三河口高拱壩雙向進(jìn)水口設(shè)計(jì)優(yōu)化

趙 瑋,譚迪平,王 蕓

(陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710011)

1 概況

1.1 工程概況

三河口水利樞紐是引漢濟(jì)渭工程(一期)三大部分(黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐、秦嶺輸水隧洞)之一，是引漢濟(jì)渭工程的核心調(diào)蓄水源工程。樞紐主要由碾壓混凝土雙曲拱壩、泄洪消能系統(tǒng)、供水系統(tǒng)和連接洞等組成。

三河口水利樞紐大壩為碾壓混凝土拱壩，最大壩高145 m，據(jù)國內(nèi)同類壩第二，水庫總庫容7.1 億m3，水庫正常蓄水位643.00 m，校核洪水位644.70 m，死水位558.00 m，特枯年運(yùn)行最低死水位544.00 m，水庫水位高大變幅達(dá)100 m 數(shù)量級，據(jù)國內(nèi)前列。

1.2 進(jìn)水口功能任務(wù)

引漢濟(jì)渭(一期)工程以漢江干流黃金峽水庫及其支流子午河三河口水利樞紐的水庫為水源，在允許可調(diào)水量限制情況下，由黃金峽水利樞紐泵站自黃金峽水庫提水，調(diào)水15 億m3，多年平均在黃金峽水利樞紐的水庫斷面調(diào)水約9.6 億m3，在三河口水利樞紐的水庫斷面調(diào)水約5.5 億m3，共同滿足調(diào)水15 億m3的任務(wù)要求。當(dāng)黃金峽泵站抽水流量小于受水區(qū)需水要求時，由三河口水利樞紐的水庫通過連接洞補(bǔ)充供水至秦嶺輸水隧洞;當(dāng)黃金峽泵站抽水流量大于受水區(qū)需水要求時，多余的水量通過連接洞由三河口泵站抽水入三河口水利樞紐的水庫存蓄。三河口水利樞紐的水庫內(nèi)供水是通過其壩后電站“先發(fā)電、后供水”，發(fā)完電的尾水通過連接洞進(jìn)入越嶺隧洞段，供往陜西省關(guān)中受水區(qū)。

引漢濟(jì)渭(一期)工程調(diào)水以遠(yuǎn)期多年平均調(diào)水量15 億m3確定工程建設(shè)規(guī)模，其調(diào)水原則為“以供定需“。在充分發(fā)揮黃金峽水利樞紐的水庫調(diào)蓄庫容，調(diào)水區(qū)與受水區(qū)四水源聯(lián)合進(jìn)行水量調(diào)節(jié)，在滿足工程任務(wù)情況下，調(diào)水15 億m3方案泵站抽水流量為70 m3/s。根據(jù)調(diào)水15 億m3方案的調(diào)節(jié)過程，水庫調(diào)向關(guān)中受水區(qū)的流量為70 m3/s。

修建三河口水利樞紐后，工程所在的子午河除河道內(nèi)生態(tài)用水外，干流無其他用水要求，根據(jù)多年平均流量的10%，確定三河口壩址下游河道需預(yù)留的生態(tài)基流為2.71 m3/s。

在黃金峽水利樞紐水庫引水量富裕時，三河口水利樞紐需最大存入其水庫的抽水設(shè)計(jì)流量18 m3/s。

因此，綜合以上論證，三河口水利樞紐進(jìn)水口設(shè)計(jì)流量按72.71 m3/s 進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 進(jìn)水口布置方案

2.1 布置條件

根據(jù)引漢濟(jì)渭(一期)工程的任務(wù)和總體布局要求，三河口水利樞紐作為工程兩個水源地之一，需要設(shè)置專門的引水系統(tǒng)，三河口水利樞紐選定的壩址位于陜西省漢中市佛坪縣與安康市寧陜縣交界的子午河中游峽谷段，壩址區(qū)壩址處河谷呈“V 形”，兩岸地形基本對稱，山體雄厚，自然邊坡坡度35°～50°。壩區(qū)河床高程525.7 m～528.7 m，谷底寬79 m～87 m，設(shè)計(jì)壩頂高程處河谷寬約325 m。

壩址區(qū)局部有二級基座階地的殘留堆積，堆積層上部為厚1 m～2 m 壤土，下部為卵礫石層。壩區(qū)河床砂卵石覆蓋層厚6.5 m～7.2 m，最大厚度11 m。壩基巖體主要為變質(zhì)砂巖夾薄層結(jié)晶灰?guī)r，巖體表面強(qiáng)風(fēng)化帶垂直厚度1 m～2 m。強(qiáng)風(fēng)化巖體屬Ⅴ類壩基巖體;弱風(fēng)化巖體屬Ⅲ類壩基巖體;微風(fēng)化巖體屬Ⅱ類壩基巖體。壩基分布有1 條斷層f14，f14走向與壩軸線斜交，產(chǎn)狀285°∠75°，斷層破碎帶寬度0.2 m，斷面平直，充填糜棱巖及斷層泥。壩基無軟弱夾層，發(fā)育的斷層f14與巖層產(chǎn)狀沒有形成不利于壩基抗滑穩(wěn)定的組合，但斷層破碎帶和影響帶巖體質(zhì)量較差，屬Ⅴ類壩基巖體。

