峽谷高拱壩泄洪建筑物布置方案比選研究

黃 凱，符昌勝，張笮娜

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

1 前言

黔西縣凹水河水庫位于黔西縣紅林鄉與大方縣黃泥塘鎮的界河西溪河上，西溪河屬長江流域烏江水系的六沖河左岸一級支流。凹水河水庫的主要任務是向黔西新規劃縣城供水，兼顧解決工程區附近的部分灌溉用水。大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高153 m，水庫正常蓄水位1287 m，水庫總庫容4669萬m3，年供水量4275萬m3，工程等別Ⅲ等，工程規模為中型。

凹水河水庫工程樞紐位于“一線天”的非典型峽谷型河谷地帶，河谷高陡險峻，異常狹窄(底寬僅6 m)，正常水位河谷寬高比為0.62，河道于壩后約130 m位置向左偏轉約15°。另外受區域內成貴高鐵和高速大橋影響，對水庫泄洪建筑物布置帶來較大困難，主要表現在：①因壩高153 m，水庫泄流量大，落差較高，需考慮泄洪對下游河床沖刷影響；②泄洪水舌不得沖刷區域內高速大橋基礎，對其造成安全隱患；③河谷極為狹窄，泄洪應盡量避免沖刷兩岸。

2 泄水建筑物布置方案擬定

2.1 水庫泄水取水要求

凹水河泄水建筑物主要有泄洪建筑物、放空建筑物和取水建筑物組成。

根據調洪計算，水庫校核頻率(0.1%)下泄洪水流量875 m3/s，設計頻率(1%)下泄洪水流量693 m3/s，消能防沖頻率(2%)下泄洪水流量577 m3/s，多年常遇頻率(20%)下泄洪水流量251 m3/s。

水庫正常蓄水位庫容4479萬m3，按5天放空計算，平均放空流量在100 m3/s左右。

水庫取水流量2.117 m3/s，其中灌溉流量0.108 m3/s，供水流量1.999 m3/s。樞紐下放生態流量0.34 m3/s。其中灌溉流量和下放生態流量需采用分層取水等措施保證水溫。

2.2 泄水建筑物布置比選方案的擬定

高拱壩樞紐泄水建筑物類型主要有表孔、中孔、放空底孔和取水口。

(1)對于表孔布置可選方案有壩頂、左岸和右岸。兩岸布置采用豎井旋流消能，其中左岸布置方案下平洞可利用導流洞改造而成，岸邊表孔方案左岸較優。因此表孔布置比選方案有壩頂表孔和左岸表孔2種。

(2)對于中孔布置可選方案有壩頂、左岸和右岸。兩岸布置采用豎井旋流消能，其中左岸布置方案下平洞可利用導流洞改造而成，岸邊中孔方案左岸較優。因此中孔布置比選方案有壩身中孔和左岸中孔2種。

(3)對于放空底孔布置考慮到結合利用的經濟合理性，可選有放空底孔兼取水和放空底孔兼泄洪。底孔兼取水時泄洪中孔獨立布置，底孔兼泄洪時取水口獨立布置。

(4)對于獨立布置的取水口可選方案有壩身、左岸和右岸，其中右岸和壩身布置都可以利用右岸基坑隧洞進行管道鋪設，投資少，運行管理方便，因此不考慮獨立取水口布置于左岸。

其中表孔閘門工作水頭低，便于小流量控制常年洪水，超泄能力強，水庫安全性好，因此不宜取消。底孔因具備放空、取水功能，不得高于死水位，因此不能取消。中孔可結合其他建筑物布置進行取舍。

綜上分析后組合，初步擬定布置方案并進行優缺點比較，見表1。

表1 樞紐泄水建筑物布置方案初步對比表

由表1可見，泄水建筑物布置比選主要體現在表孔布置和放空底孔所兼功能，因此方案比選按兩個階段進行，先進行泄洪表孔的布置比選，再進行底孔兼顧功能布置比選。

3 泄水建筑物布置方案比選

3.1 表孔布置方案比選

(1)壩頂表孔方案

壩頂溢洪道位于壩中河床段，設2孔溢流表孔，采用2孔5 m×5 m的閘門控制，堰頂高程1282 m，溢流堰采用WES型實用堰，堰頂下游堰面采用WES曲線。為使得兩孔水舌在河床落點錯開分布，左右兩個表孔分別采用挑流和跌流消能。左側表孔堰面曲線后接半徑9 m的反弧段，反弧中心角53.13°，反護段下游側采用水平挑流，鼻坎高程1271.826 m。右表孔采用跌流消能，不設挑坎，末端坡面坡比1∶1.25。

