某水庫工程壩型和泄流消能方案比選分析

劉星星

(邵陽市水利水電勘測設(shè)計院，湖南 邵陽 422000)

1 工程概況

秀水水庫工程位于綏寧縣武陽鎮(zhèn)秀水村，控制集雨面積36.8km2，壩址以上河道長15km，河道坡降20‰。秀水水庫為年調(diào)節(jié)水庫，以灌溉為主，兼有供水、防洪功能。工程等級為Ⅲ等，主要建筑物及擋水建筑物為3級建筑物，次要建筑物為4級建筑物，臨時性建筑物為5級建筑物。水庫校核洪水位563.45m、設(shè)計洪水位562.75m、正常蓄水位560.5m，相應(yīng)庫容分別為1330萬、1281萬、1118萬m3。

2 壩型方案比選分析

2.1 壩型選擇

根據(jù)壩址區(qū)地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等工程水文地質(zhì)條件，對拱壩、土石壩和重力壩適宜性進行比較，確定推薦重力壩壩型。具體如下：

(1)拱壩。拱壩對拱座(肩)巖體完整性、穩(wěn)定性及受力均勻性要求高，而壩址處存在以下不利因素：①上壩線雖地形狹窄，但往下游方向漸寬，呈“喇叭”形發(fā)散狀；左岸拱座(肩)部位地形等高線與受力方向交角30°左右，不利拱肩受力及穩(wěn)定。②結(jié)構(gòu)面發(fā)育不利拱座(肩)穩(wěn)定。壩址主要有3組裂隙切割，其中左岸第3組裂隙J1—J4切割深度大，張開寬，延伸長，裂面有碎裂現(xiàn)象，經(jīng)坡面沖蝕、淋蝕，形成深3～5m的凹槽臨空面，在拱肩下游40m范圍內(nèi)分布4處臨空凹槽。F8斷層傾向下游，斷層破碎帶寬0.8～1.2m，地表為沖溝臨空面，與拱肩最小平距50m左右。③兩岸卸荷風化較深，拱壩基礎(chǔ)開挖較深，開挖工程量相對較大。

(2)土石壩。工程區(qū)域土料場位于壩址上游庫區(qū)，儲量約6萬m3。在壩址下游距壩址3.5km左右的雙鳴村丘崗山包，土料儲量約40萬m3。土石壩壩體填筑方量約90萬m3，土料儲量遠不能滿足土料填筑需求，且土石壩泄洪只能采用隧洞泄洪，受地形條件限制泄洪設(shè)施布置困難，加之土石壩碾壓質(zhì)量要求高，施工質(zhì)量難控制，易給大壩運行留下安全隱患。

(3)重力壩。重力壩對壩基(肩)巖體完整性、穩(wěn)定性及受力均勻性要求相對拱壩低，壩址區(qū)雖地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，裂隙較發(fā)育，但巖體為中至厚層狀結(jié)構(gòu)，巖體較完整，巖質(zhì)堅硬，雖有局部碎裂現(xiàn)象，可以通過固結(jié)灌漿加固處理，可以滿足重力壩基(肩)抗滑穩(wěn)定性要求。

2.2 重力壩壩型的選擇

根據(jù)建筑材料勘探成果，塊石料場位于壩址上游右岸庫尾馬腳灣側(cè)山頭，儲量>100萬m3。巖性為印支期(r5)邊緣相細粒花崗巖，儲量>100萬m3。選擇對砼重力壩、堆石砼重力壩、砼砌石重力壩3種型式進行比較。

2.2.1水工布置方面

(1)砼重力壩。在壩中部布置溢流壩段，大壩壩頂軸線總長152.4m，溢流壩段凈寬20m，共布置2孔，無閘控制，堰頂高程560.5m，最大壩高57.7m。放水設(shè)施布置于大壩左岸非溢流壩段，采用塔式取水方式，通過壩內(nèi)放水涵管將水放至下游河道，再通過1.5km河道將水引至下游總干渠引水壩。取水塔進水口底板高程525.00m，進水口凈寬1.8m，壩內(nèi)輸涵管長33.842m，出口采用挑流消能，鼻坎高程516.75m，反弧半徑15.4m，挑射角20°，鼻坎凈寬1.8m，進壩公路長6.88km(其中改造進壩公路6km、新建0.88km)。

