峡谷高拱坝泄洪建筑物布置方案比选研究

黄 凯，符昌胜，张笮娜

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002)

1 前言

黔西县凹水河水库位于黔西县红林乡与大方县黄泥塘镇的界河西溪河上，西溪河属长江流域乌江水系的六冲河左岸一级支流。凹水河水库的主要任务是向黔西新规划县城供水，兼顾解决工程区附近的部分灌溉用水。大坝为碾压混凝土双曲拱坝，最大坝高153 m，水库正常蓄水位1287 m，水库总库容4669万m3，年供水量4275万m3，工程等别Ⅲ等，工程规模为中型。

凹水河水库工程枢纽位于“一线天”的非典型峡谷型河谷地带，河谷高陡险峻，异常狭窄(底宽仅6 m)，正常水位河谷宽高比为0.62，河道于坝后约130 m位置向左偏转约15°。另外受区域内成贵高铁和高速大桥影响，对水库泄洪建筑物布置带来较大困难，主要表现在：①因坝高153 m，水库泄流量大，落差较高，需考虑泄洪对下游河床冲刷影响；②泄洪水舌不得冲刷区域内高速大桥基础，对其造成安全隐患；③河谷极为狭窄，泄洪应尽量避免冲刷两岸。

2 泄水建筑物布置方案拟定

2.1 水库泄水取水要求

凹水河泄水建筑物主要有泄洪建筑物、放空建筑物和取水建筑物组成。

根据调洪计算，水库校核频率(0.1%)下泄洪水流量875 m3/s，设计频率(1%)下泄洪水流量693 m3/s，消能防冲频率(2%)下泄洪水流量577 m3/s，多年常遇频率(20%)下泄洪水流量251 m3/s。

水库正常蓄水位库容4479万m3，按5天放空计算，平均放空流量在100 m3/s左右。

水库取水流量2.117 m3/s，其中灌溉流量0.108 m3/s，供水流量1.999 m3/s。枢纽下放生态流量0.34 m3/s。其中灌溉流量和下放生态流量需采用分层取水等措施保证水温。

2.2 泄水建筑物布置比选方案的拟定

高拱坝枢纽泄水建筑物类型主要有表孔、中孔、放空底孔和取水口。

(1)对于表孔布置可选方案有坝顶、左岸和右岸。两岸布置采用竖井旋流消能，其中左岸布置方案下平洞可利用导流洞改造而成，岸边表孔方案左岸较优。因此表孔布置比选方案有坝顶表孔和左岸表孔2种。

(2)对于中孔布置可选方案有坝顶、左岸和右岸。两岸布置采用竖井旋流消能，其中左岸布置方案下平洞可利用导流洞改造而成，岸边中孔方案左岸较优。因此中孔布置比选方案有坝身中孔和左岸中孔2种。

(3)对于放空底孔布置考虑到结合利用的经济合理性，可选有放空底孔兼取水和放空底孔兼泄洪。底孔兼取水时泄洪中孔独立布置，底孔兼泄洪时取水口独立布置。

(4)对于独立布置的取水口可选方案有坝身、左岸和右岸，其中右岸和坝身布置都可以利用右岸基坑隧洞进行管道铺设，投资少，运行管理方便，因此不考虑独立取水口布置于左岸。

其中表孔闸门工作水头低，便于小流量控制常年洪水，超泄能力强，水库安全性好，因此不宜取消。底孔因具备放空、取水功能，不得高于死水位，因此不能取消。中孔可结合其他建筑物布置进行取舍。

综上分析后组合，初步拟定布置方案并进行优缺点比较，见表1。

表1 枢纽泄水建筑物布置方案初步对比表

由表1可见，泄水建筑物布置比选主要体现在表孔布置和放空底孔所兼功能，因此方案比选按两个阶段进行，先进行泄洪表孔的布置比选，再进行底孔兼顾功能布置比选。

3 泄水建筑物布置方案比选

3.1 表孔布置方案比选

(1)坝顶表孔方案

坝顶溢洪道位于坝中河床段，设2孔溢流表孔，采用2孔5 m×5 m的闸门控制，堰顶高程1282 m，溢流堰采用WES型实用堰，堰顶下游堰面采用WES曲线。为使得两孔水舌在河床落点错开分布，左右两个表孔分别采用挑流和跌流消能。左侧表孔堰面曲线后接半径9 m的反弧段，反弧中心角53.13°，反护段下游侧采用水平挑流，鼻坎高程1271.826 m。右表孔采用跌流消能，不设挑坎，末端坡面坡比1∶1.25。

