新疆托克遜烏斯通溝水庫泄洪構筑物設計分析

陳 巍

(新疆石河子水文勘測局，新疆 石河子 832000)

烏斯通溝水庫工程是一座具有綜合效益的水庫樞紐工程。但由于烏斯通溝河流域內缺少控制性水利工程，主要任務為灌溉和工業供水，遏制灌區地下水超采。烏斯通溝地表水利用程度不高，造成農業灌溉春旱、夏洪、秋缺水的現象較為嚴重。加之區域內工業園區的不斷發展，園區用水規模不斷擴大，該區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，滿足流域各業綜合用水要求。本文針對水庫的溢洪洞設計進行分析。

1 工程區概況

烏斯通溝水庫工程位于吐魯番市托克遜縣伊拉湖鄉西南側烏斯通溝，為年調節水庫，水庫總庫容1 440/1 130萬 m3，攔河壩壩高73.0 m，水庫下壩址多年平均流量為1.295 m3/s，多年平均徑流量為4 084萬 m3。水庫處于近于平行、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，均為北天山復雜構造帶內近期活動的發震斷裂。壩址區的地下水主要包括基巖裂隙水與第四系孔隙水，水文地質條件比較簡單。其壩區河水、地下水均呈弱堿性，化學類型屬HCO3-Ca·Mg(K+Na)類型。據《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)環境水腐蝕性評價的判別標準：河水、地下水對混凝土及鋼結構均無腐蝕性。

2 泄洪建筑物選型

考慮到本工程擋水建筑物為瀝青砼心墻砂礫石壩的特點，在右岸采用正堰明流溢洪洞和正堰溢洪道兩種形式進行比較。

2.1 溢洪道方案

溢洪道方案采用直線型布置在大壩右岸位置，為開敞式岸邊溢洪道，縱軸與壩軸線夾角呈105.25°，主要由四部分組成：進水渠、控制段、泄槽和消能防沖設施，全程總長327.94 m。

2.2 溢洪洞方案

溢洪洞與溢洪道相同，采用直線型布置于右岸的壩肩位置，縱軸與壩軸線夾角呈84.06°，主要由四部分組成：進水渠、控制段、溢洪洞和消能防沖設施。溢洪洞采用正堰閘門控制進水口、底流消能，全段總長393.37 m。

2.3 方案比選

(1)地形、地質條件比較：由于壩區地形條件特殊，溢洪道泄槽段在施工中需深切一突出的山嘴部位，導致其開挖邊坡高達78 m。開挖邊坡主要位于強風化巖體內，坡頂分布有卸荷松馳巖體，后側山坡陡立，且其邊巖體受到F30、F31、F34三條斷層組合形式的切割，使得當山體受到較大范圍內的爆破強擾動時，會產生一定的高邊坡穩定性風險。相較之下溢洪洞方案具有明顯優勢。

(2)施工比較：溢洪洞方案中的洞身主要位于右岸山體內部，且其軸線與垂直壩軸線較為接近，末端出口處靠近臨時道路。施工中的建筑材料和廢料亦都可以由隧洞進行運輸，因此對施工造成的干擾比較小，施工略優。溢洪道方案的進口控制段和泄槽段都坐落在山體的基巖上，其中只有消能段與臨時道路接近，且由于施工過程中的混凝土、鋼筋等建筑材料都需要通過壩后的公路進行運輸，會對于大壩的主體工程施工產生一定的施工干擾，施工略差。從地形地質、施工等綜合來看溢洪洞方案優于其他方案，本階段推薦采用溢洪洞方案。

3 溢洪洞結構計算

3.1 穩定計算

溢洪洞的穩定計算主要進行進口控制段穩定應力計算，計算包括抗滑、抗傾覆穩定計算及基礎應力計算。

3.1.1 計算工況

由于進口閘室下部嵌固于山巖中，會受到巖石的彈性抗力和變形約束，對閘室的穩定是有利影響，但難以精確計算，現不計圍巖的影響，偏于安全地按孤立于基巖上的塔對其進行計算。表1為荷載組合及計算工況。

表1 溢洪洞控制段荷載組成及工況組合表

3.1.2 計算公式

溢洪洞控制段坐落在強風化下部，采用抗剪斷強度公式計算，采用地質專業推薦的砼與巖石基礎的抗剪摩擦系數f′=0.52，c′=90 kPa，地基容許承載力[σ]= 600 kPa。抗剪斷計算公式如下：

