新疆托克遜烏斯通溝水庫溢洪洞設(shè)計(jì)分析

周 蕾

(吐魯番市水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆吐魯番838000)

0 前言

烏斯通溝水庫工程位于吐魯番市托克遜縣伊拉湖鄉(xiāng)西南側(cè)烏斯通溝，距縣城65 km，距伊拉湖鄉(xiāng)47 km，為年調(diào)節(jié)水庫，主要任務(wù)為灌溉和工業(yè)供水，遏制灌區(qū)地下水超采，是一座具有綜合效益的水庫樞紐工程，建筑物由瀝青砼心墻砂礫石壩、左岸灌溉放水洞、右岸溢洪洞、導(dǎo)流沖沙兼放空洞組成。水庫總庫容1440萬m3，攔河壩壩高73.0 m。水庫樞紐工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型水庫，對(duì)流域乃至托克遜縣發(fā)揮重大作用。但由于烏斯通溝河流域內(nèi)缺少控制性水利工程，烏斯通溝地表水利用程度不高，造成農(nóng)業(yè)灌溉春旱、夏洪、秋缺水的現(xiàn)象較為嚴(yán)重。加之區(qū)域內(nèi)工業(yè)園區(qū)的不斷發(fā)展，園區(qū)用水規(guī)模不斷擴(kuò)大，該區(qū)域水資源供需矛盾日益突出。因此在烏斯通溝河興建攔河控制性水庫樞紐工程，以緩解流域的水資源供需矛盾，提高地表水利用率，滿足流域各業(yè)綜合用水要求。本文針對(duì)水庫的溢洪洞設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1 設(shè)計(jì)資料

(1)水文資料

烏斯通溝水庫下壩址多年平均流量為1.295 m3/s，多年平均徑流量為4084萬m3。

多年平均懸移質(zhì)輸沙量為6.68×104t。多年平均推移質(zhì)輸沙量為1.67×104t。多年平均輸沙量分別為8.35×104t。淤沙容重18 kN/m3，淤沙高程872.50 m。

(2)地質(zhì)資料

工程區(qū)處于近于平行、相距僅約12 km的夏爾嘎天山主干深大斷裂(FⅠ)與936高地南東逆斷裂(FⅡ)之間，均為北天山復(fù)雜構(gòu)造帶內(nèi)近期活動(dòng)的發(fā)震斷裂，本區(qū)為區(qū)域構(gòu)造不穩(wěn)定地塊。

(3)水文地質(zhì)基本資料

壩址區(qū)水文地質(zhì)條件較簡單，地下水類型為基巖裂隙水和第四系孔隙水，壩區(qū)河水、地下水化學(xué)類型均為HCO3—Ca·Mg(K+Na)型，屬弱堿性水。據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)環(huán)境水腐蝕性評(píng)價(jià)的判別標(biāo)準(zhǔn)：河水、地下水對(duì)混凝土及鋼結(jié)構(gòu)均無腐蝕性。

2 溢洪洞進(jìn)出口設(shè)計(jì)

2.1 溢洪洞進(jìn)口方式選擇

由于工程右岸地形陡峭，如采用正堰無閘門控制，堰寬達(dá)到25 m，開挖邊坡達(dá)到80 m，且需大量支護(hù)處理，存在高邊坡問題，采用正堰閘門控制則有效的減少開挖，開挖邊坡高度、支護(hù)工程量也小許多，但進(jìn)水口前需疏挖，工程量較大，采用側(cè)堰雖可避免疏挖，相對(duì)開挖也較少，開挖邊坡高度、噴錨工程量也小許多，但水流條件不好，水流難以精確計(jì)算，因此采用右岸側(cè)堰無閘控制明流溢洪洞和右岸正堰閘門控制明流溢洪洞兩種形式進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

2.2 溢洪洞孔口尺寸選擇

(1)正堰泄洪孔口尺寸選擇

溢洪洞進(jìn)口采用正堰式駝峰堰[1]，弧形閘門控制，堰頂高程取898.0 m，擬定凈寬11.0 m×7.0 m(寬×高)、12.0 m×7.0 m(寬×高)、13.0 m×7.0 m(寬×高)三個(gè)孔口方案進(jìn)行比選。

1)泄流能力計(jì)算

堰型為開敞式駝峰實(shí)用堰，按《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》公式進(jìn)行泄流能力計(jì)算[2]：

式中：Q為下泄流量，m3/s；B為總凈寬，m；H0為計(jì)入流速水頭的堰上總水頭，m；c為上游堰坡影響系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)；m為實(shí)用堰流量系數(shù)；ε為閘墩側(cè)收縮系數(shù)。按實(shí)用堰的閘墩側(cè)收縮系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算；n為閘孔數(shù)目；ζ0為中墩形狀系數(shù)；ζk為邊墩形狀系數(shù)。

對(duì)三個(gè)孔口正堰方案進(jìn)行各頻率洪水下的泄流能力計(jì)算，成果見表1。

表1 各孔口尺寸方案泄流能力計(jì)算成果表

2)孔口方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)壩頂高程計(jì)算成果，壩頂高程控制工況為設(shè)計(jì)洪水工況，考慮調(diào)洪演算及壩頂高程取整，在不同孔口尺寸11.0 m×7.0 m、12.0 m×7.0 m、13.0 m×7.0 m三方案間的壩頂高程依次相差0.8 m、-0.50 m，堰寬改變相應(yīng)影響壩體工程量和溢洪道工程量。綜合以上考慮，對(duì)以上三個(gè)堰寬方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，見表2。