圖1 壩頂表孔剖面圖

(2)左岸岸邊表孔方案

左岸豎井溢洪道由進口控制段、上平段泄槽、起旋室、旋流豎井和下部出水洞組成，整體呈L形布置，上平段和下部出水洞夾角116.073°。進口控制段長18.25 m，布置2孔弧形閘門，孔口尺寸5 m×5 m，堰頂高程1282.00 m，堰型采用WES實用堰。上平段泄槽為收縮布置，長33.83 m，泄槽寬由5 m收縮至2.65 m，兩側邊墻夾角4.5°，泄槽底坡8.5%，采用封閉箱型結構，底板及邊墻厚1.2 m，采用C30鋼筋混凝土。泄槽末端接起旋室，起旋室為豎向桶形，內徑7.5 m，高19.31 m。起旋室下部采用5.7 m高的收縮段與下部旋流豎井相接，豎井底板高程1151.04 m，井深14.45 m，內徑5.7 m，C30鋼筋混凝土襯砌厚0.75 m。下部出水洞為城門洞型，利用導流洞改造而成，長261 m，隧洞凈寬6 m，凈高7 m，C30鋼筋混凝土襯砌厚0.75 m。

(3)方案比選

1)地形地質條件

從地形地質條件來看，壩身泄洪方案不涉及開挖回填，對于岸邊泄洪洞來說，在巖溶地區進行洞室開挖施工，有一定工程風險。因此壩頂表孔方案較優。

2)水力學條件

岸邊表孔+豎井泄洪洞能在洞內消耗大部分水體動能，減少下游沖刷，壩頂泄洪受下游狹窄河谷影響，易造成一定的沖刷，同時還有泄洪霧化的，對兩岸邊坡表層風化巖體穩定不利。因此從水力學條件來說岸邊方案優。

3)工程布置

從工程布置方面看壩頂表孔方案布置緊湊，但表孔和下部底孔泄洪需在平面錯開，存在一定的干擾。左岸表孔+豎井方案避免了壩身泄洪建筑物的干擾。因此從工程布置來看，左岸方案較優。

4)施工臨時措施

從施工組織方面來看，壩頂表孔方案施工條件較好，與其他建筑物施工干擾小。左岸表孔方案施工時，表孔位于導流洞進口上方，進口開挖易造成下部導流洞進口受損，此外因河岸地形陡峭，上平段出渣困難。豎井段開挖出渣需經導流洞運輸，且需在導流之前完成開挖，施工干擾大，導流前的施工工程量大，工期緊張。因此從施工組織方面看，壩頂泄洪方案優。

5)工程投資

根據兩種布置方案工程量計算成果進行工程投資對比計算，經計算壩頂表孔投資為956萬元，左岸表孔投資為4539萬元。壩頂表孔方案投資明顯節省。若再考慮施工臨時措施投資差異，兩者投資差異更大。

由上述綜合比較可見，岸邊表孔方案除了在泄洪消能方案和樞紐布置方面有優勢，其余均不如壩頂泄洪方案，且工程投資是表孔方案的4.7倍，投資明顯偏大，加之施工組織干擾大，施工困難，因此本階段表孔泄洪布置方案采用壩頂泄洪。

3.2 底孔兼顧功能比選

由比選可知，泄洪表孔推薦采用壩頂布置方案，根據泄水建筑物初步擬定方案，配合確定的壩頂表孔方案，僅需對方案②及方案⑦進行對比。

(1)方案②(壩頂表孔+壩身泄洪中孔+放空兼取水底孔)

方案②泄洪、放空、取水均布置于壩上，下游河道狹窄，且在壩后約130 m位置向左偏轉約15°，因此結合各泄水建筑物挑距進行布置。中孔挑距最遠(底孔放空時水位已下降至中孔附近，挑距沒有中孔遠)，結合河道向左轉彎，因此將中孔布置于表孔右側，水舌方向與轉彎后的河道基本一致。放空兼取水底孔若布置于表孔另一側，水庫水位低時，小流量水舌將落在壩后抗滑巖體上，對大壩安全不利，因此將底孔布置于兩個表孔中間，將表孔間距增加3.6 m，并適當增加偏轉角度。

(2)方案⑦(壩頂表孔+放空兼取泄洪底孔+右岸取水口)