(2)堆石砼重力壩。堆石砼重力壩布置及體型同砼重力壩，大壩壩頂軸線總長152.4m，溢流壩段凈寬20m，共布置2孔，無閘控制，堰頂高程560.5m，最大壩高57.7m。壩體材料采用堆石砼結(jié)構(gòu)，砼為自密實砼。放水設(shè)施和進壩公路均同砼重力壩方案。

(3)砌石重力壩。在壩中部布置溢流壩段，大壩壩頂軸線總長152.4m，溢流壩段凈寬20m，共布置2孔，無閘控制，堰頂高程560.5m，最大壩高57.7m。壩體材料采用砼砌塊石結(jié)構(gòu)，砼為C15細石砼，放水設(shè)施和進壩公路均同砼重力壩方案。

從堆石砼重力壩、砼重力壩、砼砌石重力壩壩型樞紐布置來看，3個壩型方案樞紐均采用溢流壩段泄洪，布置緊湊，且堆石砼重力壩工程投資比砼重力壩、砼砌石重力壩投資均少，堆石砼重力壩比砼重力壩少722.87萬元、比砼砌石重力壩少344.28萬元。具體對比見表1。

表1 壩型方案比較表

2.2.2施工方面

堆石砼重力壩、砼重力壩、砼砌石重力壩方案均采用一次性圍斷、右岸隧洞導(dǎo)流，整體施工，導(dǎo)流方式相同。砼重力壩方案溫控復(fù)雜，砼砌石重力壩施工質(zhì)量較難控制，而堆石砼壩采用先堆石后灌注自密實砼，不需振搗，堆石量占50%，壩體溫控簡便，施工質(zhì)量較易控制。因此，從實施的難易程度方面，堆石砼重力壩方案優(yōu)于砼重力壩、砼砌石重力壩方案。

2.2.3運行方面

堆石砼重力壩、砼重力壩、砼砌石重力壩方案均采用壩中部布置溢流壩段，開敞式自由泄流，運行維護均簡便。

綜上分析，堆石砼重力壩方案投資較少，施工較簡便，工程質(zhì)量易于控制。因此，推薦堆石砼重力壩方案，采用溢流壩段泄洪。

3 泄流方式比選分析

3.1 閘門型式選擇

秀水水庫正常蓄水位為560.5m，泄洪流量較小，閘孔尺寸不大，采用平板鋼閘門，此閘門制作簡單、維護方便。

3.2 孔口尺寸選擇

在滿足安全渲泄設(shè)計和校核洪水的條件下，且根據(jù)大壩下游防洪需求，對開敞式無閘控制和閘門控制2種適宜布置方案進行比較。

方案一：開敞式無閘控制。溢流凈寬20m，堰頂高程560.5m，水庫正常蓄水位560.5m，水庫20年一遇洪水位562.51m，相應(yīng)滯洪庫容147萬m3。

方案二：閘門控制。溢流凈寬18m，設(shè)置3孔6m×5m(寬×高)平板閘門控制，堰頂高程556.5m，正常蓄水位560.5m。為保證下游防洪安全，設(shè)置防洪庫容與防洪高水位。根據(jù)下游控制斷面洪水分析結(jié)果，秀水水庫在20年一遇洪水時最大下泄流量小于96m3/s，相應(yīng)防洪庫容62萬m3，防洪高水位561.5m，設(shè)計洪水位均為561.5m。主要水力學(xué)指標及工程量見表2。

