金卢水库大坝泄水建筑物自由溢流与建闸方案比选

2022-04-13刘蒙娜耿昕张艺

河南水利与南水北调 2022年3期

刘蒙娜，耿昕，张艺

（河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州 450016）

1 工程概况

金卢水库以防洪、供水为主，兼顾农业灌溉和发电。坝址距卢氏县城约60 km，控制流域面积3 596 km2。水库建成后可将卢氏县防洪标准从20年一遇提高至30年一遇，为城区提供8 000万m3水量，满足800 hm2农田灌溉，年发电量3 346万kW·h；对来水进行丰枯调节，改善生态环境，为水库下游河道提供稳定基流。

金卢水库为中型水库，水库工程等别为Ⅲ等，设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1 000年一遇。水库正常蓄水位700 m，汛期限制水位696 m。1 000年一遇洪峰流量6 800 m3/s，需要大坝泄洪设施有较大的过流能力，设计方案的优化选择尤为重要。大坝设置了表孔泄流+底孔泄流的方案，既结合了表孔泄洪超泄能力强的优点，又可以利用泄洪底孔降低汛期前库水位和汛期冲沙。当水库遇最大洪峰流量时，溢流坝段表孔泄洪量可达总泄洪量的72%，因此溢流堰设计方案对工程有重大作用。

2 工程布置

金卢水库枢纽主要有碾压混凝土重力坝、坝后电站，左岸导流洞及下游跨洛河桥等组成。碾压混凝土重力坝根据工程运用要求分为挡水坝段、溢流坝段、泄洪孔坝段和输水发电孔坝段，其中溢流坝段和泄洪孔坝段相邻布置在主河床位置。

坝顶长度291 m，坝顶高程707.40 m，防浪墙顶高程708.60 m，建基面高程633.80 m，最大坝高73.60 m，共分11个坝段。

溢流坝段在河床中部布置，分为8＃、9＃、10＃坝段，坝段长度为30.50 m+29.50 m+30.50 m，总长度90.50 m，布置5孔溢流表孔，每孔净宽12 m，溢流堰堰顶高程696 m。泄洪孔坝段布置在7＃坝段，底部布置有两孔并联泄洪孔，兼顾放空作用。挡水坝段在河床两侧布置，分为1＃～4＃、6＃、11＃坝段。输水发电孔布置在5＃坝段底部，进口设进水塔，洞径4 m，在5#坝段下游约260 m左右布置水能发电站。

3 泄洪方案比选

3.1 自由溢流方案比选

溢流堰采用挑流消能型式，要求挑流鼻坎后水舌能充分扩散和掺气。考虑下游河道宽度有限，现状河道底宽110～140 m左右，溢流面宽度过大不利于水能消散，折冲水流会对大坝安全造成影响。溢流坝段左侧还需布置泄洪孔坝段，常遇洪水由泄洪底孔宣泄，而坝址区洛河主河槽覆盖层较厚，泄洪底孔泄洪时冲坑深度较大，对左岸边坡稳定及输水发电钢管等建筑物布置不利。初步选定溢流堰净宽60 m方案较适宜。

为保证水库正常蓄水位700 m，自由溢流方案堰顶高程确定为700 m，考虑消能需要，在汛限水位696 m方案基础上，拟定了48 m、60 m、84 m三种不同溢流堰净宽度方案。自由溢流方案不同溢流净宽洪水调节结果见表1，各方案主要工程投资对比见表2。

表1 自由溢流方案不同溢流净宽洪水调节成果表

表2 自由溢流方案主要工程投资对比表单位：万元

不同溢流宽度对工程量影响较小，由于溢流堰采用挑流消能型式，要求挑流鼻坎后水舌能充分扩散和掺气，才能保证消能效果。考虑下游河道宽度有限，现状河道底宽140 m左右，溢流坝段左侧7#坝段布置有泄洪孔，左岸5#坝段布置有输水发电孔，大坝下游260 m处布置有水能发电站。因此，溢流面宽度过大不利于水能消散，折冲水流会对大坝及左岸建筑物安全造成影响。自由溢流各方案征迁线均受20年一遇水位控制，征迁线影响范围均涉及陕西省，溢流堰宽度过窄对征迁水位影响较大，征迁范围涉及陕西境内较多，协调难度大。从投资对比来看，堰宽48 m方案由于水位较高投资较大；堰宽84 m方案泄洪孔贴近左岸滩地，最大冲刷深度达22 m左右，对左岸输水发电孔引水管道及电站影响较大，左岸防护措施增加较多，投资较大；堰宽60 m方案投资较为合适。综上所述，初步选定溢流堰净宽60 m较适宜。

3.2 建闸方案比选

建闸方案同样拟定了48 m、60 m、84 m三种不同溢流堰净宽度方案进行对比。溢流堰顶高程定为696 m，与汛期限制水位持平。建闸方案不同溢流净宽洪水调节结果见表3，各方案主要工程投资对比表见表4。

表3 建闸方案不同溢流净宽调洪演算成果表

表4 建闸方案主要工程投资对比表单位：万元

由上述对比表可看出不同溢流宽度对工程量影响较小，溢流面宽度过大不利于水能消散，折冲水流会对大坝及左岸建筑物安全造成影响。建闸方案在溢流堰宽度较窄的48 m方案下征迁范围受20年一遇水位控制，征迁线影响范围涉及陕西省，溢流堰宽度过窄对征迁水位影响较大，协调难度大。另外两方案征迁范围受正常蓄水位控制，征迁影响范围不涉及陕西省。从投资对比来看，堰宽48 m方案由于水位较高投资较大；堰宽84 m方案泄洪孔贴近左岸滩地，最大冲刷深度22 m左右，对左岸输水发电孔引水管道及电站影响较大，左岸防护措施增加较多，投资较大。综上所述，建闸方案与不建闸方案同样选定溢流堰净宽60 m较适宜。

建闸及不建闸方案均以对比初步选定溢流堰净宽60 m方案从工程投资、运行管理等方面进行比较。①工程投资。根据对比成果，溢流堰净宽60 m建闸方案主要工程量投资112 546万元，建闸方案较无闸门控制自由泄流方案坝顶高程降低3.70 m，堰顶高程降低4 m。建闸方案较无闸门控制自由泄流方案主要工程投资减少约6 709万元，对工程投资有较大影响。②运行管理。无闸门控制自由泄流方案，水库运用期不用闸门控制水位，操作比较简单，水库泄流不需要人为控制，后期管理难度较低，但坝高增加较多，投资较大。建闸方案，在非汛期需通过泄洪孔和溢流堰闸门共同调节，维持正常蓄水位。水库非汛期需人为控制，根据来流情况确定泄流大小，后期管理较复杂，可通过制定较严格的闸门管理运用办法进行运维管理。③移民征迁。不建闸方案水库正常蓄水位为700 m，汛限水位为696 m，5年一遇洪水位696 m，20年一遇洪水位703.58 m。征地水位按700.50 m，居民点搬迁水位按703.58 m，工程建设征地面积同建闸方案，搬迁人口比建闸方案多186人，专项设施中的Y017乡道淹没影响长度比建闸方案多约500 m，移民征迁投资为63 107万元，较建闸方案增加约1 008万元。