凹水河壩址下游河道狹窄，且在壩后約130 m位置向左偏轉約15°，若將泄洪底孔置于兩個表孔中間，在聯合泄洪時，易造成表孔水舌和底孔水舌空中碰撞，影響水舌落點，造成河岸沖刷，因此結合下游河道走向將泄洪底孔置于表孔右側，使得水舌方向與下游河道基本一致。壩頂表孔及壩身底孔泄洪落點示意圖見圖2。

圖2 壩頂表孔及壩身底孔泄洪落點圖

壩身泄洪兼放空底孔位于壩身右側緊靠表孔位置，總長49.1 m，底板高程1206.00 m，進口設置3 m×5.5 m(寬×高)平板事故檢修閘門，出口設3 m×4.5 m(寬×高)弧形工作閘門，出口采用窄縫挑流消能。

取水口位于庫首右岸岸坡，距離拱壩上游面約30 m，取水流量包含供水流量、灌溉流量和下放生態流量。取水口底板高程1207.50 m，頂部高程1290.50 m，其上設移動式臺車啟閉機及相應的啟閉設備。閘門井1206.00 m～1246.00 m高程的尺寸7.0 m×15.5 m，1246.00 m～1290.50 m的尺寸9.0 m×15.5 m。取水口閘門井依次設置攔污柵、分層取水疊梁門、事故檢修閘門。

(3)方案比選

1)地形地質條件

從地形地質條件來看，方案②取水隧洞開挖位于右壩肩下游，方案⑦取水隧洞位于右壩肩上游和右側，取水口距離大壩和導流洞進口較近，對開挖邊坡穩定性要求高，因此方案②較優。

2)水力學條件

對于泄洪，方案②受底孔布置影響，表孔間距較寬，使得水舌沖刷方向與下游河道方向有一定的夾角，此外因表孔外擴，右表孔與中孔間距更近，兩個水舌聯合泄洪時易干擾。

對于取水，方案②取水鋼管由底孔出壩后垂直接入，水流條件不如方案⑦的順向過流。方案②在水庫放空時，受放空流速影響，取水管進口易產生負壓，影響泵站取水，進口疊梁閘門和攔污柵需全部取出，也不利于取水管防污。因此從水力學條件來說方案⑦更優。

3)工程布置

從工程布置方面看，方案②布置緊湊，但存在壩身開孔較多，泄水建筑物擁擠相互干擾的問題。方案⑦將放空功能和取水功能分開，高速水流運行和低速水流運行分開，互不干擾，因此從工程布置來看，方案⑦較優。

4)施工臨時措施

從施工組織方面來看，方案②壩身附屬建筑物較多，施工干擾大。方案⑦取水系統獨立布置，施工干擾小。因此從施工組織方面看，方案⑦較優。

5)工程投資

根據兩種布置方案工程量計算成果進行工程投資對比，方案②(壩頂表孔+壩身泄洪中孔+放空兼取水底孔)總投資為7198萬元，方案⑦(壩頂表孔+放空兼取泄洪底孔+右岸取水口)總投資為7045萬元，兩個方案總投資相近，其中方案⑦投資較節省。

6)運行管理

從運行管理方面來看，方案⑦取水與放空分開布置，在水庫放空過程對取水影響小，方案②在放空時，需將全部疊梁和攔污柵取出，運行管理繁瑣。因此從運行管理方面來說方案⑦優。

由上述綜合比較可見，從工程布置、水力學條件、施工臨時和工程投資等方面，方案⑦均優于方案②，因此本階段推薦采用方案⑦，樞紐泄水建筑物布置采用壩頂表孔+壩身放空兼泄洪底孔+岸邊取水口。

根據上述綜合比選，推薦采用壩頂雙表孔+底孔型式布置。并經水力模型實驗驗證，本工程泄水建筑物比選推薦結果合理可靠，充分利用河道長度方向，有效避免高壩泄洪對狹窄河谷的影響。

4 結論

本文從地質條件、水利條件、工程投資、運行管理等方面對表孔及底孔進行比選，最終推薦采用壩頂雙表孔+底孔型式布置。受拱壩下游河道向左側轉彎的影響，對于挑距最遠的底孔考慮布置于右側，使得水舌方向與下游河道方向盡量吻合。受下游狹窄河道影響，為充分利用河道長度方向、減少狹窄河谷寬度上的影響，設計考慮左表孔采用挑流消能，右表孔采用跌流消能，使得三個水舌縱向錯開，根據水力學模型試驗驗證，設計布置合理可靠，對同類工程有一定參考意義。