表2 各孔口方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表

從表2可知，三個(gè)不同寬孔口方案中，11.0 m×7.0 m方案和13.0 m×7.0 m方案較12.0 m×7.0 m方案投資分別增加161.9萬元和233.5萬元，12.0 m×7.0 m方案投資最省，因此本階段選擇12.0 m×7.0 m方案為正堰閘門比較方案。

(2)側(cè)堰泄洪孔口尺寸選擇

溢洪洞進(jìn)口采用側(cè)堰式駝峰堰，無閘門控制，堰頂高程與正常蓄水位相同，取905.0 m，擬定凈寬25 m、30 m和35 m三個(gè)堰頂寬度方案進(jìn)行比選。

1)泄流能力計(jì)算

對(duì)三個(gè)側(cè)堰寬方案進(jìn)行各頻率洪水下的泄流能力計(jì)算成

果見表3(計(jì)算公式同上)。

表3 各孔口尺寸方案泄流能力計(jì)算成果表

2)孔口方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)壩頂高程計(jì)算成果，壩頂高程控制工況為設(shè)計(jì)洪水工況，考慮調(diào)洪演算及壩頂高程取整，25 m、30 m和35 m堰寬方案間的壩頂高程依次相差0.60 m和0.45 m，堰寬改變相應(yīng)影響壩體工程量和溢洪洞控制段工程量。綜合以上考慮，對(duì)三個(gè)堰寬方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，見表4。

表4 各孔口方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表

從表4可知，三個(gè)堰寬方案中，25 m方案和35 m方案較30 m方案投資分別增加222.2萬元和243.3萬元，30 m寬度方案投資最省，因此本階段選擇凈寬30 m側(cè)堰方案為側(cè)堰比較方案。

(3)溢洪洞進(jìn)水口正、側(cè)堰方案比選

側(cè)堰無閘控制明流溢洪洞方案(30 m)與正堰閘門控制溢洪洞方案(12.0 m×7.0 m)，兩個(gè)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見表5。

側(cè)堰無閘控制明流溢洪洞方案比正堰閘門控制明流溢洪洞方案多1024.56萬元，且正堰閘門控制明流溢洪洞方案進(jìn)水條件優(yōu)于側(cè)堰無閘控制明流溢洪洞，故本階段推薦采用正堰閘門控制明流溢洪洞方案。

2.3 溢洪洞出口設(shè)計(jì)

出口平洞段有約80 m長洞段的圍巖主要處于崩坡積碎塊石夾碎石土內(nèi)，其邊坡穩(wěn)定性差，可采取提前進(jìn)施工方案處理溢洪洞出口[3]。

2.4 溢洪洞結(jié)構(gòu)布置

烏斯通溝水庫泄水建筑物采用明流溢洪洞，溢洪洞位于右岸壩肩位置，與壩軸線夾角84.06°，采用正堰閘門控制進(jìn)水口。采用底流消能。溢洪洞按50a一遇設(shè)計(jì)，1000a一遇校核。水庫正常蓄水位為905.0 m。

洞身設(shè)計(jì)為城門洞形，門洞底寬為7.0 m，直墻高由11 m漸變?yōu)?.0 m，拱內(nèi)半徑為3.5 m；洞身段長293.37 m，按縱坡不同隧洞分為兩段，在樁號(hào)X0+000～X0+051.22洞縱坡為1∶1，在樁號(hào)Y0+074.95至Y0+293.37洞縱坡為1∶34.3，兩段之間以半徑為35 m的圓弧相接；隧洞采用全斷面襯砌，襯砌厚度為1 m。

溢洪洞內(nèi)最大流速為38.1 m3/s，抗沖耐磨要求較高，參照國內(nèi)外近年來已設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行的同類工程所總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本工程特點(diǎn)，隧洞底板和側(cè)墻采用C40，頂拱采用C25砼襯砌。

隧洞每6 m～10 m設(shè)置伸縮縫，伸縮縫寬為2 cm，并用高壓聚乙烯泡沫板進(jìn)行填縫處理，伸縮縫采用兩道紫銅止水。全洞進(jìn)行固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿孔孔距3 m，成梅花布置，深入巖體4 m。拱頂120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿，排距3 m，成梅花布置，深入巖體10 cm。由于隧洞是無壓洞，在洞頂范圍設(shè)置排水孔，孔距3 m。

3 結(jié)語

烏斯通水庫是控制性水利工程，可解決灌區(qū)灌溉供需矛盾突出問題的同時(shí)，承擔(dān)向核心工業(yè)園區(qū)供水調(diào)節(jié)的任務(wù)，社會(huì)效益顯著，工程的建設(shè)對(duì)促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高居民生活水平具有積極的作用，在托克遜縣水利發(fā)展和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中占有重要地位。烏斯通溝水庫建成后可向?yàn)跛雇ü鄥^(qū)供水1174萬m3，向伊拉湖工業(yè)園及阿拉溝流域一般工業(yè)供水750萬m3，對(duì)解決下游地區(qū)灌溉及工業(yè)供水緊張問題、緩解地下水超采局面具有重大意義。