观景口水利枢纽坝枢工程设计

2021-10-27曾令华陈辉煌职承杰

中国水利 2021年19期

曾令华，朱勤，陈辉煌，张洋，职承杰

（水利部长江治理与保护重点实验室，长江设计集团有限公司，430010，武汉）

一、工程概况

观景口水利枢纽是重庆市重点水源工程之一，位于巴南区五布河干流上，水库坝址位于巴南区东温泉镇上游约4.5 km的双胜村，距重庆市市中心约50 km。工程的主要任务是以城市供水为主，同时兼顾沿线小城镇、农业灌溉及农村用水。水库正常蓄水位281.00 m，死水位254.00 m，设计洪水位281.32 m，校核洪水位283.03 m，水库总库容1.52亿m3，调节库容1.19亿m3。输水工程线路总长24.965km，设计输水流量4.76m3/s，加大输水流量5.76 m3/s。

该工程为Ⅱ等大（2）型工程。主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级。主要建筑物包括水库大坝、泄水建筑物及输水建筑物（进水口、隧洞、管桥、埋涵、渡槽等）、永久支洞、控制建筑物（检修口和分水口）及提水泵站等。坝址位于五步河、芦沟河两条河交叉口下游，工程岩石条件较好，采用围堰一次性分别截断芦沟河、五步河，并各建1条隧洞导流。施工期采用导流隧洞泄洪，前期利用围堰挡水，坝体在汛前上升至度汛断面高度后利用坝体挡水，坝体全年施工，主体工程完工后，右岸导流隧洞下闸挡水，并用混凝土封堵；左岸导流隧洞作为正常运行的泄洪兼放空洞。

坝址区多年年平均降水量为1 102 mm，多年年平均气温18.3℃，累年最大10 min平均风速15.0 m/s，多年10 min平均最大风速9.86 m/s，多年年平均输沙量24.2万t。

2.坝址区地形地质条件

1.水文气象条件

坝址多年平均径流量2.36亿m3，100年一遇设计流量1 500 m3/s，2000年一遇校核流量2 400 m3/s。坝址不同频率洪峰流量见表1。

表1 坝址各频率洪峰流量

（1）地形

坝址位于五布河干流，上距芦沟河与五布河交汇处约50 m。在坝线附近，五布河流向为SE-NW向，在坝线下游约500 m转为NE向。河谷为不甚对称的“V”形谷。两岸地形坡度为20°～30°，局部超过35°。左岸山顶高程328 m，右岸山顶高程376 m，河床高程约228 m，岸坡高差100～150 m。枯水期河水面宽度60 m左右，水深0.5～3.5 m。

坝址两岸冲沟较发育，大小不一，多与河谷近直交，并下切至河床。沟谷底部多覆盖有冲洪积物。

（2）地层岩性

坝址区出露地层有侏罗系上中统自流井组（J1-2z），中统新田沟组（J2x）、下沙溪庙组（J2xs）、上沙溪庙组（J2s），以及第四系松散堆积物。

大坝地基主要为侏罗系中统上沙溪庙组第一段（J2s1）、第二段（J2s2）。按岩性组合，第一段地层分为二小层，第二段地层分为五小层。第一段第一小层（J2s1-1）和第二段的第一、三、五小层（J2s2-1、J2s2-3、J2s2-5）为厚度20～30m的砂岩，第一段第二小层（J2s1-2）、第二段第二和四小层（J2s2-2、J2s2-4）岩性为泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩，局部夹砂岩。

地层为单斜构造，走向NE20°～45°，倾向SE，倾角32°～50°。

岩体总体透水性较弱，但很不均匀，弱风化岩体大多数试段透水率小于5Lu，微新岩体大多数试段透水率小于3Lu，基本属于弱透水性—微透水性，局部属于中等透水性。

二、工程布置

观景口水利枢纽由主坝、副坝、右岸岸坡式溢洪道、左岸泄洪放空洞、输水工程取水口、提水泵站、生态放水管等建筑物组成。

主坝为混凝土面板堆石坝，布置在五步河与芦沟河交汇处下游的主河槽上；副坝2座，均为石渣坝，布置在主坝左岸两个垭口部位；溢洪道为开敞式岸边溢洪道，紧邻主坝布置在其右侧；泄洪放空洞布置在五布河左岸，距左坝肩直线距离约150 m，施工期用于五布河导流，运行期用于泄洪并兼做水库放空用；输水工程取水口和生态放水管共用进水口，布置在大坝左岸约400 m处一冲沟内，取水口采用岸边塔式型式；提水泵站布置在桐子垭口下游花生基（距输水工程取水口约0.24 km），厂区由主厂房、副厂房和出水池等组成；上坝公路位于主坝右岸，与S105省道相连。

