水庫泄水建筑物結構型式的設計

羅　媛

(深圳市水務規劃設計院有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1　工程概況

某抽水蓄能電站是為電力系統提供調峰、填谷和緊急事故的備用，其內部構件有上水庫、輸水系統、發電廠房、下水庫等，屬于Ⅰ等大(1)型工程，設計發電量為20億kW·h，年抽水電量為26.8億kW·h，根據其運行特性，主要是在下水庫布設泄水建筑物，并置于右壩頭庫岸段，以滿足雙向擋水的需求。該電站的下水庫樞紐包括擋水、泄水及補水建筑物，還有進出水口、庫岸、庫盆等，其中：擋水建筑物屬于均質土壩，壩頂的寬度及高度分別為7 m、11.4 m、軸線全長為833 m。庫岸則是開挖形成的庫岸擋水，泄洪閘則是由固定式啟閉機啟閉控制的4 m×5.9 m工作閘門所構成。

2　結構型式的設計分析

2.1　設計思路

水庫的周邊要設置一定數量的截水溝和排洪渠，在下水庫區域內的來水主要是大氣降水，其集雨面積為0.71 km2，大體對應水庫正常蓄水位的水面面積。上、下水庫24 h的暴雨、洪量設計，見表1。

2.2　泄水建筑方案比對及確定

根據本工程的具體情況，可以對下水庫泄水建筑物的泄洪形式進行如下設計比選和分析[1]：

表1　上下水庫設計暴雨、設計洪量成果

(1)埋設外包混凝土鋼管泄洪。這是泄水建筑方案一，它是利用鋼管設置于擋水壩中部地勢較低的壩體底部區域，并放置在基巖槽內。取水口和出水口分別位于下水庫內和沙河水庫內，進出水口的中心線高程為14.9 m。泄洪管位于出水口處，并內設電動蝶閥，當下水庫的水位處于正常狀態時，可以開啟閥門讓其自動泄洪。通過計算分析，上水庫24 h的暴雨洪量總計為37.9萬m3，下水庫在24 h的暴雨洪量總計為59.2萬m3，以3 d的泄水實際時間為限，實際所需的泄水鋼管為直徑1.8 m的四根鋼管。

(2)埋設鋼筋混凝土管泄洪。這是泄水建筑方案二，它相較于之前的方案一來說，區別在于鋼管的材料不同，其他沒有明顯的差別。

(3)混凝土溢流堰泄洪。這是泄水建筑方案三。它是在擋水壩中部設置溢流壩段，并使之與土石壩相聯結。溢流堰設計為開敞式的WES型實用堰，其具體的規格為：高6.5 m，底寬為13.4 m，頂部高程為19 m。通過相關的計算和分析，可知溢流堰在泄水時間為6.6 h的條件下，其溢流孔凈寬為35 m時可以最大程度上滿足泄洪的要求。具體的布置型式為：五個溢流孔的單孔寬度分別為7 m，各孔之間及兩側可以設置閘墩，其厚度為2.5 m，并使重力擋土墻式邊墩與土石壩相聯。

(4)泄洪設施方案比對選擇。在對上述不同的泄洪方案的比對、計算和分析之下，獲悉其工程投資依次為2489.1萬元、2502.0萬元、2910.5萬元，由此可見，方案一：埋設外包混凝土鋼管泄洪是性價比最優的設計方案，通過計算和分析可知其布置相對簡單，管道具有良好的受力條件，投資成本最小，并且中間溢流壩段與兩端土壩的聯結處理效果良好，因而方案一是最佳的設計方案選擇。

3　方案的補充論證

3.1　泄水建筑物比選方案。

在初步計算和分析之下，埋設外包混凝土鋼管泄洪方案盡管有性價比最優的方案，但也存在一些缺陷和問題，具體表現在以下方面：

(1)下水庫大壩是采用雙向擋水的設計方式，為了滿足下水庫大壩的運行、檢修需求，要設置雙向擋水蝶閥和檢修蝶閥，基于一條泄洪管設置扇蝶閥的要求，下水庫大壩的四條泄洪管要設置12扇蝶閥，這就增大了設計的難度。此外，電機不能入水，這就使下水庫大壩的結構設置、配套設置都更為復雜，增大了工作和檢修的難度[2]。

