基于錦凌水庫泄水建筑物的方案比選研究

(錦州市義縣水利局， 遼寧 錦州 121100)

基于錦凌水庫泄水建筑物的方案比選研究

王福振

(錦州市義縣水利局， 遼寧 錦州 121100)

錦凌水庫位于小凌河要道，該水庫工程除保證水位在安全水位線以下和提供市民用水外，還需保持并優(yōu)化水庫地下水條件。該樞紐泄水建筑物有溢流壩段和底孔壩段，建筑物級別為2級。水庫泄水建筑物的型式對下游消能沖刷、建筑物安全及工程投資影響甚大，應盡量發(fā)揮混凝土壩的特點，把泄水建筑物布置在壩體上。因此，為了選擇泄水建筑物型式，結(jié)合地形、水文與地質(zhì)條件，滿足各建筑物安全運行要求，對水庫泄水建筑物進行方案比選，最終確定方案為堰頂高程為51.30m、泄流堰寬為150.0m。

錦凌水庫；工程建筑物選擇；泄水建筑物；對比

1 基本概況

錦凌水庫位于小凌河要道，該水庫工程除保證水位在安全水位線以下和提供市民用水外，還需保持并優(yōu)化水庫地下水條件。錦州市處于水庫下游方向9.5km處[1]，水庫容水量8.08億m3，攔河壩頂最高為48.29m，依照《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL 252—2000)中相干準則，確定該項水利工程為Ⅱ等，大(2)型工程。具體設(shè)計規(guī)定：永不撤除類關(guān)鍵構(gòu)筑物(擋水壩段、流溢壩段、泄洪洞孔壩段、引水壩段和連接段)為2級；普通構(gòu)筑物(如下游右岸防沖導墻)為3級；而可撤除類構(gòu)筑物為4級。目前，錦州城市和沈山鐵路的防洪標準分別為30～50年一遇和50年一遇，錦凌水庫竣工后兩者的抗洪標準分別可提高到50～100年一遇和100年一遇，為了確保錦州市經(jīng)濟發(fā)展、社會穩(wěn)定，錦凌水庫將于2020年開始每年為市民供給城市用水0.8932億m3。該樞紐泄水建筑物有溢流壩段和底孔壩段，建筑物級別為2級，采用防洪設(shè)計標準與擋水建筑物相同，大壩在正常運用時，洪水重現(xiàn)期為500年，相應庫水位為61.32m，對應下泄流量為11444.0m3/s；非正常運用時，洪水重現(xiàn)期為5000年，相應庫水位為63.56m，對應下泄流量15271.0m3/s。

2 泄水建筑物方案比選

2.1 泄水建筑物型式確定

樞紐大壩是一種混合壩，主要采用土壩為基本壩型，壩址處河床斷面呈“U”形，正常蓄水位時河谷寬度約1070.0m，工程總體布置采用兩岸土石壩段與主河槽混凝土重力壩段并列。由于大壩的主體建筑物規(guī)模較為龐大，主河槽斷面較窄，下游河槽基本順直，且工程地質(zhì)受構(gòu)造影響，覆蓋層較厚，基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，因此，泄水建筑物的型式對下游消能沖刷、建筑物安全及工程投資影響甚大，應盡量發(fā)揮混凝土壩的特點，把泄水建筑物布置在壩體上[2]。

從以上幾點出發(fā)，為了選擇出泄水建筑物型式，結(jié)合該處的地形、水文與地質(zhì)條件，并且要滿足各建筑物安全運行要求，對下面三個方案進行研究分析：方案1，壩身泄洪——壩體設(shè)表孔、底孔泄洪；方案2，壩端泄洪——壩端溢洪道、泄洪采用泄洪洞；方案3，岸邊泄洪——岸邊溢洪道(不具備條件，開挖量較大)、泄洪采用泄洪洞。

經(jīng)技術(shù)和經(jīng)濟比較，在混凝土壩壩體上設(shè)置泄流表孔和底孔，具有布置協(xié)調(diào)、水流順暢、消能防沖設(shè)施簡單等特點，且投資較低、管理方便，故采用方案1，即壩身泄洪。

各泄水建筑物型式的主要工程量及投資對比見表1。

2.2 消能型式選擇

工程泄水結(jié)構(gòu)為壩身泄洪，可以采用底流或挑流消能兩種不同方式，主要考慮下游天然河道水深變幅小。因此選擇兩種方案作比較，挑選出最有效的消能型式。

表1 各方案主要工程量及投資對比

方案1：底流消能；方案2：挑流消能。

深入研究工程地質(zhì)條件，并與河道地形相結(jié)合，下列因素會對消能型式選擇產(chǎn)生影響：?基巖抗沖能力不高；?下游水深變幅小，水位較淺，洪水峰高量大；?河床有較厚的第四系覆松散砂礫石覆蓋層；?單寬泄洪功率和流量較大。