观景口大坝面板浇筑

三、主要建筑物设计

1.混凝土面板堆石坝

主坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程为284.80 m，防浪墙顶高程为285.10 m，最大坝高64.8 m，坝顶宽度7.54 m，坝顶轴线长312.3 m，上、下游坝坡均为1∶1.4。面板顶部厚度为30 cm，底部最大厚度50 cm，分缝间距中间16 m，两岸8 m。趾板型式为平趾板，置于弱风化中上部，趾板厚度40 cm、宽度5.0 m，河床部位后接2.0 m的防渗板。

坝体填筑分区从上游至下游分别为垫层区、过渡层、主堆石区、下游堆石区和草皮护坡。上游坝脚设黏土铺盖和任意料铺盖压重区。

上游铺盖区（1A）：位于面板上游，顶高程247.0 m，顶宽3.0 m，上游坡度1∶1.6，采用黏土等防渗料，最大粒径0.2～5 mm，黏粒含量30%以上，渗透系数小于1×10-5cm/s。

上游盖重区（1B）：位于上游防渗铺盖区之上，顶高程248.0 m，顶宽5.0 m，上游坡度1∶2.5，采用开挖弃渣料粗粒料填筑，对1A区起保护作用。

垫层料区（2A）：位于钢筋混凝土面板下部，采用3m宽等厚设计，控制最大粒径80mm，小于5mm颗粒含量35%～50%，小于0.075 mm的颗径含量5%～7%，级配连续，孔隙率控制在16%。

特殊垫层区（2B）：位于周边缝下游侧垫层区内，作为对上游黏土铺盖(1A区)的反滤层，具有良好的反滤和滞留细颗粒的自愈功能，孔隙率控制在16%。

过渡料区（3A）：位于垫层料与主堆石区之间，水平宽度3 m，最大粒径300 mm，小于5 mm颗粒含量10%～25%，小于0.1 mm的颗粒含量不超过5%，级配连续，孔隙率控制在18%。

主堆石区（3B）：采用微新灰岩料，最大粒径800 mm，小于5 mm颗粒含量5%～15%，小于0.1 mm的颗粒含量不超过5%，孔隙率控制在20%。

下游堆石区（3C）：基本采用与主堆石区相同坝料。堆石料设计指标与主堆石区相近，孔隙率控制略高于主堆石区。

下游坝坡（P）：下游坝面在混凝土格构内铺设0.3 m腐殖土，采用草皮护坡，草皮护坡自坝顶至243.9 m高程，243.9 m高程以下坝脚采用超径块石压坡。

2.溢洪道

溢洪道布置在大坝右岸岸边，紧邻主坝，溢洪道轴线与大坝轴线夹角为167°21′24″。溢洪道采用2孔开敞式方案，设计和校核工况下最大泄量分别为769 m3/s和986 m3/s。

溢洪道全长576.58 m，由上游引渠段、闸室控制段、泄槽段、消力池及下游防护段组成，上游引渠段全长82.78 m，闸室控制段上游40 m为矩形断面，向上游为14 m长的单侧渐变段，再向上为单侧贴坡梯形断面（坡比1∶1.0）；右侧导墙墙顶高程283.5 m，左侧导墙近闸室20 m墙顶高程为283.5 m，向上游20 m左侧墙顶高程渐降至281.5m。靠近闸室40m段底板采用3.0 m厚钢筋混凝土护底，其上游为i=0.025的倒坡，采用0.5 m混凝土护底。

闸室控制段长27m，整体式结构，共2孔，每孔宽10.0 m，中墩厚2.0 m。溢洪道采用驼峰堰堰形，堰顶高程273.5 m，闸底板基底高程269.0 m，闸顶高程285.10 m，闸室前端交通桥宽6.0 m。

