铜场水库表孔泄洪洞的设计

2011-04-02谭新莉

东北水利水电 2011年8期

谭新莉

（新疆水利水电勘测设计研究院水工所，新疆乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

铜场水库是位于新疆库车县境内库车河中游河段尾部的控制性骨干调蓄工程，是以防洪为主，结合灌溉，改善生态环境的中型综合利用水利枢纽。工程等级为三等，地震设防烈度8度。正常蓄水位1 330.2 m，表孔堰顶高程为1 323.00 m，设计洪水位1 326.37m，表孔不泄洪，深孔控制下泄下游的安全泄量370.00 m3/s；校核洪水位1 331.72 m，表孔与深孔联合泄洪，表孔泄量为271 m3/s。考虑到铜场水库位于高地震频发地区，鉴于下游库车城镇的重要性，表孔泄洪洞还考虑单独泄100年一遇设计洪水时的工况，此时上游库水位1 332.10 m，经核算不影响坝高。表孔泄洪洞流量由271 m3/s增加到最大下泄370.00 m3/s，控制段堰顶高程只需降低1 m，宽度由6.5 m增至7m即可满足，工程量增加不多，一方面可确保工程运行及下游库车城镇安全，另一方面增加水库运行灵活性。

2 平面布置选择

坝址区河道为一“S”型弯道，坝址两岸均为高山，所有泄水建筑物均利用左岸凸岸的有利地形，将轴线布置成直线，不但有利于高流速泄水建筑物的安全运行，轴线短小也节省投资。

坝址处左坝肩岸坡高陡，高程1 440 m以上，总体坡度70°局部直立，1 440 m高程以下坡度40°，左岸1 330～1 370 m高程以下至河边顺河堆积长400 m，厚3～20 m的崩坡积物。岩性为砂岩、泥岩互层。根据坝址区地形地质条件，初步设计时对表孔泄水建筑物采用岸边开敞式溢洪道布置方案和表孔泄洪洞两种方案做过对比。

2.1 岸边开敞式溢洪道方案

溢洪道进口引渠及控制段紧邻左坝肩布置，受地形条件限制，岸边开敞式表孔溢洪道只能布置在左坝肩唯一一地形相对低矮平缓的部位，但出口仍无法避开一段高陡山坡，为保证工程运行安全，减小高边坡开挖处理量，通过此陡崖段的泄槽改为隧洞通过。由于地形较高，泄槽两岸均为20 m左右的高边坡，泄槽段长79 m，纵坡为1/5，矩形断面，底宽7 m，侧墙高度为4.5 m。泄槽内最大流速19.2 m/s；洞身段长36 m，断面型式为城门洞型，断面尺寸为5.0 m×4.5 m，洞内最大流速21.5 m/s，从引渠至挑坎溢洪道全长258 m。

2.2 表孔泄洪洞方案

表孔泄洪洞进口布置左岸坝肩上游约30 m处，出口距坝下游坡脚约150 m，进出口的位置尽可能远离陡崖，以避免形成高边坡。进口引渠及洞身均为直线布置，其中洞身段长320 m，洞底坡降i=7/100，为无压明流洞，洞身为5 m×5.5 m(宽×高)城门洞型，从引渠至挑坎表孔泄洪洞全长458 m。洞线走向与岩层走向交角较大，主要发育有顺层挤压带和四组节理，洞室围岩为厚层状结构，局部稳定性差，围岩类别为Ⅲ类。

2.3 方案比较结论

对比两组方案，开敞式溢洪道的泄槽为明流，具有较强的超泄能力，轴线也短200 m。但泄槽两岸20 m左右的高边坡稳定及处理问题较为突出。同时土石方开挖量较大，弃渣量较多，弃渣占地面积较大；溢洪道紧贴左坝肩，与左坝肩坝体施工时存在一定的干扰；溢洪道的施工道路布置困难，为满足施工时出渣和混凝土浇筑的需要，临建道路工程量相对较大。岸坡高陡使出渣和混凝土浇筑有一定的困难。溢洪道施工时受道路的影响，强度不高。溢洪道施工总工期为25个月，比表孔泄洪洞方案长6个月，投资多67万元，最终采用表孔泄洪洞方案。

由于山坡陡峻造成明挖方案土石方开挖量大，施工困难，工期长，投资大，施工及运行也不及隧洞方案安全可靠，所以当山坡陡峻、明挖方案和隧洞方案长度相差不太大时（本工程相差200 m），隧洞方案优于明挖方案。