图1 坝顶表孔剖面图

(2)左岸岸边表孔方案

左岸竖井溢洪道由进口控制段、上平段泄槽、起旋室、旋流竖井和下部出水洞组成，整体呈L形布置，上平段和下部出水洞夹角116.073°。进口控制段长18.25 m，布置2孔弧形闸门，孔口尺寸5 m×5 m，堰顶高程1282.00 m，堰型采用WES实用堰。上平段泄槽为收缩布置，长33.83 m，泄槽宽由5 m收缩至2.65 m，两侧边墙夹角4.5°，泄槽底坡8.5%，采用封闭箱型结构，底板及边墙厚1.2 m，采用C30钢筋混凝土。泄槽末端接起旋室，起旋室为竖向桶形，内径7.5 m，高19.31 m。起旋室下部采用5.7 m高的收缩段与下部旋流竖井相接，竖井底板高程1151.04 m，井深14.45 m，内径5.7 m，C30钢筋混凝土衬砌厚0.75 m。下部出水洞为城门洞型，利用导流洞改造而成，长261 m，隧洞净宽6 m，净高7 m，C30钢筋混凝土衬砌厚0.75 m。

(3)方案比选

1)地形地质条件

从地形地质条件来看，坝身泄洪方案不涉及开挖回填，对于岸边泄洪洞来说，在岩溶地区进行洞室开挖施工，有一定工程风险。因此坝顶表孔方案较优。

2)水力学条件

岸边表孔+竖井泄洪洞能在洞内消耗大部分水体动能，减少下游冲刷，坝顶泄洪受下游狭窄河谷影响，易造成一定的冲刷，同时还有泄洪雾化的，对两岸边坡表层风化岩体稳定不利。因此从水力学条件来说岸边方案优。

3)工程布置

从工程布置方面看坝顶表孔方案布置紧凑，但表孔和下部底孔泄洪需在平面错开，存在一定的干扰。左岸表孔+竖井方案避免了坝身泄洪建筑物的干扰。因此从工程布置来看，左岸方案较优。

4)施工临时措施

从施工组织方面来看，坝顶表孔方案施工条件较好，与其他建筑物施工干扰小。左岸表孔方案施工时，表孔位于导流洞进口上方，进口开挖易造成下部导流洞进口受损，此外因河岸地形陡峭，上平段出渣困难。竖井段开挖出渣需经导流洞运输，且需在导流之前完成开挖，施工干扰大，导流前的施工工程量大，工期紧张。因此从施工组织方面看，坝顶泄洪方案优。

5)工程投资

根据两种布置方案工程量计算成果进行工程投资对比计算，经计算坝顶表孔投资为956万元，左岸表孔投资为4539万元。坝顶表孔方案投资明显节省。若再考虑施工临时措施投资差异，两者投资差异更大。

由上述综合比较可见，岸边表孔方案除了在泄洪消能方案和枢纽布置方面有优势，其余均不如坝顶泄洪方案，且工程投资是表孔方案的4.7倍，投资明显偏大，加之施工组织干扰大，施工困难，因此本阶段表孔泄洪布置方案采用坝顶泄洪。

3.2 底孔兼顾功能比选

由比选可知，泄洪表孔推荐采用坝顶布置方案，根据泄水建筑物初步拟定方案，配合确定的坝顶表孔方案，仅需对方案②及方案⑦进行对比。

(1)方案②(坝顶表孔+坝身泄洪中孔+放空兼取水底孔)

方案②泄洪、放空、取水均布置于坝上，下游河道狭窄，且在坝后约130 m位置向左偏转约15°，因此结合各泄水建筑物挑距进行布置。中孔挑距最远(底孔放空时水位已下降至中孔附近，挑距没有中孔远)，结合河道向左转弯，因此将中孔布置于表孔右侧，水舌方向与转弯后的河道基本一致。放空兼取水底孔若布置于表孔另一侧，水库水位低时，小流量水舌将落在坝后抗滑岩体上，对大坝安全不利，因此将底孔布置于两个表孔中间，将表孔间距增加3.6 m，并适当增加偏转角度。

(2)方案⑦(坝顶表孔+放空兼取泄洪底孔+右岸取水口)

