库中库工程设计要点探讨

周恋彬，杨 晓

（1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,湖南 长沙 410014；2.湖南省建筑设计院集团有限公司,湖南 长沙 410208）

1 引言

大中型水利水电枢纽工程建成蓄水后,形成水库淹没区,对上游河段产生一定影响。首先,库区上游河段会产生明显的消落带。大中型水利水电枢纽工程通常具备多种工程任务,其中防洪为主要工程任务,各枢纽工程在汛期运行调度时需将水位控制在汛限水位以下,而汛期结束水位逐渐回蓄至正常蓄水位,年复循环,上游河段将形成明显的消落带,高达十余米甚至数十米。其次,枢纽工程建成后库区内水流流速大幅减缓,水体置换显著减慢,水体自净能力下降,库内污染物滞留,库区极易形成污染带[1]。两种影响叠加下,下游大中型枢纽工程水位下降后,上游消落带区域生态面貌极差。布满淤泥残渣的消落带区域景观效果差、恶臭扑鼻、滋生蚊虫和病菌,影响生态景观与周边居民健康。

在枢纽工程上游库区内兴建大坝工程,可减少消落带高度,显著削弱消落带区域产生的不利影响,同时使大坝上游形成稳定的水位,进而打造水域景观。这种在库区内兴建大坝用以调节上游水位的工程称为水位调节坝工程,又称为库中库工程。国内的首个库中库工程就是重庆开州区的汉丰湖。汉丰湖位于三峡工程库区内,采用混合型闸坝型式,坝址位于长江一级支流小江上。汉丰湖建成后将消落带高度由18.5 m降为4.72 m,上游消落面积也由24 km2减小至3.06 km2,并形成14.5 km2的稳定水域面积,使得开州城区及其周边生态环境得到根本性改善[2]。

库中库工程建设于水库中,主要工程任务为调节上游水位,其所处环境和工作条件比常规水库工程复杂,需区别于常规水库工程进行设计。

2 库中库工程设计要点

2.1 挡水建筑物

库中库工程修建于水库中,其挡水建筑物的任务仅调节上游水位,需考虑仅上游面挡水和双面挡水两种工况,对防渗要求较低。

2.1.1 土石坝设计要求分析

常规水库工程中土石坝仅上游坝面挡水,上游坝面存在水位骤降工况,下游坝面不临水,水工设计中上游坝坡一般缓于下游坝坡。上游坝面挡水,坝坡护坡设计需满足抗冲刷与排水要求,常常采用砌石、预制混凝土块、现浇混凝土板等型式。下游坝面不挡水,仅考虑雨水冲刷防护,因此护坡设计常常结合景观效果,采用网格梁和植草的型式。为降低坝体浸润线,防止下游逸出处变形和冻胀破坏,通常在下游坝坡底部设置排水体,排水体设计要求排水体高程应高于下游水位[3]。

库中库工程中土石坝存在双面挡水的工况,下游坝面设计也需要考虑挡水情形,下游坝坡稳定分析需着重考虑下游坝面水位骤降工况。为满足坝坡稳定,下游坝坡坡度设计较缓。考虑满足防冲刷破坏和排水等要求,下游坝坡护坡设计同上游坝坡,采用砌石、预制混凝土块、现浇混凝土板等型式。下游坝面存在挡水情形,下游棱体排水与褥垫式排水体设置位置应提高甚至取消,底部设置贴坡排水并与下游护坡相衔接,以保护下游坝面。若在底部设置棱体排水体或褥垫排水体,下游高水位时坝体底部水压力过大,将对坝体结构安全产生不利影响。

2.1.2 重力坝设计要求分析

常规水库工程中重力坝非溢流坝段断面呈三角形,在运行期上游静水压力作用下大坝坝踵受拉、坝趾受压,大坝重心靠近坝踵,产生与上游静水压力方向相反的力矩,改善坝踵和坝趾应力状况。为减小渗漏及扬压力,重力坝上游面、溢流坝面、下游坝面水位以下均设置止水。为减小水体对坝体带来的不利影响,坝体内部设置排水管,排水管的水流汇集后,通过水泵抽排或者自流形式从下游面排出[4]。重力坝由于各部位工作条件及受力工况的不同,对混凝土性能要求也不相同。为满足不同部位对混凝土的要求,同时节省投资,坝体混凝土设计常常分区设置,选用不同强度等级和性能的混凝土。其中下游坝面水位以下坝体外层分区要求混凝土材料满足一定抗渗、抗侵蚀等级要求,下游水位以上坝体外层分区则无抗渗与抗侵蚀要求。

库中库工程重力坝下游坝面存在挡水情形,坝体断面型式与坝体构造设计方面有许多区别于常规水库工程重力坝设计的特点。存在双面挡水工况导致下游静水压力产生的力矩较大,与上游静水压力产生的力矩方向相反,坝体重心设计应向下游侧偏移以改善坝踵与坝趾应力状况,减小下游静水压力对坝基应力带来的影响。库中库工程设计中对防渗要求低,但为控制扬压力大小,大坝下游面水位以上应同上游面一样设置止水,避免下游水从坝体横缝渗入坝体,进而导致扬压力剧增。下游坝面存在挡水情形,坝体排水无法通过自流形式从下游排出,往往采用水泵抽排形式。下游坝面坝体分区也应调整,要求具有抗渗和抗侵蚀特性的分区应延伸至下游坝面最高水位以上,以保证下游坝面充分满足工作条件要求。