泄槽段全长222.50 m，矩形断面，槽宽22.0 m，底坡i=0.222，底板前段厚70 cm，接近消力池段45.5 m范围底板厚200 cm。

消力池形式为综合式消力池，采用单面扩散，河道一侧扩散角为5.193°，净宽从22.0 m扩散至28.0 m，池长69.0 m，池深6.0 m，坎高2.0 m，消力池底板厚3～4 m。

消力坎后接海漫段，海漫长50.9 m，采用1.0 m厚混凝土护底，海漫后设浆砌石尾水渠段，长124.4 m。

3.泄洪放空洞

泄洪放空洞运行期用于泄洪兼放空用，施工期用于五布河导流，设计和校核洪工况下最大泄量分别为504 m3/s、518 m3/s。

泄洪放空洞布置在五布河左岸，距大坝直线距离约150 m，为龙抬头形式。泄洪放空洞总长495.22 m，由引渠段、进口控制段、洞身段、出口连接和消能段组成。引渠段长44 m，底板高程245.5 m，平底。控制段长29.0 m，为岸边式进水塔，底板高程246.5 m，进水塔塔顶平台高程285.1 m，控制段设平板事故检修门和弧形工作闸门，弧门前为有压段，后为明流段，有压段出口尺寸5.0 m×5.15 m（宽×高）。洞身段长298.22 m，其中前段为射流竖曲线、陡坡及反弧段，水平长62.21 m，前接进水塔明流段，其后为底坡i=0.16%的城门洞形隧洞，长236 m，前后段断面均为城门洞形，7.25 m×5.6 m（宽×高）。出口连接及消能段长124m，其中出口埋涵段长14.0 m，陡坡段长20.0 m，消力池长60.0 m，护坦段长30.0 m，其后为海漫。

观景口水库分层取水塔

4.输水取水口及生态放水管

输水工程取水口采用岸边式进水塔，布置于大坝左岸岸坡，距主坝坝头约为400 m，采用叠梁门式分层取水。输水工程设计输水流量为4.76 m3/s，加大输水流量为5.76 m3/s。

进水塔前引渠长273 m，进口引渠底宽4 m，引渠底板高程245.50 m。

进水塔建基面高程243.50 m，进口底板高程为246.00 m，进水塔顺水流向长20.2 m，宽18.3 m（其中门库宽7.8 m）。进水塔设置有拦污栅、分层取水叠梁门、事故闸门，孔口宽度均为5 m，事故闸门孔口高5.0 m。

进水塔塔顶设检修平台，平台顶高程285.10 m，塔顶检修平台通过交通桥连接岸坡，交通桥宽5.0 m，通至连接主坝的公路。

进水压力总管长164.49 m，共分为3段，进水总管内径取为5.0 m和4.5 m，靠近进水口114.36 m采用钢筋混凝土衬砌，内径5.0 m，衬砌厚度0.5 m，后接8 m渐变段；中间23.53 m采用钢板衬砌外包50 cm素混凝土，内径4.5 m；后18.6 m为明敷钢管外包钢筋混凝土。

生态放水管和输水工程取水口共用同一进水口、输水隧洞和进水总管，在进水总管斜分至泵站进水支管前引出内径1.5 m放水管，后接控制阀室导入泵站区的排水明渠，最后经沟南-2放入泄洪放空洞下游消力池，进入五步河河道。生态放水管最大下泄流量2.587 m3/s，其中生态流量2.25 m3/s，东温泉镇灌溉及农村饮水0.337m3/s。

5.提水泵站

提水泵站布置在桐子垭口下游花生基（距进水口约0.24 km），厂区由主厂房、副厂房和出水池等组成。

厂区地面高程253.30 m，高于沟南-2（D1断面）200年一遇校核洪水位249.25 m。进厂道路在管理区右侧，与厂区至泵站的运行检修道路相连。

主厂房机组中心线基本与上、下游等高线平行。水泵进、出水管中心线高程248.00 m，主厂房尺寸62.3 m×15.6 m×19.1 m，地面以上高度为12.50 m，地面以下高度为8.1 m。主厂房内布置6台卧式单级双吸离心泵，其中4台大机组2台小机组，一字形布置，大机组间距8.5 m，小机组间距6.4 m，安装间布置于主厂房右侧，底宽12.8 m。主厂房分3层布置，为机组层、盘柜层和安装间层。

