新疆托克逊乌斯通沟水库溢洪洞设计分析

周 蕾

(吐鲁番市水利水电勘测设计研究院，新疆吐鲁番838000)

0 前言

乌斯通沟水库工程位于吐鲁番市托克逊县伊拉湖乡西南侧乌斯通沟，距县城65 km，距伊拉湖乡47 km，为年调节水库，主要任务为灌溉和工业供水，遏制灌区地下水超采，是一座具有综合效益的水库枢纽工程，建筑物由沥青砼心墙砂砾石坝、左岸灌溉放水洞、右岸溢洪洞、导流冲沙兼放空洞组成。水库总库容1440万m3，拦河坝坝高73.0 m。水库枢纽工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型水库，对流域乃至托克逊县发挥重大作用。但由于乌斯通沟河流域内缺少控制性水利工程，乌斯通沟地表水利用程度不高，造成农业灌溉春旱、夏洪、秋缺水的现象较为严重。加之区域内工业园区的不断发展，园区用水规模不断扩大，该区域水资源供需矛盾日益突出。因此在乌斯通沟河兴建拦河控制性水库枢纽工程，以缓解流域的水资源供需矛盾，提高地表水利用率，满足流域各业综合用水要求。本文针对水库的溢洪洞设计进行分析。

1 设计资料

(1)水文资料

乌斯通沟水库下坝址多年平均流量为1.295 m3/s，多年平均径流量为4084万m3。

多年平均悬移质输沙量为6.68×104t。多年平均推移质输沙量为1.67×104t。多年平均输沙量分别为8.35×104t。淤沙容重18 kN/m3，淤沙高程872.50 m。

(2)地质资料

工程区处于近于平行、相距仅约12 km的夏尔嘎天山主干深大断裂(FⅠ)与936高地南东逆断裂(FⅡ)之间，均为北天山复杂构造带内近期活动的发震断裂，本区为区域构造不稳定地块。

(3)水文地质基本资料

坝址区水文地质条件较简单，地下水类型为基岩裂隙水和第四系孔隙水，坝区河水、地下水化学类型均为HCO3—Ca·Mg(K+Na)型，属弱碱性水。据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487-2008)环境水腐蚀性评价的判别标准：河水、地下水对混凝土及钢结构均无腐蚀性。

2 溢洪洞进出口设计

2.1 溢洪洞进口方式选择

由于工程右岸地形陡峭，如采用正堰无闸门控制，堰宽达到25 m，开挖边坡达到80 m，且需大量支护处理，存在高边坡问题，采用正堰闸门控制则有效的减少开挖，开挖边坡高度、支护工程量也小许多，但进水口前需疏挖，工程量较大，采用侧堰虽可避免疏挖，相对开挖也较少，开挖边坡高度、喷锚工程量也小许多，但水流条件不好，水流难以精确计算，因此采用右岸侧堰无闸控制明流溢洪洞和右岸正堰闸门控制明流溢洪洞两种形式进行技术经济比较。

2.2 溢洪洞孔口尺寸选择

(1)正堰泄洪孔口尺寸选择

溢洪洞进口采用正堰式驼峰堰[1]，弧形闸门控制，堰顶高程取898.0 m，拟定净宽11.0 m×7.0 m(宽×高)、12.0 m×7.0 m(宽×高)、13.0 m×7.0 m(宽×高)三个孔口方案进行比选。

1)泄流能力计算

堰型为开敞式驼峰实用堰，按《溢洪道设计规范》公式进行泄流能力计算[2]：

式中：Q为下泄流量，m3/s；B为总净宽，m；H0为计入流速水头的堰上总水头，m；c为上游堰坡影响系数；σs为淹没系数；m为实用堰流量系数；ε为闸墩侧收缩系数。按实用堰的闸墩侧收缩系数计算公式进行计算；n为闸孔数目；ζ0为中墩形状系数；ζk为边墩形状系数。

对三个孔口正堰方案进行各频率洪水下的泄流能力计算，成果见表1。

表1 各孔口尺寸方案泄流能力计算成果表

2)孔口方案技术经济比较

根据坝顶高程计算成果，坝顶高程控制工况为设计洪水工况，考虑调洪演算及坝顶高程取整，在不同孔口尺寸11.0 m×7.0 m、12.0 m×7.0 m、13.0 m×7.0 m三方案间的坝顶高程依次相差0.8 m、-0.50 m，堰宽改变相应影响坝体工程量和溢洪道工程量。综合以上考虑，对以上三个堰宽方案进行技术经济比较，见表2。

