长石岭水库工程泄水建筑物方案比选

胡嘉豪

（温州市水利电力勘测设计院有限公司,浙江 温州 325000）

1 工程概况

乐清市长石岭水库工程位于乐清市芙蓉镇上岙垟村上游1.6 km处,距离芙蓉镇4.0 km,防洪保护范围主要为芙蓉镇。工程位于浙江省乐清市清江主流黄金溪上,长石岭水库坝址以上流域面积18.3 km2,主流长9.36 km,河道平均比降5.76%。水库以供水为主,兼顾防洪、灌溉等综合利用。

1.1 工程区地貌

工程区属峡谷地段,河流流向为96°,河谷深切,两岸山体雄伟,地形陡峭,河谷底宽18 m~30 m,两岸坡度一般在30°~50°之间,为基本对称的“V”字型河谷,谷底高程约50 m~59 m。两岸陡崖分布较多,河流纵坡降较大。

1.2 水库大坝结构

水库大坝为C15 埋石砼重力坝。按50 年一遇洪水设计,500 年一遇洪水校核,相应校核洪水位129.58 m。坝顶高程129.80 m,防浪墙墙顶高程为130.8 m,大坝基底高程53.7 m,最大坝高76.1 m,坝顶长度203.5 m,其中溢流坝段长19.8 m,非溢流坝段长183.7 m。

水库汛限水位为116.0 m,防洪高水位129.10 m；正常蓄水位为125.0 m,相应库容642.4万m3；供水死水位为70.5 m,相应库容为31.7万m3；水库总库容737.0万m3,承担的防洪库容为250万m3。

1.3 上坝公路

长石岭大坝建成后,库区原有接南山村的道路受淹后无法通行。为方便大坝今后运行管理和水库库区内村民正常通行,在大坝左侧设置上坝公路,上坝公路总长为410.0 m。大坝左坝肩设缓冲平台,大坝公路下游端接新的白雁公路。

2 水库泄洪规模

2.1 下游安全泄量

2.1.1 下游芙蓉镇的控制断面要求

长石岭水库下游芙蓉镇的堤防标准为10 年一遇,区间集雨面积为3.234 km2,现状安全泄量295 m3/s,其中20 年一遇区间洪峰流量为116.0 m3/s。

2.1.2 乐清市清江流域防洪要求

根据《乐清市流域防洪规划》的要求,长石岭水库需要防洪库容为250 万m3,相应安全泄量为110 m3/s。2.1.3 本水库安全泄量合理性分析

从上述分析可知,当长石岭水库按照区域防洪要求,下泄110 m3/s时,叠加区间洪峰后,芙蓉镇断面的洪峰流量为226 m3/s,仍然小于其设计安全泄量295 m3/s。因此当水库按照区域防洪要求110 m3/s时,可以满足下游区域防洪要求,也将芙蓉镇的防洪标准提高至20 年一遇以上。

2.2 泄洪孔

由于泄洪洞主要功能为确保水库可以预泄110 m3/s,同时考虑到汛期泄洪孔启闭的可靠性,以及建筑物在布置上较为对称,且在调度方式上较灵活,因此采用2 孔的泄洪洞方案。单孔泄洪洞按照水库在汛限水位116.0 m时可以下泄安全泄量110 m3/s进行控制。泄洪洞进口段底高程101.0 m,泄水孔出口规模为3.0 m×2.8 m,水库在汛限水位116.0 m时,单孔泄洪洞泄流能力128 m3/s。

2.3 泄洪道

考虑本工程坝顶不宜设置溢洪道,因此在大坝右坝肩进行山体开挖设置溢洪道。溢洪道的规模和调度方式同重力坝上溢洪道,坝体内布置WES溢流面+泄洪洞可大大减少工程投资,同时也方便后期管理。根据实际地形和防洪要求,溢道顶高程略低于正常水位0.5 m左右来拟定溢洪道堰顶高程124.5 m。为分析溢洪道规模,采用2 m×6.0 m、2 m×7.5 m、2 m×9.0 m进行论证。溢洪道的规模及下泄流量见表1。

表1 溢洪道规模及下泄流量表

从上述表格可以看出,溢洪道的下泄流量及校核洪水位与溢洪道净宽有关系,根据上述的计算成果可以看出,在124.5 m的堰顶高程下,溢洪道净宽为2 m×6 m可以泄321 m3/s,选择2 m×7.5 m的堰宽度,可以下泄345 m3/s,采用2 m×9.0 m的闸宽,下泄流量为370 m3/s,为合理控制最高水位,同时又能增加调度合理性,溢洪道规模确定采用2 m×7.5 m。

3 泄水建筑物方案比选

水库正常蓄水位125.0 m,汛期限制水位116.0 m,防洪库容和有效库容部分共用,这就要求泄水建筑物能够预泄,以便腾出防洪库容。根据水库调度方案,当水库水位小于防洪高水位129.1 m时,且水库来水小于110 m3/s,水库开启泄洪孔泄洪保持水库按照来水下泄,使水库水位维持在汛限水位；