(1)

式中：k′為按抗剪斷強度計算條件下的抗滑移穩定安全系數；∑W為施工過程中作用于壩體上的全部荷載在滑動平面上的法向分量數值(kN)；∑P為施工過程中作用于壩體上的全部荷載在滑動平面上的切向分量值(KN)；f′為壩基混凝土與巖石接觸面的抗剪斷摩擦系數；c′為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力(kPa)。

大壩壩基面的垂直正應力計算公式：

(2)

其中：σy上、σy下為大壩壩基面上游邊緣、下游邊緣的垂直正應力(kPa)；∑W為施工過程中于計算壩段上產生的全部荷載在壩基面截面上的所有法向分力的總和(kN)；∑M為施工過程中于計算壩段上產生的全部荷載在壩基面截面形心軸上的所有力矩的總和(kN·m)；A為工程計算壩段的壩基截面面積(m2)；J為工程計算壩段壩基截面面積對其形心軸的慣性矩(m2)；X為壩基面上、下邊緣到壩基形心軸的距離(m)。

3.1.3 穩定應力計算成果

溢洪洞穩定及應力計算成果列于表2中。溢洪洞進口控制段抗滑穩定、抗傾覆穩定及抗浮穩定均滿足規范要求，基礎最大應力小于地基承載力，最小應力滿足規范要求，因此，溢洪洞進口控制段是安全的。

表2 溢洪洞控制段穩定應力計算成果

3.2 襯砌計算

根據溢洪洞地質及流速情況，對該洞采用C30、C40鋼筋混凝土襯砌。施工開挖過程中根據圍巖穩定情況及時采取錨噴支護，進出口邊坡采用噴錨防護。隧洞進行襯砌結構計算，以確定襯砌應力及配筋。

3.2.1 荷載

施工開挖作用在隧洞上的荷載主要包括：(1) 襯砌自重；(2) 山巖壓力；(3) 彈性抗力；(4)內水壓力；(5)外水壓力；(6)地震力；(7)圍巖波速(強風化Vp=700～1 500 m/s，Vs=500～700 m/s，微風化Vp=2 500～3 200 m/s，Vs=900～1300 m/s，新鮮巖體Vp=3 500 m/s，Vs=1 500 m/s)。

3.2.2 荷載組合

表3 溢洪洞荷載組成及工況組合表

3.2.3 襯砌結構計算

無壓洞主要是利用外圍水壓力與山巖自體壓力對其洞身進行安全控制，常采取外水壓力較大而內水壓力較小的情況作為控制工況。在上述組合中，采用理正隧洞襯砌設計軟件分別選取基本組合中的正常洪水工況、特殊組合中的校核洪水及地震工況三種進行計算。

計算原理：各種荷載單獨作用下，求出襯砌中的彎矩和軸力，然后根據荷載組合進行疊加。計算方法為公式法，采用限裂設計。

雙層鋼筋砼襯砌對稱配筋時鋼筋面積按下式計算：

(3)

式中：f為襯砌鋼筋面積；Np為襯砌斷面上由均勻內水壓力及圍巖彈性抗力作用下所產生的軸向拉力；∑N為除均勻內水壓力外，其它荷載作用下，計算斷面的軸向力總和(以壓為正)；∑M為除均勻內水壓力外，其它荷載作用下，計算斷面的彎矩總和(以內緣受拉為正)；[σg]為鋼筋允許拉應力；a為混凝土保護層厚度。

3.2.4 計算結果

表4為本項目的計算內力及配筋結果(隧洞襯砌厚度1.0 m)。

表4 溢洪洞計算內力及配筋主要成果

4 結語

烏斯通水庫是控制性水利工程，通過上文分析，烏斯通溝水庫泄洪建筑物選用泄洪洞方案，可解決灌區灌溉供需矛盾突出問題的同時，承擔向核心工業園區供水調節的任務，社會效益顯著，工程的建設對促進地區經濟發展，提高居民生活水平具有積極的作用，在托克遜縣水利發展和經濟社會可持續發展中占有重要地位。烏斯通溝水庫建成后可向烏斯通灌區供水1 174萬 m3，向伊拉湖工業園及阿拉溝流域一般工業供水750萬 m3，對解決下游地區灌溉及工業供水緊張問題，緩解地下水超采局面具有重大意義。