洪水河水庫泄洪建筑物布置及結構設計淺析

許 濤，侯爰冰

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730030)

1 工程概況

洪水河水庫位于酒泉市肅州區(qū)討賴河子水系洪水河上，工程區(qū)涉及祁連山國家級自然保護區(qū)的實驗區(qū)。工程屬Ⅲ等、中型工程，水庫總庫容4910萬m3，興利庫容3510萬m3，調洪庫容115萬m3，死庫容1285萬m3。主要擋水建筑物為碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩，最大壩高80.4 m。泄水建筑物有溢洪道、泄洪排沙兼導流洞。大壩、泄洪排沙兼導流洞、溢洪道等主要建筑物按50 a一遇洪水設計，洪峰流量Q2%=534 m3/s，1000 a一遇洪水校核，洪峰流量Q0.1%=957 m3/s；施工期臨時度汛洪水標準按50 a一遇洪水設計，洪峰流量Q2%=534 m3/s。大壩平面布置圖見圖1。

圖1 洪水河水庫大壩平面布置圖

2 泄洪建筑物布置

水庫壩址右岸涉及祁連山國家級自然保護區(qū)實驗區(qū)及國家天然林保護區(qū)[1]，同時，壩址區(qū)為開闊的不對稱“U”形帶狀峽谷，右岸順直，左岸稍彎曲。右岸不具備布置泄洪建筑物條件?？紤]地形、交通條件，擬定溢洪道及泄洪排沙兼導流洞均布置在左岸。

2.1 溢洪道布置

對溢洪道方案[2]及溢洪洞方案[3]對比見表1。

表1 溢洪道及溢洪洞方案對比分析

綜上分析，推薦采用岸坡式溢洪道方案進行布置。溢洪道布置在壩址左岸，緊鄰左壩肩布置，由引渠段、控制(閘)段、泄槽段和出口挑流消能段等組成，引渠段設彎道，繞過左壩肩將水流輸送至下游河道，溢洪道軸線與河道夾角約30°，出口位于山洪溝道溝口。

2.2 泄洪排沙兼導流洞布置

泄洪排沙兼導流洞除用于泄洪、排沙及放空水庫外，還兼有施工導流度汛作用，其洞進口和洞軸線高程較低，兩岸都可布置于基巖中。右岸陡峻，階地高出河床約110 m，河岸較順直，洞進口布置較困難；左岸河岸稍彎曲，布置進口建筑物相對較易，進水條件好。因此，選擇將泄洪排沙兼導流洞布置在左岸。

3 泄水建筑物體型設計

3.1 溢洪道

溢洪道布置于左岸，采用表孔開敞式溢洪道，由引渠段、控制(閘)段、泄槽段和出口挑流消能段等組成，全長544.43 m，最大泄量523.54 m3/s。

3.1.1 溢洪道結構設計重點

(1)左岸無天然埡口，岸線與壩軸線基本垂直，溢洪道繞壩肩布置困難。

(2)溢洪道開挖深度大，局部開挖深度達到41 m，開挖形成土巖結合高邊坡，其穩(wěn)定性及加固處理措施是重點。

(3)進水渠和泄槽擋墻較高，合理選擇擋墻結構形式對結構受力及工程經濟安全至關重要。

(4)控制段后段位于坡洪積、洪積砂卵礫石土中，地基結構松散，持力效果差，抗滑和抗沖刷性能低。做好控制段截滲和提高閘基承載力、泄槽段抗滑能力是關鍵。

(5)挑流消力池及護坦段齒槽低于河道水位，開挖過程中會形成河水倒灌；溢洪道出口距大壩下游壩腳較近，容易造成壩腳和泄洪建筑物出口淘、沖刷破壞。

(6)壩線下游約300 m處左側有一洪水溝道，溝口位于下游壩腳，與溢洪道出口臨近，會對壩體安全造成危害。

3.1.2 設計處理方案

(1)進口引渠段采用“直線段+弧段”設計，其中直線段長109.54 m，弧段長度89.98 m，半徑為50 m，圓心角為103°。

(2)進口引渠左側墻墻高14 m，采用現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土貼坡式擋墻，擋墻背部設Φ25錨桿錨固，錨桿長3.0 m，間距2.0 m。