表2 泄洪孔口布置方案比較表

從表2中可以看出：方案一比方案二校核洪水位高1.95m，最大壩高高2.4m，具體如下：方案一土建工程量比方案二大，土建投資多153.55萬元。由于方案一無閘門及啟閉機，金結(jié)及啟閉機投資比方案二少111.065萬元。20年一遇回水高程基本一致，兩方案遷移人口和搬遷房屋指標相同。2年一遇回水高程方案一比方案二低0.51m，方案一比方案二少淹沒林地13.5畝、旱土0.6畝。淹沒損失方案二比方案一少54.434萬元。運行方面方案一采用無閘控制泄洪，自由泄流，通過滯洪庫容對洪水的調(diào)節(jié)達到提高下游防洪標準的目的，20年一遇水庫下泄流量為96m3/s，水庫運行相對簡便。方案二采用閘門調(diào)節(jié)控制，設(shè)置防洪庫容62萬m3，由于水庫用水高峰在7、8月，在汛末用水量較少，水庫防洪庫容與灌溉興利庫容不能結(jié)合，在汛期正常蓄水位560.5m，洪水期防洪高水位561.5m，通過閘門調(diào)節(jié)下泄流量達到提高下游防洪標準的目的，在洪水流量小于96m3/s時維持正常蓄水位560.5m，下泄流量等于來水流量。當洪水流量大于96m3/s時通過閘門調(diào)節(jié)下泄流量控制在96m3/s，當水庫水位上升至561.5m防洪高水位時閘門部分開啟至全開，洪水過后水庫水位調(diào)至正常水位560.50m。

綜上所述，方案一工程投資與方案二基本相當，相差11.95萬元，而方案一結(jié)構(gòu)簡單且運行可靠，方案二運行操作難度相對較大。因此，推薦方案一開敞式無閘控制。

4 消能方式比選分析

4.1 大壩消能方式的擬定

根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件和確定的壩型方案，對挑流消能和臺階跌坎底流消能2種適宜的消能方案進行比較。

(1)方案一：挑流消能。大壩溢流堰頂高程560.5m，溢流堰頂凈寬20m，為無閘開敞式溢流，堰面曲線采用WES曲線，堰頂上游采用橢圓曲線，長軸長1.5m，短軸長0.84m，堰頂下游接反弧段，下游反弧段半徑為12m，反弧中心角78.13°，挑流鼻坎高程為525.41m，挑射角25°，導(dǎo)流墻從上至下采取逐漸縮窄的布置形式，以便在小流量時增加單寬流量，挑流鼻坎寬度15m。

(2)方案二：臺階跌坎加底流消能。大壩溢流堰頂高程560.5m，溢流堰頂凈寬20m，為無閘開敞式溢流，堰面曲線采用WES曲線，堰頂上游采用橢圓曲線，長軸長1.5m，短軸長0.84m，由于壩下游坡坡比為1∶0.75，壩上下游高差達49.01m，臺階消能采用滑移流臺階消能，臺階高度1m、步長0.75m，臺階底部接消力池，消力池長20.3m，池深1.3m，池寬28.7m，池底高程511m，消力池底板采用1.5m厚C25鋼筋砼結(jié)構(gòu)。

4.2 大壩消能方案比較

(1)消能比較

方案一最大挑距58.10m，挑流消能不影響大壩安全，方案二采用臺階加底流消能方式，下接消力池，兩方案均滿足大壩消能要求。

(2)工程投資比較

方案一可比投資293.19萬元，方案二可比投資375.79萬元，方案一比方案二節(jié)少投資82.6萬元。具體比較見表3。結(jié)合實際情況和消能效果推薦方案一挑流消能。

表3 大壩消能方案工程投資比較表

5 結(jié)語

在水利工程建設(shè)中，工程方案的設(shè)計要充分考慮多方面因素，制定多個可行性方案，然后對各種方案進行對比分析，選出最佳的工程設(shè)計方案，以期實現(xiàn)水利工程建設(shè)效益的最大化。本文結(jié)合秀水水庫工程實際情況，對大壩壩型、泄流方式、大壩消能方式進行了詳細的對比分析，最終確定了合理的壩型方案、泄流方式以及大壩消能方式，有助于工程效益顯現(xiàn)。因此，對方案進行比較分析研究具有重要意義，本文介紹的相關(guān)比選分析，希望給予類似工程一定的借鑒及參考。