銅場水庫表孔泄洪洞的設(shè)計

譚新莉

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院水工所，新疆烏魯木齊 830000）

1 工程概況

銅場水庫是位于新疆庫車縣境內(nèi)庫車河中游河段尾部的控制性骨干調(diào)蓄工程，是以防洪為主，結(jié)合灌溉，改善生態(tài)環(huán)境的中型綜合利用水利樞紐。工程等級為三等，地震設(shè)防烈度8度。正常蓄水位1 330.2 m，表孔堰頂高程為1 323.00 m，設(shè)計洪水位1 326.37m，表孔不泄洪，深孔控制下泄下游的安全泄量370.00 m3/s；校核洪水位1 331.72 m，表孔與深孔聯(lián)合泄洪，表孔泄量為271 m3/s?？紤]到銅場水庫位于高地震頻發(fā)地區(qū)，鑒于下游庫車城鎮(zhèn)的重要性，表孔泄洪洞還考慮單獨泄100年一遇設(shè)計洪水時的工況，此時上游庫水位1 332.10 m，經(jīng)核算不影響壩高。表孔泄洪洞流量由271 m3/s增加到最大下泄370.00 m3/s，控制段堰頂高程只需降低1 m，寬度由6.5 m增至7m即可滿足，工程量增加不多，一方面可確保工程運行及下游庫車城鎮(zhèn)安全，另一方面增加水庫運行靈活性。

2 平面布置選擇

壩址區(qū)河道為一“S”型彎道，壩址兩岸均為高山，所有泄水建筑物均利用左岸凸岸的有利地形，將軸線布置成直線，不但有利于高流速泄水建筑物的安全運行，軸線短小也節(jié)省投資。

壩址處左壩肩岸坡高陡，高程1 440 m以上，總體坡度70°局部直立，1 440 m高程以下坡度40°，左岸1 330～1 370 m高程以下至河邊順河堆積長400 m，厚3～20 m的崩坡積物。巖性為砂巖、泥巖互層。根據(jù)壩址區(qū)地形地質(zhì)條件，初步設(shè)計時對表孔泄水建筑物采用岸邊開敞式溢洪道布置方案和表孔泄洪洞兩種方案做過對比。

2.1 岸邊開敞式溢洪道方案

溢洪道進口引渠及控制段緊鄰左壩肩布置，受地形條件限制，岸邊開敞式表孔溢洪道只能布置在左壩肩唯一一地形相對低矮平緩的部位，但出口仍無法避開一段高陡山坡，為保證工程運行安全，減小高邊坡開挖處理量，通過此陡崖段的泄槽改為隧洞通過。由于地形較高，泄槽兩岸均為20 m左右的高邊坡，泄槽段長79 m，縱坡為1/5，矩形斷面，底寬7 m，側(cè)墻高度為4.5 m。泄槽內(nèi)最大流速19.2 m/s；洞身段長36 m，斷面型式為城門洞型，斷面尺寸為5.0 m×4.5 m，洞內(nèi)最大流速21.5 m/s，從引渠至挑坎溢洪道全長258 m。

2.2 表孔泄洪洞方案

表孔泄洪洞進口布置左岸壩肩上游約30 m處，出口距壩下游坡腳約150 m，進出口的位置盡可能遠離陡崖，以避免形成高邊坡。進口引渠及洞身均為直線布置，其中洞身段長320 m，洞底坡降i=7/100，為無壓明流洞，洞身為5 m×5.5 m(寬×高)城門洞型，從引渠至挑坎表孔泄洪洞全長458 m。洞線走向與巖層走向交角較大，主要發(fā)育有順層擠壓帶和四組節(jié)理，洞室圍巖為厚層狀結(jié)構(gòu)，局部穩(wěn)定性差，圍巖類別為Ⅲ類。

2.3 方案比較結(jié)論

對比兩組方案，開敞式溢洪道的泄槽為明流，具有較強的超泄能力，軸線也短200 m。但泄槽兩岸20 m左右的高邊坡穩(wěn)定及處理問題較為突出。同時土石方開挖量較大，棄渣量較多，棄渣占地面積較大；溢洪道緊貼左壩肩，與左壩肩壩體施工時存在一定的干擾；溢洪道的施工道路布置困難，為滿足施工時出渣和混凝土澆筑的需要，臨建道路工程量相對較大。岸坡高陡使出渣和混凝土澆筑有一定的困難。溢洪道施工時受道路的影響，強度不高。溢洪道施工總工期為25個月，比表孔泄洪洞方案長6個月，投資多67萬元，最終采用表孔泄洪洞方案。

由于山坡陡峻造成明挖方案土石方開挖量大，施工困難，工期長，投資大，施工及運行也不及隧洞方案安全可靠，所以當(dāng)山坡陡峻、明挖方案和隧洞方案長度相差不太大時（本工程相差200 m），隧洞方案優(yōu)于明挖方案。