2.2 泄水建筑物

库中库工程存在仅上游面挡水与双面挡水两种工况,泄水建筑物设计应同时满足这两种工况。库中库工程建于水库中,建坝前坝址处过流断面大而流速较小,避免建坝后产生明显水位雍高,造成二次淹没损失,库中库工程泄水建筑物过流断面应足够大,以便洪水平顺通过坝址断面。

库中库工程汛期为满足下游大中型枢纽工程防洪调度要求,水位处于汛限水位以下,下游水位较低,泄水建筑物基本外露,等同于常规水库工程。汛期库中库工程需按照全年最大洪水标准进行泄水建筑物及消能防冲建筑物设计,其溢洪道边墙高度、消力池长与池深、护坦厚度、海漫长度、挑流鼻坎高程与角度、水舌抛距、混凝土耐久性等均应满足相关要求。

汛期过后,根据下游大中型枢纽工程防洪调度要求及水文特点,分析确定库中库工程泄水建筑物洪水标准。下游蓄水回升,库中库工程泄水建筑物基本被淹没在水下,泄槽与消能防冲设施不发挥效益,但其设计需考虑满足长时间淹没于水下的要求。此时,泄水建筑物泄流基本为淹没出流,泄流能力低于堰流情况（下游低水位）,坝前洪水位高于下游低水位工况下同频率洪水位。下游大中型枢纽工程水位往往在汛期结束不久后,便回蓄至正常蓄水位,而结合水文分析此时有可能出现全年最大洪水。因此,双面挡水工况往往决定库中库工程的泄水建筑物过流断面和特征洪水位。

库中库工程为满足泄流能力要求,其溢洪道控制段顶高程一般显著低于下游大中型枢纽工程正常蓄水位,有利于通航。库中库工程主要任务为减少上游消落带影响,设计时需尽量减少上游消落带高度,往往在泄水建筑物底板上设计活动型壅水建筑物[5]。下游低水位时,壅水建筑物竖立挡水,以保证上游水位高度；遭遇洪水时迅速倒下,以满足泄流要求[6]。下游高水位时,壅水建筑物倒下,满足泄流和通航要求,加速库区水体置换。

2.3 施工导流

枯水期洪峰流量较全年洪峰流量小,常规水库工程往往利用枯水期施工,可减小围堰与导流建筑物规模,节省投资和加快施工进度。但库中库工程枯水期时,下游大中型枢纽工程蓄水位一般较高,导致库中库工程施工不便。而汛期时,下游水位下降,为库中库工程施工带来便利,应抓住这个关键时期加紧施工。

3 工程案例

贵州省八吝大坝工程建设于龙滩水库库区内,主要开发任务是减小龙滩水库消落带影响,同时打造城市水域景观。龙滩水库正常蓄水位375 m,该水库正常蓄水位为373.00 m,总库容4300 万m3,属Ⅲ等中型工程。水库建成后,可使上游形成永久水域面积2.55 km2,消落带高度由34 m减小至2 m,为罗甸县城区域附近生态环境带来根本性改善。

该工程采用碾压土石坝方案,土石坝与围堰结合布置,坝顶高程382 m,最大坝高51 m,坝顶宽20 m,坝顶长度249 m,上下游坝坡坡比均为1∶3.5,防渗体为黏土心墙。上下游坝坡均采用砌石护坡,下垫砂砾石与土工布。下游坝坡底部设置贴坡排水,下游围堰与坝体下游结合处设置褥垫排水,高程为365 m。

施工导流分三期,第一期导流时间为第一年2月～7月；第二期导流时间为第二年全年,土石坝与溢洪道赶在汛期修建好,汛期后坝体基本填筑至设计顶高程,利用坝体拦洪度汛；第三期导流时间为第三年3月～6月。本工程施工导流均选用下游水位较低的汛期作为施工高峰期,各导流分期围堰高度均较低,最高围堰高度27 m。目前,该工程已施工完毕,开始下闸蓄水,工程运行良好。

4 结论

建设库中库工程可有效解决上游消落带带来的问题,其存在仅上游面挡水与双面挡水两种工况,应区别于常规水库工程进行设计。

库中库工程挡水建筑物应着重考虑双面挡水工况,土石坝在下游坝坡坡比、护坡、排水体设计方面需特殊考虑,重力坝在断面型式、坝体排水与下游止水、下游坝面分区设计方面需特殊考虑。泄水建筑物一般由双面挡水工况决定规模和特征洪水位,由上游面挡水工况决定泄水建筑物及其消能防冲建筑物具体型式与尺寸。泄水建筑物常设置活动型壅水建筑物,以同时满足维持上游高水位、泄流能力、通航等要求。库中库工程施工利用下游枢纽工程汛期低水位条件,以减小围堰与导流建筑物规模。

库中库工程设计需充分考虑双面挡水工况,分析各建筑物下游面挡水的环境与条件,结合各建筑物设计要求针对进行分析论证,保证各建筑物在双面挡水情况下也能安全运行。