凹水河坝址下游河道狭窄，且在坝后约130 m位置向左偏转约15°，若将泄洪底孔置于两个表孔中间，在联合泄洪时，易造成表孔水舌和底孔水舌空中碰撞，影响水舌落点，造成河岸冲刷，因此结合下游河道走向将泄洪底孔置于表孔右侧，使得水舌方向与下游河道基本一致。坝顶表孔及坝身底孔泄洪落点示意图见图2。

图2 坝顶表孔及坝身底孔泄洪落点图

坝身泄洪兼放空底孔位于坝身右侧紧靠表孔位置，总长49.1 m，底板高程1206.00 m，进口设置3 m×5.5 m(宽×高)平板事故检修闸门，出口设3 m×4.5 m(宽×高)弧形工作闸门，出口采用窄缝挑流消能。

取水口位于库首右岸岸坡，距离拱坝上游面约30 m，取水流量包含供水流量、灌溉流量和下放生态流量。取水口底板高程1207.50 m，顶部高程1290.50 m，其上设移动式台车启闭机及相应的启闭设备。闸门井1206.00 m～1246.00 m高程的尺寸7.0 m×15.5 m，1246.00 m～1290.50 m的尺寸9.0 m×15.5 m。取水口闸门井依次设置拦污栅、分层取水叠梁门、事故检修闸门。

(3)方案比选

1)地形地质条件

从地形地质条件来看，方案②取水隧洞开挖位于右坝肩下游，方案⑦取水隧洞位于右坝肩上游和右侧，取水口距离大坝和导流洞进口较近，对开挖边坡稳定性要求高，因此方案②较优。

2)水力学条件

对于泄洪，方案②受底孔布置影响，表孔间距较宽，使得水舌冲刷方向与下游河道方向有一定的夹角，此外因表孔外扩，右表孔与中孔间距更近，两个水舌联合泄洪时易干扰。

对于取水，方案②取水钢管由底孔出坝后垂直接入，水流条件不如方案⑦的顺向过流。方案②在水库放空时，受放空流速影响，取水管进口易产生负压，影响泵站取水，进口叠梁闸门和拦污栅需全部取出，也不利于取水管防污。因此从水力学条件来说方案⑦更优。

3)工程布置

从工程布置方面看，方案②布置紧凑，但存在坝身开孔较多，泄水建筑物拥挤相互干扰的问题。方案⑦将放空功能和取水功能分开，高速水流运行和低速水流运行分开，互不干扰，因此从工程布置来看，方案⑦较优。

4)施工临时措施

从施工组织方面来看，方案②坝身附属建筑物较多，施工干扰大。方案⑦取水系统独立布置，施工干扰小。因此从施工组织方面看，方案⑦较优。

5)工程投资

根据两种布置方案工程量计算成果进行工程投资对比，方案②(坝顶表孔+坝身泄洪中孔+放空兼取水底孔)总投资为7198万元，方案⑦(坝顶表孔+放空兼取泄洪底孔+右岸取水口)总投资为7045万元，两个方案总投资相近，其中方案⑦投资较节省。

6)运行管理

从运行管理方面来看，方案⑦取水与放空分开布置，在水库放空过程对取水影响小，方案②在放空时，需将全部叠梁和拦污栅取出，运行管理繁琐。因此从运行管理方面来说方案⑦优。

由上述综合比较可见，从工程布置、水力学条件、施工临时和工程投资等方面，方案⑦均优于方案②，因此本阶段推荐采用方案⑦，枢纽泄水建筑物布置采用坝顶表孔+坝身放空兼泄洪底孔+岸边取水口。

根据上述综合比选，推荐采用坝顶双表孔+底孔型式布置。并经水力模型实验验证，本工程泄水建筑物比选推荐结果合理可靠，充分利用河道长度方向，有效避免高坝泄洪对狭窄河谷的影响。

4 结论

本文从地质条件、水利条件、工程投资、运行管理等方面对表孔及底孔进行比选，最终推荐采用坝顶双表孔+底孔型式布置。受拱坝下游河道向左侧转弯的影响，对于挑距最远的底孔考虑布置于右侧，使得水舌方向与下游河道方向尽量吻合。受下游狭窄河道影响，为充分利用河道长度方向、减少狭窄河谷宽度上的影响，设计考虑左表孔采用挑流消能，右表孔采用跌流消能，使得三个水舌纵向错开，根据水力学模型试验验证，设计布置合理可靠，对同类工程有一定参考意义。