a. 挑流消能方案。該方案采用反弧半徑R為25.0m、挑射角θ為5.0°形式的連續(xù)鼻坎挑流消能。壩體剖面底長43.91m，現(xiàn)采用高程37.50m的挑流鼻坎，經(jīng)實地考察研究，該套方案會產(chǎn)生深度為9.73m的沖坑，其中還包括連接段前趾，建基面以下，沖刷深度3.46m，產(chǎn)生距離為75.21m的水舌挑射。

b. 底流消能方案。采用USBRⅡ型消力池，其中消力池尺寸為7.45m×72.5m(池深×池長)，平均厚度2.6m的底板。壩體剖面底長48.4m，在消力池下游鋪設(shè)長為84.0m干砌石海漫。

c. 方案優(yōu)化比較。

? 挑流消能。方便維修、投資少、結(jié)構(gòu)簡單是挑流消能的最大優(yōu)點；通過歷史統(tǒng)計、分析，發(fā)生500年一遇洪水時，洪水沖擊會在河底形成沖坑，深度可達7.03m，距壩趾為21.2m，當發(fā)生5000年一遇洪水時，洪水沖擊會在河底形成深度達9.73m、距壩趾為10.3m的沖坑。形成坡比為1∶4的沖坑上游坡，該沖坑會產(chǎn)生影響，但不會影響到河道其他地方，下游連接段和大壩能繼續(xù)保持其原有的穩(wěn)定。在水庫附近引起霧化，不會影響水庫附近的道路以及兩岸邊坡。

由于下游存在較厚覆蓋層，致使工程下游段水位較淺，并且該工程底部的基巖抗沖能力并不顯著。水庫泄洪時會對河床產(chǎn)生影響，需要清淤，確保安全。

? 底流消能方案。對地質(zhì)條件要求較低是該方案最大優(yōu)點，表現(xiàn)在對尾水變幅有較好的適應性，下游河道會因水流的原因而產(chǎn)生微小沖刷，產(chǎn)生微小霧化現(xiàn)象。

但綜合上述兩個方案，由于采用單寬泄洪方式，其泄洪流量及功率都大，因此，需要提高消力池的抗沖耐磨強度，以抵消泄洪沖擊，所以工程量相對較大。

不同方案投資比較及工程量見表2。

表2 溢流壩消能方案及投資比較

? 結(jié)論。綜上所述，挑流消能方案要少投資接近5400萬元人民幣；在優(yōu)化時，發(fā)現(xiàn)泄洪對大壩影響不大，最終選定為挑流消能型式。

安全性和協(xié)調(diào)性作為考慮選擇底孔壩段消能型式的要素。按照設(shè)計使用要求，底孔泄洪頻繁使用，水庫下游水位較低，溢洪道運行要晚于底孔泄洪。經(jīng)過以上各種水庫運行條件對比分析，不建議該水庫選擇底流消能型式。因為該方案投資成本較大，不能保證水庫壩體的穩(wěn)定性，最終選定挑流消能型式[3]。

2.3 孔口尺寸確定

a. 底孔。錦凌水庫采用蓄洪運用方式，為便于水庫拉沙，保證引水壩段取水質(zhì)量，同時避免小頻率洪水溢流壩表孔閘門的頻繁啟動，要求底孔在汛限水位(59.60m)時，盡量利用棄水以利排沙，保證庫水位不超高，最大泄洪量為1589m3/s。

在溢流壩段右側(cè)且與引水壩段相鄰設(shè)置兩個底孔壩段，布置4個底孔，孔口尺寸為4.0m×6.0m。經(jīng)水庫泥沙分析，上游淤沙高程為32.10m(P=2%)，按水庫拉沙、放空及保證在死水位情況下底孔為有壓出流，確定底孔進口底板高程為31.00m。

b. 溢流表孔。

? 溢流壩表孔運用要求。當水庫庫水位達到59.60～59.84m時，要求溢流壩表孔控泄流量小于6922m3/s；當水庫庫水位達到59.84～60.52m時，要求溢流壩表孔控泄流量小于7570 m3/s；當水庫庫水位超過60.52m時(100年一遇標準以上)，要求溢流壩表孔全部敞泄，最大泄流量13574m3/s。

? 比較方案的確定。經(jīng)對工程不同正常高水位的洪水調(diào)節(jié)分析，以正常蓄水位60.00m進行不同堰頂高程泄流寬度的方案比較，經(jīng)初步分析單寬泄量對下游沖刷及對樞紐總布置的影響，可研階段選擇堰頂高程為51.00m、52.00m、53.00m，組合泄流凈寬為135.0m、150.0m、180.0m、195.0m共11組方案進行比較。

通過對各方案單寬泄量、壩頂高程、建筑物工程量、主體工程投資的對比分析，堰頂高程為52.00m、泄流凈寬為165.0m方案的突出優(yōu)點是單寬泄量最小，沖坑最淺，下游沖刷影響及工程投資等綜合特性相對其他方案較優(yōu)，因此，推薦此方案。

