山西省小浪底引黄工程引水干线设计方案优化综述

2017-11-07贾宝萍

山西水利科技 2017年3期

关键词：小浪底取水口重力坝

贾宝萍

（山西省水利水电勘测设计研究院山西太原 030024）

山西省小浪底引黄工程引水干线设计方案优化综述

贾宝萍

（山西省水利水电勘测设计研究院山西太原 030024）

山西省小浪底引黄工程是山西省大水网四大骨干工程之一，文中针对该工程引水干线的取水口、输水线路、地下泵站站址及机组选型、板涧河调蓄水库坝型进一步比选、优化和调整，保证了工程设计质量。

输水线路；设计方案；优化

1 工程概况

山西省小浪底引黄工程位于山西省运城市，工程总体走势为东南-西北向，是自黄河干流上的小浪底水利枢纽工程库区向山西省涑水河流域调水的大型引调水工程。

工程由引水干线、灌区工程、工业和城镇供水工程三部分组成，工程任务为农业灌溉、工业及城镇生活供水、生态用水等综合利用。引水干线总长59.6km，其中压力洞1座，长5.95km；无压洞1座，长53.16km；箱涵1座，长34 m；进水塔1座，泵站2座，调蓄水库2座，连通洞1座，末端出水池1座。小浪底引黄工程引水干线平面布置详见图1。

2 引水干线设计方案优化

2.1 取水口及末端出水池

考虑到小浪底水库水位变幅大、调水调沙时的河势及岸边取水在库区内修建围堰施工困难等因素，将取水口初选在板涧河右岸入河口处的黄河岸边，距板涧入河口约600 m。从河势上看，取水口位于黄河河道凹岸，低水位取水条件较好。从地形条件看，取水口所在山包上下游均为冲沟，引渠开挖边坡位于冲沟内，边坡比较低，有利于引渠边坡稳定。而且通过进一步对取水口进行地质勘查，取水口位置岩层分界线较陡，易布置进水塔，因此所选取水口位置比较合适，不再进行比选。取水口主要包括引渠段和进水塔，引渠段长约140m，开挖断面为梯形，底宽为12 m；进水塔采用开敞式岸塔结构，长25.4m，宽12~8.5m，塔高50m。

引水干线末端选择在吕庄水库，同时作为本工程的调蓄水库之一。考虑到凁水河流域的受水范围较大，高程范围从370～750 m，而现有的吕庄水库位于受水区较适中位置，扬程也较适中，还有一定的调蓄作用，因此末端出水池选择在吕庄水库比较合适，也不再进行比选，末端入库水位结合水库正常蓄水位确定为480.3 m。

2.2 输水线路优化

引水干线起始于垣曲县境内的小浪底库区，一路向西北横穿中条山，终止于闻喜县境内的吕庄水库，线路要向垣曲县分水，要设连通洞与板涧河调蓄水库连接，还要避开中条山有色公司铜矿的采空区，末端调蓄库吕庄水库早已建成，取水口位置确定后，线路的走向基本确定。应根据沿线矿区采空区分布情况，并结合支洞选择优化输水线路布置。设计阶段对矿区采空区又进行了详细调查，核实了采矿区的分布，与原调查结果相符。另外，支洞基本分布在输水隧洞两侧，洞线靠近一侧支洞时，另外一侧的支洞势必加长，或增加隧洞拐点，进而增加隧洞长度；而且对于跨中条山段隧洞，隧洞埋深很大，两侧施工支洞布置困难，长度也较大，最长达1.44 km，设计阶段实地踏勘了每条支洞，并进一步比较后，认为通过线路调整来减短支洞长度难以实现，原线路比较合适，只是原隧洞出口段位于堆渣上，将隧洞洞口往西南偏276 m，隧洞避开了渣场，线路长度增加了400 m，由原来的59.2 km增加到59.6 km。

2.3 地下泵站站址及机组选型优化

地下泵站位于解峪乡上游板涧河左岸坡，距小浪底库区约6.2 km，泵站地下和地面厂房均紧邻王安线公路，地下厂房埋深100～230 m。设计阶段经过地质钻孔分析，认为原厂址围岩比较破碎，为Ⅴ类围岩，稳定性差，因此将厂址向北移约150 m，新厂址地面高程450～500 m，厂房埋深 200～250 m，围岩类别为Ⅲ类，稳定性较好。另外根据地应力测试结果和岩层走向情况，厂房轴线向东偏30°，定为N10°E，与最大水平主应力方向夹角为22°，与岩层轴向方向夹角约为17°。其他地下洞群根据主厂房位置作相应调整。地面厂房为了交通方便依然布置在原位置，即王安线北侧山坡上。

地下泵站原选用卧式三级双吸离心泵，应进一步比较立式机组和卧式机组。设计阶段对两种泵型进行了布置，两种方案各有优缺点：卧式方案单机流量小，运行灵活，安装、运行及维护简便，厂房简单、开挖深度较小，但台数多、平面尺寸较大、占地面积较大；立式方案单机流量大，机组台数少，安装占地小，厂房分层布置、开挖深度较大，运行维护费用高。但从水泵特性指标看，立式泵性能指标好，高效区宽，加权效率高，年耗电量小。从制造经验看，卧式泵目前国内还没有这么大泵运行实例，立式泵在国外已有成功运行实例。由于立式泵的结构特点，水泵和电机分层布置，噪音将会大大降低，对运行人员的身心健康有很大提高。