当水库来水大于110 m3/s时,水库通过控制闸门开度按照110 m3/s下泄。泄水建筑物布置拟定以下两种方案。

3.1 方案一采用表孔结合中孔的型式

表孔溢流堰宽度受到地形限制,故将溢流段设在重力坝中央段。中孔布置在表孔两侧,消能设施采用挑流消能并结合下游河道开挖形成的水垫塘进行消能的方式。

3.1.1 表孔布置

溢洪道采用WES溢流面+弧形闸门。溢洪道净宽采用19.8 m,采用2 m×7.5 m的弧形闸门,中墩宽为1.8 m,两侧边墩为1.5 m。堰顶高程为124.5 m,溢洪道设置两扇弧形钢闸门控制,弧形工作闸门启闭设备选用QH-2×150 kN固定卷扬式启闭机,启闭容量为2×150 kN,一门一机设置以迅速开启孔口,下泄洪峰。启闭机除配置位置和荷载保护装置外,为适应计算机监控的要求,配置数字式闸门开度仪和数字式荷载显示仪。孔口尺寸（宽×高）7.5 m×5.0 m,堰顶高程124.50 m,水库设计洪水位（P=2%）129.10 m,设计水头4.60 m,承受总水压力987 kN。溢洪道正上方设置启闭机房,面积为180 m2。

溢流堰堰顶上游采用三圆弧曲线,半径分别为21.72 m,8.691 m,1.736 m。下游面为开敞式溢流堰面曲线接1∶0.75的下游坝坡,下接反弧段,进入消力池。下游堰面曲线采用WES曲线。经计算,堰面曲线方程为Y=0.151X1.85,溢流堰前沿末端设挑流反弧,反弧半径为10.245 m,挑射角为22°9'。溢流堰断面及堰顶曲线图见图1。

图1 溢流堰剖面及堰顶曲线图

3.1.2 中孔布置

中孔布置在表孔两侧,进口底高程为101.0 m。为了使水流平顺进入,进口顶曲线和底曲线采用椭圆曲线,长轴为3.7 m,短轴为1.23 m。进口侧曲线采用的椭圆曲线长轴为2.4 m,短轴为0.80 m。坝身泄水孔采用有压式,出口压坡段两端断面面积比为0.75,即出口尺寸为3.0 m×2.8 m。出口明流段采用抛物线衔接,经计算,抛物线方程为Y=0.02355X2+0.57735X。中孔上游设一道事故检修门,事故检修门尺寸3.00 m×3.70 m。考虑到溢流堰高程以及挑流时水流合理消能,出口段采用挑流鼻坎顶高程也为70.20 m,反弧半径为10.245 m,挑射角为22°9'。工作闸门为潜孔式弧形钢闸门,孔口尺寸为宽3.0 m,高2.8 m,设计水头30.1 m,工作闸门操作方式为动水启闭。相应结构型式见图2。

图2 中孔泄洪洞剖面及曲线图

3.2 方案二、采用表孔结合深孔的型式

表孔布置和规模同方案一,深孔布置在表孔两侧,消能设施采用挑流消能并结合二道坝形成的水垫塘进行消能的方式。

考虑到泄洪洞与二级廊道交叉,将泄洪洞进口调整设置在高程76.0 m。进口侧曲线采用的椭圆曲线长轴为2.0 m,短轴为0.80 m。坝身泄洪洞采用有压式,进口顶曲线和底曲线采用椭圆曲线,进口尺寸为3.0 m×2.6 m。出口压坡段两端断面面积比为0.87,即出口尺寸为2.6 m×2.6 m。出口孔底高程76.62 m,出口段由弧形闸门控制[1]。上游设一道事故检修门,事故检修门尺寸3.0 m×2.6 m。出口采用挑流鼻坎顶高程46.4 m,挑角15°,反弧半径10.00 m。工作闸门为弧形钢闸门,设计水头53.1 m,工作闸门操作方式为动水启闭。

3.3 方案比选

泄水建筑物布置方案比选主要差异在于中孔和深孔布置方面,现分别从施工工期、运行管理、质量控制和工程投资方面进行比较分析,比较内容见表2。

表2 泄洪洞方案比较分析表

在工程施工工期、施工质量控制、运行管理、泄洪时对下游的影响、工程投资等方面来考虑,方案一优势较明显。

另外考虑到本水库日常洪水调度主要通过泄洪洞进行下泄,高水头时通过弧形闸门开度控制下泄流量,难度均较大。频繁启闭弧形闸门,对闸门质量要求较高。另外,高水头时如何防止闸门段的渗水难度也较大。

结合水库泄洪规模分析,最终确定将“方案一中孔泄洪洞”做为泄水建筑物布置方式。

4 结语

长石岭水库泄洪洞采用中孔泄洪布置方式,当水库水位小于防洪高水位129.1 m时,且水库来水小于110 m3/s,水库开启泄洪中孔泄洪保持水库按照来水下泄,使水库水位维持在汛限水位；当水库来水大于110 m3/s时,水库通过控制闸门开度按照110 m3/s下泄。当水库水位达到129.10 m时,此刻水库转为保坝运行,随来水量变化调整水闸开度。工程运行后可以满足下游区域防洪要求,也将芙蓉镇的防洪标准提高至20 年一遇以上。可为类似工程泄洪建筑物布置提供一定的参考价值。