副厂房位于主厂房下游侧，与主厂房构成整体基础，上部长62.3 m、宽8.3 m，共分3层，地上2层、地下1层。

泵站进水系统接上游进水压力总管，泵站采用侧向进水、正向出水，泵站出水侧布置2根出水总管，内径分别为1.8m和0.8m，其中4台大机组每2根出水支管汇成1根岔管，2根岔管汇成出水总管。出水总管内径1.8m，2台小机组出水支管汇成的出水总管内径为0.8 m。进水总管直径4.5 m，进水支管内径分别为1.2m、0.6m，出水支管内径分别为1.0m、0.5m。总管、岔管、支管全部采用明敷钢管外包混凝土。

出水池布置在距离机组中心线下游146.31 m处的山顶，设出水平台，出水池底面为矩形，出水池底顺水流向长39.92 m，垂直水流向宽21.82 m。出水池进口端及右侧池边墙直立，出口端及左侧为开挖坡1∶0.7的斜坡面，坡面采用20cm厚钢筋混凝土护坡。池顶高程303.00m，池底顶高程293.0m，出水池中心线桩号0+385.982 m。出水池四周设排水沟。

四、工程施工相关优化

施工图设计阶段，根据工程建设实际情况，经技术经济综合比较后主要对导流洞线路布置、大坝趾板宽度、泄洪放空洞进口竖线以及大坝坝顶宽度进行了局部优化和调整。

1.导流洞线路布置调整

为满足工程当年开工当年截流的进度要求，将右岸导流洞进口位置向下游平移至距坝轴线上游约195 m山坳处，导流洞出口位置向上游平移至距坝轴线下游150 m右岸山坡，导流洞后段从溢洪道泄槽底板的岩层中穿过。导流洞原出口为泥岩、泥质粉砂岩局部夹砂岩，出口段约200 m洞顶围岩厚度小，成洞条件较差，调整后出口为泥质粉砂岩、粉砂岩互层夹砂岩，岩层产状倾向155°，倾角42°，隧洞进口轴线与岩层面夹角65°，导流洞出口与岩层面近似正交，对洞室及出口边坡稳定较为有利。导流洞出口位置调整后，隧洞结构断面及纵坡不变，过流能力有所增加，上游最高水位略有降低，导流洞长度由700 m缩短至350 m，导流洞施工工期显著减少。

工程施工期，导流隧洞过流后，溢洪道泄槽进行土石方开挖和混凝土浇筑，调整后导流隧洞后段与溢洪道成约30°立体斜交，最小厚度为7.3 m，按浅埋隧洞对导流洞后段进行了复核，复核结果表明导流洞衬砌结构满足要求，工程施工期不会对溢洪道泄槽底板造成不利影响。

工程运行期，为确保泄槽底板安全，在下闸蓄水后对导流桩号DL0+269～DL0+324段进行混凝土封堵和灌浆处理。

2.趾板宽度优化

本工程大坝趾板采用平趾板，规范规定趾板宽度由趾板基础岩体的允许水力梯度确定，本工程趾板位于弱风化岩石中上部，基岩以泥岩为主，初步设计阶段，最大趾板宽度按1/10倍水头考虑，同时满足趾板自身稳定和起到帷幕灌浆压浆板的作用，趾板宽度采用6.0 m，厚度0.4 m，略小于面板底部厚度。

施工详图阶段，为减少趾板上游侧开挖工程量，将河床部位最大趾板宽度由6 m减小至5 m，同时在趾板下游侧（左侧高程241.0 m以下、右侧高程242.3 m以下）增加2 m宽的防渗板，两岸趾板宽度均为5 m，不设防渗板。

考虑趾板下游防渗板宽度后，趾板基础岩体最大水力梯度为9.0；无下游防渗板的趾板基础岩体最大水力梯度为9.2，满足规范要求。

3.左岸泄洪放空洞进口竖曲线调整

初步设计图中，进水塔后的隧洞进口陡坡段由两段半径为50 m的圆弧（洞底、洞顶）组成，参照《混凝土重力坝设计规范》（SL 319—2018），坝身泄水孔体形，进水塔工作弧门后明流段竖曲线常设计为抛物线，泄洪放空洞在下泄设计洪水时，孔口流速为25.8 m/s，施工详图时，隧洞进口陡坡段修改为由抛物线（方程）接1∶4的斜坡及半径57.25 m反弧（洞底）组成，修改后的隧洞底坡与水流更贴合，体型更合理，减小水流冲击隧洞顶部的风险。