3 纵剖面布置选择

隧洞的洞坡布置需综合考虑泄量、流速、隧洞断面尺寸、施工要求等因素。本工程最大泄量370.00 m3/s较小，最大流速小于25 m/s不需要考虑掺气措施，故洞坡布置受制约的因素较少。洞坡的缓陡主要影响隧洞断面尺寸的大小和施工条件。洞坡越缓，隧洞断面尺寸越大，施工条件越好，施工机械的效率也越高，投资也相对较大。最初采用纵坡i=0.07一坡到底直接与挑坎连接，通过水工模型试验发现，在由堰宽变为洞宽的收缩渐变段末端形成壅水，部分水流接近洞顶；小流量情况下洞出口有水跃现象发生。为改善这一状况，对洞身进口渐变段长度和洞出口型式作了修正，将进口渐变段长度由原20.0 m改为50.0 m，通过加长渐变段长度来平顺水流，减少壅水高度；隧洞出口由原直接接挑流鼻坎改为通过渥曲线接挑流鼻坎，避免了水跃现象的发生，增加的高差通过调整洞身段纵坡消化，即洞坡由原i=0.07(即1/14.29)改为1/15。经水工模型试验验证，调整后的洞坡水流平稳，壅水水深未超过洞身段边墙高度，再没发生水跃。

由此，对泄洪洞纵坡直接与挑坎连接的布置，尽管设计流量下流速相对较高，水流运行状况良好，但需考虑小流量情况下由于下游水位的壅堵造成的水跃现象，尤其是要避免水跃发生在隧洞内造成封顶。当下游水位较高时，建议最好通过渥曲线接挑流鼻坎，这样洞出口高程较高，下游接陡坡，洞内不会发生水跃。

4 进口控制段体型选择

根据本工程水库运行的特点，堰顶高程低于正常蓄水位，正常情况下表孔需挡正常蓄水位，故采用有闸门控制的型式。考虑到表孔位于高陡山区，不宜采用因宽度较大而导致挖方较大的宽顶堰堰型，堰型比选时选用实用堰和驼峰堰两种型式进行工程布置和计算比较。

堰体采用驼峰堰时，堰顶高程1 324 m，堰净宽7 m，单孔布置，采用宽度较小的b型堰面曲线，上游堰高 P1=2 m，R1=8 m，R2=2.1 m，堰面曲线后接4.6 m长的1∶3直线段，其后以半径20 m的圆弧与下游泄槽相接，为保证自由出流，控制段末端处高程为1 319.519 m，控制段长24 m。泄槽采用统一纵坡，坡比1∶10.5。洞内最大水深位于渐变段末端，最大水深4.28 m，掺气后水深4.99 m，隧洞满足15%余幅后断面尺寸为5 m×6.3 m。

堰体采用WES实用堰时，堰顶高程1 324 m，堰净宽6.5 m，单孔布置，定型设计水头HS＝6 m，堰面曲线方程Y=0.109×1.85，堰面曲线后接4.5 m长的1∶1直线段，其后以半径10 m的圆弧与下游泄槽相接，控制段长22 m。控制段末端处高程为1 313.001 m，满足自由出流要求。泄槽采用统一纵坡，坡比1∶14.3。洞内最大水深位于渐变段末端，最大水深3.56 m，掺气后水深4.27 m，隧洞满足15%余幅后断面尺寸为5 m×5.5 m。

堰型比选结果见表1。

通过估算，仅控制段投资WES实用堰较驼峰堰少10万元，考虑隧洞断面也是WES实用堰小，故进水口控制段采用水流条件好、结构合理、工程量节省、施工方便的WES实用堰堰型。

表1 堰型比选对比表

5 控制段闸室结构型式选择

表孔泄洪洞进口控制段闸室结构型式的选择对比方案见图1。方案1将堰面曲线和反弧曲线均包括在控制段闸室内，对闸室的分缝和稳定有利，但闸室长，反弧段的边墙高度高达22 m，通常边墙承受较大的外水压力。泄洪时边墙内的反弧段水深较小；弧门挡水时，边墙内无水；故边墙为满足较大的水头差，边墙厚度大，配筋高。方案2将反弧曲线布置在洞身段，闸室的分缝不规整，由于控制段闸室两侧及后侧均镶嵌在岩石内，控制段闸室稳定不成问题。边墙高度降低，最大为17 m，同时后墙对边墙也有约束，对结构受力有利。经计算，边墙厚度2 m即可满足要求，配筋也不大，1 m配5根直径25 mm的钢筋足矣。表孔泄洪洞进口控制段闸室选择方案2的结构型式，可改善结构的受力条件，使结构布置合理。