表2 各孔口方案技术经济指标比较表

从表2可知，三个不同宽孔口方案中，11.0 m×7.0 m方案和13.0 m×7.0 m方案较12.0 m×7.0 m方案投资分别增加161.9万元和233.5万元，12.0 m×7.0 m方案投资最省，因此本阶段选择12.0 m×7.0 m方案为正堰闸门比较方案。

(2)侧堰泄洪孔口尺寸选择

溢洪洞进口采用侧堰式驼峰堰，无闸门控制，堰顶高程与正常蓄水位相同，取905.0 m，拟定净宽25 m、30 m和35 m三个堰顶宽度方案进行比选。

1)泄流能力计算

对三个侧堰宽方案进行各频率洪水下的泄流能力计算成

果见表3(计算公式同上)。

表3 各孔口尺寸方案泄流能力计算成果表

2)孔口方案技术经济比较

根据坝顶高程计算成果，坝顶高程控制工况为设计洪水工况，考虑调洪演算及坝顶高程取整，25 m、30 m和35 m堰宽方案间的坝顶高程依次相差0.60 m和0.45 m，堰宽改变相应影响坝体工程量和溢洪洞控制段工程量。综合以上考虑，对三个堰宽方案进行技术经济比较，见表4。

表4 各孔口方案技术经济指标比较表

从表4可知，三个堰宽方案中，25 m方案和35 m方案较30 m方案投资分别增加222.2万元和243.3万元，30 m宽度方案投资最省，因此本阶段选择净宽30 m侧堰方案为侧堰比较方案。

(3)溢洪洞进水口正、侧堰方案比选

侧堰无闸控制明流溢洪洞方案(30 m)与正堰闸门控制溢洪洞方案(12.0 m×7.0 m)，两个方案技术经济比较见表5。

侧堰无闸控制明流溢洪洞方案比正堰闸门控制明流溢洪洞方案多1024.56万元，且正堰闸门控制明流溢洪洞方案进水条件优于侧堰无闸控制明流溢洪洞，故本阶段推荐采用正堰闸门控制明流溢洪洞方案。

2.3 溢洪洞出口设计

出口平洞段有约80 m长洞段的围岩主要处于崩坡积碎块石夹碎石土内，其边坡稳定性差，可采取提前进施工方案处理溢洪洞出口[3]。

2.4 溢洪洞结构布置

乌斯通沟水库泄水建筑物采用明流溢洪洞，溢洪洞位于右岸坝肩位置，与坝轴线夹角84.06°，采用正堰闸门控制进水口。采用底流消能。溢洪洞按50a一遇设计，1000a一遇校核。水库正常蓄水位为905.0 m。

洞身设计为城门洞形，门洞底宽为7.0 m，直墙高由11 m渐变为4.0 m，拱内半径为3.5 m；洞身段长293.37 m，按纵坡不同隧洞分为两段，在桩号X0+000～X0+051.22洞纵坡为1∶1，在桩号Y0+074.95至Y0+293.37洞纵坡为1∶34.3，两段之间以半径为35 m的圆弧相接；隧洞采用全断面衬砌，衬砌厚度为1 m。

溢洪洞内最大流速为38.1 m3/s，抗冲耐磨要求较高，参照国内外近年来已设计、施工及运行的同类工程所总结的经验，结合本工程特点，隧洞底板和侧墙采用C40，顶拱采用C25砼衬砌。

隧洞每6 m～10 m设置伸缩缝，伸缩缝宽为2 cm，并用高压聚乙烯泡沫板进行填缝处理，伸缩缝采用两道紫铜止水。全洞进行固结灌浆，固结灌浆孔孔距3 m，成梅花布置，深入岩体4 m。拱顶120°范围内进行回填灌浆，排距3 m，成梅花布置，深入岩体10 cm。由于隧洞是无压洞，在洞顶范围设置排水孔，孔距3 m。

3 结语

乌斯通水库是控制性水利工程，可解决灌区灌溉供需矛盾突出问题的同时，承担向核心工业园区供水调节的任务，社会效益显著，工程的建设对促进地区经济发展，提高居民生活水平具有积极的作用，在托克逊县水利发展和经济社会可持续发展中占有重要地位。乌斯通沟水库建成后可向乌斯通灌区供水1174万m3，向伊拉湖工业园及阿拉沟流域一般工业供水750万m3，对解决下游地区灌溉及工业供水紧张问题、缓解地下水超采局面具有重大意义。