的接觸帶從壩軸線上經過，上游為燕山期粗粒花崗巖，下游為奧陶系砂巖夾板巖。均為堅硬巖基。兩大類巖性呈緊密交錯穿插接觸，接觸帶從壩址區穿過，橫切河谷，接觸面近直立，走向近東～西，壩區內無大斷裂通過。

左岸山體地表發育2～3 m的殘坡積層，覆蓋層薄而較穩定，基巖為砂巖夾板巖及粗粒花崗巖，產狀為0300/750，利于防滲和岸坡穩定，巖石堅硬，構造不發育，全風化巖石的厚度為10～17 m，強風化巖石的厚度為8～12 m。根據上述地質條件認為，兩方案的地基都能滿足要求。

1.4 施工條件比較

開敞式方案：溢洪道槽體深槽開挖，深達20多米，斜坡處理較困難，開挖工作量和圬工工作量較大；條形山體將變得更為單薄，對整個樞紐工程穩定不利；且下游出口反弧挑流段不能與導流洞結合，這就使施工導流布置上造成一定困難，即使免強布置，導流完成后，仍要將出口處理。

泄洪洞方案：開挖工作量相對較少，所需技術性較強，但目前有一套較成熟的施工方法；泄洪洞出口段與導流洞出口段可結合在一起，結合段長度為68 m，這樣可減少工作量，縮短工期。

1.5 運行營理比較

兩方案進口都釆用弧形鋼閘門，卷揚式啟閉機啟閉，機械和電氣設施基本相同，運行時需要專人管理；溢洪道兩側邊坡高達20多米，不可能全部襯護，容易產生山泥傾瀉。泄洪洞全洞砼襯砌，不會有此現象；水位的調度能力不同，水庫在汛期水位有限制運用要求，泄洪洞起泄流量較大，對庫水位的調節能力較大。

1.6 工程投資比較

工程量包括土石方工程，混凝土工程，機電、金屬結構安裝工程。溢洪道方案主要工程量為：土石方148172 m3，其中漿砌石1172 m3、混凝土2338 m3，工程造價402.66萬元（按1995年價格算，下同）；泄洪洞工程需土石方10273 m3，其中漿砌石783 m3、混凝土2263 m3，工程造價245.68萬元。泄洪工程投資比較見表1。

綜合各種因素，及考慮工程造價，泄洪洞方案比溢洪道方案節約156.96萬元，故選用泄洪洞方案。

泄洪洞縱剖面（圖1）。

2 泄洪洞結構布置及泄流能力校核

2.1 結構布置

泄洪隧洞為“龍抬頭”式布置，進口段設置一段有壓短管，閘前有壓，閘后無壓的明流隧洞形式。進水口高程156 m，隧洞為城門形結構，洞寬為4.5 m，拱高1.6 m，中心角為141.70，半徑2.382 m，洞高根據水面線計算確定，水面水深加摻氣水深加安全超高得洞高，凈高從6.9 m至4.7 m，砼襯砌厚0.5 m。全洞長150 m，各連接段體形如以下所述。

（1）進口頂板橢圓曲線方程為：x2/62+ y2/22=1

進水口側曲線方程為：x2/3.32+y2/1.12 =1

（2）壓坡段長度取3.6 m，坡率1∶6.0；

（3）弧形閘門尺寸為4.5×4.7（寬×高），圓弧半徑為6.5 m，閘室尺寸為4.5×5.5 m。

（4）豎曲線段方程：x2=55.6y。

（5）斜直線段斜率1∶1.10，長度為20 m。

（6）反弧段即斜直線段與水平段連接處，反弧半徑R=30 m，大于5倍洞徑。

（7）水平段長度68 m，底板坡降i=0.0478。

（8）出口消能段，為降低單寬流量，減少對下游河床的沖刷，出洞后由寬4.5 m漸變至6 m，擴散角為3.86°，挑流消能挑射角15°。

2.2 泄洪洞泄量計算

泄洪洞進口高程的選擇，要從三個方面考慮：（1）洞內流態的穩定。（2）形地質條件。（3）與導流洞的連接。對進口高程為140 m、156 m、160 m時，進行計算及分析，確定進口高程為156較適宜。

當H>1.5a時為有壓流，a為洞高，H>1.5×4.5=6.75 m。

即水位大于156+6.75=162.75時屬有壓流態。

有壓流計算公式：Q=μBe√[2g（H-εe）]—見參考文獻[1]

式中：

H為由有壓短管出口的閘孔底板高程算起的上游庫水深，H=Z-165；

ε為有壓短管出口的工作閘門垂直收縮系數，壓坡率為1∶6.0，

取ε=0.918；

2.3 短管洞頂壓力驗算

進口段在泄流時，應形成正壓，避免負壓，分下列三種運行情況進行驗算。

（1）水庫控制運用時，限泄水位為166.27 m，限泄流量65 m3/s。

（2）設計洪水位運行時，設計洪水位170.33 m，相應泄量253 m3/s。

（3）校核洪水運行時，校核洪水位173.24 m，相應泄量286.7 m3/s。

進口段水頭損失主要是局部水頭損失，損失系數ξ=0.03，局部水頭損失hw=ξ.v2/2g。洞頂高程160.5 m，總水頭H1=H-160.5-hw。測壓管水頭Z1+P1/T=H1-V2/2g。計算結果見表3，在上述三種工況下，進口段均能形成正壓。

4 結語

方案的比較選擇，是為了更好地優化設計，節省投資。從地形地質條件、水力計算要求、運行管理、施工難易、與導流洞的銜接等進行比較，選擇了進口高程為156 m，進口段設置有壓短管的“龍抬頭”式無壓泄洪隧洞布置形式為最優方案。泄洪洞工程于1997年5月開工建設，工程進展順利。

參考文獻

[1]水力計算手冊，武漢水利電力學院水力學教研室編[M].水利電力出社出版.

[2]水工設計手冊，華東水利學院主編[M].水利電力出版社出版.

[3]潘家錚.水工隧洞和調壓室（水工隧洞部分）[M].水利電力出版社出版.

[4]水工隧洞設計規范[S].SD134-84.

[5]德慶水利志[J].德慶縣水利電力局編寫，1993，1.

[6]廣東省德慶縣防汛手冊[J].德慶縣水利電力局編寫，1994，12.