控制段閘室后至下游150 m泄槽段側墻高18.3 m～4.5 m，采用現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土衡重式擋墻，擋墻背部及底板設Φ25錨桿錨固，錨桿長3.0 m，間距2.0 m。

采用貼坡式擋墻和“重力式擋墻+錨桿加固”結構形式，有效解決高擋墻受力變形及穩(wěn)定問題，且擋墻體型設計不至于太大，從而節(jié)省工程投資。

(3)巖石邊坡采用“現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土網格梁+C20混凝土預制塊+錨桿(長4.0 m，間距2.0 m)”防護，砂礫石邊坡采用“現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土網格梁+C20混凝土預制塊”防護，同時結合排水措施，有效提高開挖形成的高邊坡穩(wěn)定性。

(4)針對控制段閘基存在的滲透及承載力問題，設計采用刺墻、截滲墻和固結灌漿技術。

在閘墩兩側設刺墻和截滲墻，并沿大壩瀝青心墻中心線在閘基和刺墻下設帷幕灌漿。刺墻設置在閘右側，與控制閘整體設計，底部與心墻基座連接，端部與瀝青心墻相接。刺墻厚3 m，高度11.9 m；截滲墻布置在控制閘左側，采用現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土澆筑，墻頂厚1.0 m，墻底厚3 m，高度11.9 m；截滲墻和刺墻中心線為瀝青心墻中心線。

在閘基基礎范圍內進行固結灌漿，間、排距3 m，梅花形布置，深度5 m。

針對泄槽基礎抗滑能力差問題，設計將泄槽每15 m分縫，底板采用相互搭接嵌套方式連接，搭接齒厚1.0 m。

(5)工程建設期在大壩下游設施工擋水圍堰，后期作為永久工程保留，通過永臨結合圍堰及防護工程，有效解決施工期河水倒灌及運行期泄洪水流對壩腳沖刷破壞。

(6)對現(xiàn)狀洪水溝道采取改道防護，將洪水引入河道。即在洪水溝道出口設置擋墻攔截洪水，利用河床左側階地人工開挖護砌行洪溝道和排洪涵洞，將洪水引入壩腳和泄洪洞出口間的河道內。溝道出口擋墻后利用開挖料夯填，以保證擋墻和壩腳安全。

3.2 泄洪排沙兼導流洞

設計洪水位時，泄洪洞下泄流量為472 m3/s；校核洪水位時，泄洪洞下泄流量為474.8 m3/s。泄洪排沙洞為有壓洞，根據前期運行有暢泄拉沙需要，且考慮設計水平年泥沙淤積影響，泄洪排沙洞進口布置有低位和高位兩個進水口。低位進水口布置在壩軸線上游約126 m處，進口底板高程1910.00 m，主要保證施工期及運行前期東、西干渠輸水洞輸水；高位進水口布置在壩軸線上游約281 m處，進口底板高程1919.00 m，高于設計水平年水庫死水位(1918.00 m)1.0 m，保證水庫正常運行期和運行后期東、西干渠輸水洞輸水。

3.2.1 泄洪排沙兼導流洞結構設計重點

(1)隧洞圍巖地質條件差。毛洞開挖后難于自穩(wěn)，邊墻、拱頂極易坍塌變形。隧洞圍巖主要以新近系上新統(tǒng)砂質泥巖、礫巖，局部夾砂巖為主，砂質泥巖與礫巖呈互層狀，砂巖或含礫砂巖與二者呈夾層狀分布。巖體結構不均一，砂質泥巖、礫巖膠結較好，局部砂巖或含礫巖夾層膠結差。洞身巖體發(fā)育層面裂隙，結構面產狀傾向上游，巖性軟弱，透水性差，屬較軟巖體。圍巖自穩(wěn)時間短，拱頂常有塌落，邊墻也有失穩(wěn)現(xiàn)象，圍巖類別為Ⅳ類圍巖。進口段及局部洞身段受表層較厚的第四系全新統(tǒng)崩坡積砂卵礫石土和季節(jié)性暴雨泥石流溝道影響，圍巖穩(wěn)定性為極不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)冒頂和地面塌陷，圍巖類別屬Ⅴ類。