鉴于我省万家寨引黄工程已有类似大流量、高扬程水泵机组先例，且其水泵选型历经近十年的反复论证和研究，工程已安装设备从2001年投入运行至今，运行情况良好，对立式单级单吸离心泵运行也积累了一定的经验。在专家咨询会上，也基本倾向于立式泵泵型。因此，经过设计阶段进一步分析研究和技术咨询，并结合本工程泵站地下特点，推荐采用单吸双级立式离心泵方案，电机采用同步电机。

地下厂房开挖尺寸（长×宽×高）为99.85 m×19.8 m×33.43 m，分电动机层、电缆层、水泵层和进水阀层，布置6台水泵，4大2小，大机组流量5 m3/s，小机组单机流量3 m3/s，设计扬程254 m。

2.4 板涧河调蓄水库坝型选择及优化

板涧河调蓄水库选择板涧河村附近河段作为调蓄水库库址，坝址处于板涧河两个弯道的中间段上，此段长约300 m，设计阶段首先对坝轴线进行了比选，在此段选取了两个坝轴线，下游坝轴线较可研坝轴线减少了22 m，但工程布置比较困难，同时坝高也有所增加，因此不管是重力坝还是当地材料坝，上坝轴线都比较合适。

坝址两岸岸坡较陡，岩石裸露，从地形看，重力坝、拱坝比较适合，因此可研阶段按重力坝设计。设计阶段经过进一步勘察分析，虽然从地形条件上看，满足拱坝和重力坝建坝条件，但两岸岩体节理裂隙发育且左岸存在古弱风化带，不能保证拱坝坝肩稳定，因此设计阶段坝型比较不再考虑拱坝。

虽然坝址区覆盖层和基岩强风化层较薄，但弱风化层较厚，坝轴线处弱风化层下限埋深在16 m左右，而且在下游坡脚处坝基存在石英砂岩与安山岩不整合接触带，致使重力坝方案坝高达102.3 m，两岸石英砂岩岸坡风化卸荷带也使重力坝方案两岸坡的开挖工程量加大。由于工程地处岩石山区，石料丰富，因此当地材料坝考虑混凝土面板堆石坝，重力坝考虑碾压混凝土重力坝进行坝型方案比较。

1）碾压混凝土重力坝由泄水坝段及挡水坝段组成。泄水坝段布置在河床中部，挡水坝段位于泄水坝段的两侧，大坝全长182 m，最大坝高102.3 m。溢流表孔共设6孔，堰净宽48 m。冲沙泄流底孔为1孔，洞身为方形，尺寸3.0 m×3.6 m。

2）混凝土面板堆石坝由大坝、溢洪道、泄洪洞三部分组成。最大坝高85 m，坝顶长167 m，趾板置于弱风化岩层上部，其余堆石坝壳基础坐落在河床强风化层上。溢洪道布置在左岸，全长253.5 m，闸孔净宽3 m×8 m。泄洪洞布置于溢洪道左侧，全长327 m，由隧洞进口段、闸室段、无压洞身段及出口消能段组成。

当地材料坝可以就地取材，坝体适应地基变形能力强，基础处理费用低，工期短，施工技术简单，工序之间干扰小。其缺点为：坝身不易布设泄洪建筑物，需修建岸边式溢洪道；运行过程中需要对上、下游坝坡进行经常性维护。

碾压混凝土重力坝安全可靠，在各种坝型中，重力坝失事率是较低的，能够抵御超标准洪水；供水建筑物和泄水建筑物均可集中布置在坝体上，运行管理较方便。但碾压混凝土重力坝坝体施工技术要求高，混凝土填筑受气候影响大；坝基应力较大，建基面要位于微风化至弱风化下部，开挖量较大，基础处理费用较高。

从水库枢纽总布置、地形地质条件、施工条件、筑坝材料、运行管理、工程投资等方面进行综合比较，混凝土面板堆石坝明显优于碾压混凝土重力坝。因此，设计阶段推荐混凝土面板堆石坝方案。工程量及投资对比详见表1。

表1 两种坝型主要工程量及投资对比表

3 结语

根据河势及取水条件确定了取水口位置，通过调蓄要求及现有工程情况确定了出水池位置，进一步比选、优化和调整，对输水线路末端进行了局部调整、对地下泵站站址位置作了相应调整、地下泵站机组选用单吸双级立式离心泵、板涧河调蓄水库坝型选用混凝土面板堆石坝。通过设计方案优化，保证了工程设计质量，为工程的顺利实施奠定了基础。

Summary on Design Scheme Optimization for the Diversion Main Line of the Shanxi Xiaolangdi Yellow River Diversion Project

JIA Bao-ping

The Shanxi Province Xiaolangdi Yellow River Diversion Project is one of the four key projects in Shanxi Province.In this paper，further comparison，optimization and adjustment for water intake，water supply line，the underground pumping station site，unit selection and the dam type of the Banjian river adjust reservoir are made to ensure the quality of engineering design.

water supply line；design scheme；optimization