根據(jù)水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院對工程可研報告的批復意見：“初設(shè)階段應結(jié)合泄水建筑物位置調(diào)整和相應的整體水工模型試驗進一步優(yōu)化工程總體布置”，該設(shè)計階段對泄水建筑物斷面型式、消能型式、消能防沖、流態(tài)觀測進行多方案整體水工模型試驗，研究各種水力現(xiàn)象及泄流設(shè)施泄洪對樞紐布置的影響，并對設(shè)計選定壩址進行工程地質(zhì)詳勘[4]。

研究發(fā)現(xiàn)，該水庫不僅有較厚的河床覆蓋層，而且壩基建基面為弱風化熔巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，強度低，為較軟巖～中硬巖；通過消能、防沖計算分析和模型驗證，可研階段樞紐布置由于溢流壩段左側(cè)與連接段直接相鄰、底孔壩段出流受下游河床地勢影響，泄洪時，會沖刷河道兩側(cè)，產(chǎn)生嚴重影響[5]。

為此該設(shè)計階段對泄水建筑物的布置進行重新調(diào)整，將泄水建筑整體向河道左側(cè)平移60.0m，并在溢流壩段左側(cè)與連接段之間增設(shè)一個擋水壩段，在右岸引水壩段與連接段之間增設(shè)兩個擋水壩段。

結(jié)合上述樞紐布置調(diào)整，該階段比較方案的確定是在可研泄流規(guī)模比較的基礎(chǔ)上，選擇前四組最優(yōu)方案并結(jié)合該次設(shè)計優(yōu)化方案，共為五個方案作為比選方案進行對比分析，最終確定該次設(shè)計階段的溢洪道孔口尺寸[6]。

比較方案如下：方案Ⅰ，堰頂高程51.00m，單孔凈寬15.0m，10個表孔；方案Ⅱ，堰頂高程51.00m，單孔凈寬15.0m，11個表孔；方案Ⅲ，堰頂高程52.00m，單孔凈寬15.0m，10個表孔；方案Ⅳ，堰頂高程52.00m，單孔凈寬15.0m，11個表孔；方案Ⅴ，堰頂高程51.30m，單孔凈寬15.0m，10個表孔。

各比較方案綜合特性對比分析結(jié)果見表3。

表3 溢流壩各比較方案特性

從溢流壩堰頂高程來看：對于不同堰頂高程方案，堰頂高程越高，相同堰凈寬的壩頂高程越高，主體工程投資就越大，如方案Ⅲ、方案Ⅳ；對于相同堰頂高程方案，堰凈寬越長，壩頂高程越低，但主體工程投資較高，如方案Ⅱ、方案Ⅳ。因此，從溢流壩堰頂高程對比，方案Ⅰ即堰頂高程51.00m，堰凈寬150.0m最優(yōu)。

從單寬泄量來看：堰頂高程越高、堰凈寬越長，泄流沖坑越淺，對下游沖刷及建筑物安全越有利，但是主體工程投資則較高，如:方案Ⅱ、方案Ⅳ。

因此，從溢流壩單寬泄量對比，方案Ⅱ即堰頂高程52.00m，堰凈寬165.0m最優(yōu)，但投資比方案Ⅰ多159.6萬元。

通過上述對比分析，前四個方案中，方案Ⅰ壩頂高程較低，投資最省，但是單寬流量相對較高，在此基礎(chǔ)上進行進一步優(yōu)化(降低閘門高度、降低單寬泄量，單寬流量控制在90m3/s)，經(jīng)比較，最終確定方案Ⅴ即堰頂高程為51.30m、泄流堰寬為150.0m，為該階段設(shè)計采用方案。

3 結(jié) 語

通過研究錦凌水庫壩體泄水建筑物穩(wěn)定性分析和應力計算，比選泄水建筑物研究方案，研究溢流壩段布置方案，確定建筑物型式和消能型式；從溢流壩堰頂高程和單寬泄量兩方面，確定泄洪壩的設(shè)計施工方案。為錦凌水庫工程泄水建筑物建設(shè)提供了詳實數(shù)據(jù)依據(jù)，為工程建設(shè)奠定了堅實的基礎(chǔ)保障。

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ComparativestudyofdrainagebuildingplansbasedonJinlingReservoir

WANG Fuzhen

(JinzhouYixianCountyWaterConservancyBureau,Jinzhou121100,China)

Jinling Reservoir is located at main trunk of Xiaoling River. The reservoir project not only should guarantee the water level is lower than the safe line and provide citizen water supply, but also should maintain and optimize the groundwater condition of the reservoir. The junction drainage building is composed of an overflow dam section and a bottom hole section. They belong to building level 2. The type of reservoir drainage buildings has a great influence on the downstream energy dissipation erosion, the safety of buildings and the investment of engineering. The characteristics of concrete dam should be played maximally. The drainage buildings are arranged on the dam body. Therefore, the terrain, hydrological and geological conditions. The safe operation requirements of all buildings should be met. Reservoir drainage building plans are selected. In the final determination plan, the weir crest elevation is 51.30 m, and the discharge weir width is 150.0m.

Jinling Reservoir; selection of engineering buildings; drainage buildings; comparison

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.010.012

TV652.1

B

1005-4774(2017)010-0048-04