(2)下水庫泄洪管處的雙向擋水蝶閥要投入較多的資金，而且國內可選擇的生產廠家極其稀少，通過價格詢問和調研，發現雙向硬密封的電動蝶閥通常為250萬元/臺，如果依照上面的設計，四條泄洪管要設置12臺蝶扇的情形則要投入3000萬元的資金，這就極大地增加了土建成本、機電裝置安裝成本等，產生了較大的經濟壓力[3]。

(3)外包鋼筋混凝土鋼管的施工敷設方式大多是位于土壩的底部區域，這就對鋼筋混凝土鋼管的排架基礎埋深施工提出了較高的要求，需要處理較大的基礎工程量，并有不同程度的外在干擾和影響，對于鋼管埋設造成了較大的難度[4]。

通過對上述埋設外包混凝土鋼管泄洪方案的問題和不足分析，要結合該電站的具體運行狀態和需求，進行補充方案的比選和分析。

3.2　泄洪閘的運行方式設計分析

該電站的每天泄洪時段為：電站發電時，下水庫水位抬高到正常蓄水位19 m時，打開控制閘門自流泄洪，待水位回落到正常蓄水位19 m時停止泄洪。在這個排洪時段內，主要是將上水庫和下水庫的入庫洪量排入沙河水庫，確保電站的正常工作和運行。

該電站的下水庫設計預留了上水庫檢修時的庫容，在下水庫正常運行的過程中，可以在不泄洪的前提下全裝入191.5萬m3水量；而沙河水文站可以滿足下水庫一年之內的洪水，其最大年降水量達到了1618.6 mm，可以確保水庫各建筑物的安全性和穩定性[5]。通過分析，該電站上水庫和下水庫都具有全裝設計暴雨洪量的能力，沙河流域與上、下水庫之間可以實現彼此之間的調劑，即：當沙河流域處于汛期時的洪水水位時，則可以將其存入到下水庫之內；而在上、下水庫出現洪水水位時，則可以將洪量排入到先行退去的沙河水庫之內。

根據對沙河水庫歷年的水位資料調查和分析，其多年的平均最高水位和最低水位分別為18.3 m、13.8 m；汛期的最高及最低水位分別為20.1 m、15.5 m。由此可知，該電站可以確保其下水庫的洪水適時排入到沙河水庫之中，使電站的工作水頭處于正常運行的狀態之下。

3.3　泄洪閘結構設計分析

(1)工程地質條件分析。從該電站的下水庫的工程地質條件來看，其地形處于相對平緩的狀態，基巖部分主要為晶屑凝灰巖、安山斑巖，這些巖石發育存在裂縫，不具有良好的完整性。該水庫泄水建筑物的場址處于地震基本烈度為7°的區域，因而要設計乙類的水工建筑物，以較好地達到抗震效果[6]。

(2)泄洪閘布置。要充分考慮水庫泄水建筑物所處的地形、地質條件，要采用盡量少挖少填的設計方式，并使之滿足泄洪的基本要求。泄洪閘的設計部位為大壩的右壩頭庫岸段，包括進口引水渠、控制段、泄槽段、啟閉機房等。該泄洪閘的結構底部高程為17 m，控制段閘室要設置檢修門和工作門，泄槽為開挖形成的梯形斷面，并以襯砌混凝土或草皮進行護坡，并具體根據泄槽高程的不同進行適宜的護坡設計。最后還要開挖明渠，使之與沙河水庫相連。

(3)泄洪閘泄洪能力復核。重點分析下水庫與沙河水庫不同水位的泄流能力的對應性，在不同的水位之下其泄洪能力具體表現為：下水庫水位比沙河水庫的水位大時，其泄洪能力隨著水位的上升而遞增，而泄洪時間則逐漸縮短。當下水庫水位在19 m開始泄洪，沙河水庫的水位要比下水庫水位低0.5 m時，其泄洪閘的結構尺寸能夠較好地滿足下水庫的排洪需求。

(4)泄洪閘穩定應力復核。這是通過荷載組合進行計算的方式進行復核，結合下水庫的具體情況進行分析，最終獲悉：該電站的泄洪閘可以較好地滿足各種工況條件下的排洪應用，具有較強的抗滑穩定性和基底應力，安全性和穩定性良好。

4　結　語

通過對不同方案的適當比選、設定、計算和分析等方式，較好地進行優化選擇，兼顧水庫各建筑物的施工進度、投資等方面的要求，使水庫相關建筑物在結構型式、技術、經濟、施工，以及維護等方面滿足相關的建筑要求，并重點考慮水庫下閘的優化程序，縮短下閘的時間，并擬定相應的方案應急計劃和措施，以確保水庫度汛安全。