(2)隧洞集中。壩址左岸有原洪水河西干渠輸水洞、新建東、西干渠輸水洞及泄洪排沙兼導流洞，合理確定各隧洞之間位置關系及相隔距離是設計的關鍵。

(3)隧洞泄洪流速高。根據泄洪排沙兼導流洞洞涇及最大泄量，復核計算隧洞泄洪最大流速達到17.23 m/s，因而隧洞襯砌形式及二次襯砌混凝土選擇對隧洞洞壁抗沖耐磨和洞身安全至關重要。

3.2.2 設計處理方案

(1)針對隧洞圍巖地質特性，加強支護：一次支護頂拱180°范圍設Φ25系統(tǒng)錨桿，錨桿長3.0 m，間距1.0 m，梅花形布置，掛Φ6.5@200 mm×200 mm鋼筋網，緊貼巖面架設Ⅰ18全封閉式系統(tǒng)鋼拱架，間距0.5 m，噴C20混凝土厚200 mm；二次襯砌采用現(xiàn)澆C60鋼筋混凝土，襯砌厚800 mm，迎水面加設厚度28 mm的內襯鋼板，鋼板預留接觸灌漿孔。

(2)經現(xiàn)場實地調查及地質勘察，探明原洪水河西干渠輸水隧洞底高程1903.8 m，平面位置與左壩肩壩軸線相交，隧洞型式為城門洞型，洞寬6.5 m，洞高5.75 m。設計將泄洪排沙洞與原洪水河西干渠輸水隧洞近平行狀布置，間距約15.0 m，洞底高程1892.52 m，低于原洪水河西干渠輸水隧洞。在樁號0+166 m處，泄洪排沙洞與現(xiàn)狀洪水河西干渠輸水洞平面相交，相交處西干渠底高程1906.8 m，高于泄洪排沙洞洞頂9.10 m，由于兩洞距離較近，開挖易發(fā)生大規(guī)模坍塌，同時西干渠輸水洞內為長流水，存在渠水滲漏現(xiàn)象，需加強支護和采取排水措施?？紤]原洪水河西干渠輸水洞與左壩肩相交部位影響水庫大壩運行安全，設計采取對原西干渠輸水隧洞穿過左壩肩洞段采用C20混凝土灌漿封堵，封堵長度413.56 m。原洪水河西干渠自水庫壩后調流調壓閥井分水。

(3)針對泄洪排沙兼導流洞高速摻氣水流沖刷問題，設計采用隧洞二次襯砌混凝土，選擇現(xiàn)澆C60抗沖耐磨混凝土，同時在迎水面加襯28 mm厚鋼板，提高洞壁抗沖穩(wěn)定性。

4 結語

綜合考慮較順直河谷、復雜地質條件、國家級自然保護區(qū)及多工程交叉等多因素制約影響，針對洪水河水庫大壩泄洪建筑物布置及結構選型，提出合理、可行且經濟的設計方案，對同類型河谷型當地材料壩泄洪建筑物布置及選型設計具有參考意義。

為解決泄洪排沙兼導流洞高速摻氣水流沖刷問題，選擇現(xiàn)澆C60抗沖耐磨混凝土的新型高強抗沖耐磨材料。今后，為進一步量化材料的抗沖耐磨效果，可針對新型高強抗沖耐磨混凝土配合比對抗沖耐磨效果的影響做更深入的研究。