3 縱剖面布置選擇

隧洞的洞坡布置需綜合考慮泄量、流速、隧洞斷面尺寸、施工要求等因素。本工程最大泄量370.00 m3/s較小，最大流速小于25 m/s不需要考慮摻氣措施，故洞坡布置受制約的因素較少。洞坡的緩陡主要影響隧洞斷面尺寸的大小和施工條件。洞坡越緩，隧洞斷面尺寸越大，施工條件越好，施工機械的效率也越高，投資也相對較大。最初采用縱坡i=0.07一坡到底直接與挑坎連接，通過水工模型試驗發(fā)現(xiàn)，在由堰寬變?yōu)槎磳挼氖湛s漸變段末端形成壅水，部分水流接近洞頂；小流量情況下洞出口有水躍現(xiàn)象發(fā)生。為改善這一狀況，對洞身進口漸變段長度和洞出口型式作了修正，將進口漸變段長度由原20.0 m改為50.0 m，通過加長漸變段長度來平順?biāo)?，減少壅水高度；隧洞出口由原直接接挑流鼻坎改為通過渥曲線接挑流鼻坎，避免了水躍現(xiàn)象的發(fā)生，增加的高差通過調(diào)整洞身段縱坡消化，即洞坡由原i=0.07(即1/14.29)改為1/15。經(jīng)水工模型試驗驗證，調(diào)整后的洞坡水流平穩(wěn)，壅水水深未超過洞身段邊墻高度，再沒發(fā)生水躍。

由此，對泄洪洞縱坡直接與挑坎連接的布置，盡管設(shè)計流量下流速相對較高，水流運行狀況良好，但需考慮小流量情況下由于下游水位的壅堵造成的水躍現(xiàn)象，尤其是要避免水躍發(fā)生在隧洞內(nèi)造成封頂。當(dāng)下游水位較高時，建議最好通過渥曲線接挑流鼻坎，這樣洞出口高程較高，下游接陡坡，洞內(nèi)不會發(fā)生水躍。

4 進口控制段體型選擇

根據(jù)本工程水庫運行的特點，堰頂高程低于正常蓄水位，正常情況下表孔需擋正常蓄水位，故采用有閘門控制的型式?？紤]到表孔位于高陡山區(qū)，不宜采用因?qū)挾容^大而導(dǎo)致挖方較大的寬頂堰堰型，堰型比選時選用實用堰和駝峰堰兩種型式進行工程布置和計算比較。

堰體采用駝峰堰時，堰頂高程1 324 m，堰凈寬7 m，單孔布置，采用寬度較小的b型堰面曲線，上游堰高 P1=2 m，R1=8 m，R2=2.1 m，堰面曲線后接4.6 m長的1∶3直線段，其后以半徑20 m的圓弧與下游泄槽相接，為保證自由出流，控制段末端處高程為1 319.519 m，控制段長24 m。泄槽采用統(tǒng)一縱坡，坡比1∶10.5。洞內(nèi)最大水深位于漸變段末端，最大水深4.28 m，摻氣后水深4.99 m，隧洞滿足15%余幅后斷面尺寸為5 m×6.3 m。

堰體采用WES實用堰時，堰頂高程1 324 m，堰凈寬6.5 m，單孔布置，定型設(shè)計水頭HS＝6 m，堰面曲線方程Y=0.109×1.85，堰面曲線后接4.5 m長的1∶1直線段，其后以半徑10 m的圓弧與下游泄槽相接，控制段長22 m?？刂贫文┒颂幐叱虨? 313.001 m，滿足自由出流要求。泄槽采用統(tǒng)一縱坡，坡比1∶14.3。洞內(nèi)最大水深位于漸變段末端，最大水深3.56 m，摻氣后水深4.27 m，隧洞滿足15%余幅后斷面尺寸為5 m×5.5 m。

堰型比選結(jié)果見表1。

通過估算，僅控制段投資WES實用堰較駝峰堰少10萬元，考慮隧洞斷面也是WES實用堰小，故進水口控制段采用水流條件好、結(jié)構(gòu)合理、工程量節(jié)省、施工方便的WES實用堰堰型。

表1 堰型比選對比表

5 控制段閘室結(jié)構(gòu)型式選擇

表孔泄洪洞進口控制段閘室結(jié)構(gòu)型式的選擇對比方案見圖1。方案1將堰面曲線和反弧曲線均包括在控制段閘室內(nèi)，對閘室的分縫和穩(wěn)定有利，但閘室長，反弧段的邊墻高度高達22 m，通常邊墻承受較大的外水壓力。泄洪時邊墻內(nèi)的反弧段水深較小；弧門擋水時，邊墻內(nèi)無水；故邊墻為滿足較大的水頭差，邊墻厚度大，配筋高。方案2將反弧曲線布置在洞身段，閘室的分縫不規(guī)整，由于控制段閘室兩側(cè)及后側(cè)均鑲嵌在巖石內(nèi)，控制段閘室穩(wěn)定不成問題。邊墻高度降低，最大為17 m，同時后墻對邊墻也有約束，對結(jié)構(gòu)受力有利。經(jīng)計算，邊墻厚度2 m即可滿足要求，配筋也不大，1 m配5根直徑25 mm的鋼筋足矣。表孔泄洪洞進口控制段閘室選擇方案2的結(jié)構(gòu)型式，可改善結(jié)構(gòu)的受力條件，使結(jié)構(gòu)布置合理。

6 結(jié)論

1）當(dāng)山坡陡峻時，明挖方案和隧洞方案長度相差不太大時（本工程相差200 m），采用隧洞方案優(yōu)于明挖方案。

2）對泄洪洞縱坡直接與挑坎連接的布置，需考慮小流量情況下是否有水躍發(fā)生，下游水位較高時建議隧洞縱坡通過渥曲線接挑流鼻坎。

3）無特殊情況，一般進口控制段采用流量系數(shù)高的WES實用堰堰型。

4）孔泄洪洞進口控制段閘室結(jié)構(gòu)型式建議將反弧曲線布置在洞身段，可使結(jié)構(gòu)的受力條件更合理。