在分析壩址地形、地質(zhì)和水庫的運(yùn)行要求情況下，設(shè)計(jì)主要研究了兩種進(jìn)水口設(shè)計(jì)方案，一種為岸坡塔式進(jìn)水口，另一種為與大壩結(jié)合的進(jìn)水方式。

2.2 布置方案選擇

岸坡塔式進(jìn)水口設(shè)計(jì)方案即在右壩肩岸坡開挖引水隧洞，進(jìn)口修建專門的放水塔，經(jīng)初步布置發(fā)現(xiàn)，岸坡塔式的隧洞要在從大壩右壩肩的下部穿過，進(jìn)口高程雖然與導(dǎo)流洞位置距離較遠(yuǎn)但在出口處與導(dǎo)流洞基本重合，且右壩肩下地質(zhì)裂隙發(fā)育，斷層較多，在施工電站壓力管道時要與導(dǎo)流洞產(chǎn)生一定的矛盾，在隧洞開挖時與電站的施工也產(chǎn)生相互影響。

采用與大壩結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，隧洞在穿過大壩后，壓力管道管床布置在壩后消力塘的邊坡上部，不用隧洞開挖，在開挖消力塘后可以直接施工壓力管道，與大壩和消力塘施工沒有矛盾，施工方便，對工期沒有較大影響。與大壩結(jié)合方式進(jìn)水口則是直接在壩身上修建放水塔，后接壩內(nèi)埋管的型式。

經(jīng)過分析和比較，對主要建筑物之間的碰撞分析，施工工期的影響，在供水量相同的情況下，岸坡塔式方案因在山體里開挖巖石隧洞且右壩肩地質(zhì)條件較差，成洞條件不好，與主要建筑物相互矛盾，影響工期;再對經(jīng)濟(jì)方案初步進(jìn)行了比較，岸坡式投資較大，在隧洞施工時對電站施工影響較大，使電站工期加長，經(jīng)過綜合比較，推薦選擇進(jìn)水口與壩體結(jié)合的進(jìn)水方式。

3 進(jìn)水口設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)整個三河口水利樞紐建筑物的布置的特點(diǎn)，引水系統(tǒng)進(jìn)水口布置于壩身右岸側(cè)壩體中，進(jìn)水口為豎井式，由直立式攔污柵、喇叭口、閘室等組成，進(jìn)口高程543.00 m，設(shè)計(jì)引水流量72.71 m3/s。閘室后接壩內(nèi)埋管，出壩體后接壓力主管道，主管道直徑4.5 m，長度142.4 m，先后分別接電站岔管和減壓閥岔管。為了引水水質(zhì)和保護(hù)下游生物，有利于魚類和其他生物生長，在綜合分析后采用分層取水的方式。

進(jìn)水口金屬結(jié)構(gòu)部分由攔污柵與進(jìn)水閘兩部分組成。為了保證電站的安全和下游引水的質(zhì)量，在進(jìn)水口設(shè)置一道攔污柵和一套機(jī)械清污設(shè)備。攔污柵整體高度為102.5 m，因進(jìn)水口要兼顧出水口，在水流通過攔污柵時的流速小于1 m/s，分層取水口可有效避免產(chǎn)生渦流的發(fā)生。在攔污柵后接分層取水閘門，分層取水閘門分上下兩部分，下部取水閘門由5 節(jié)9.8 m×7.5 m(高×寬)的疊梁門組成，控制高程543.0 m～582.5 m的水層;其后部為上層取水口，5 扇疊梁門， 控制高程586.0 m～635.0 m 的水層。取水閘門后部接連通豎井，豎井底部通過漸變段與進(jìn)水閘相通，閘室寬4.5 m，設(shè)一孔口尺寸為4.5 m×7.5 m(寬×高)的事故檢修門。

事故檢修門后采用橢圓圓弧曲線，空口高由8.1 m 漸變?yōu)?.5 m，后接4.5 m×4.5 m 的方形壓力洞，后與供水系統(tǒng)廠房壓力管道相連。

供水系統(tǒng)進(jìn)水口從充分利用水庫效益和保護(hù)下游生態(tài)生物等多方面考慮，對三河口電站進(jìn)水口工作閘門運(yùn)行狀況進(jìn)行了模擬運(yùn)行試驗(yàn)，運(yùn)行方式為，由高到低，逐級減少。在保證72.71 m3/s 的引水流量，最少每一閘門上水深要達(dá)到3.2 m，在庫水位達(dá)到638.2 m 時必須打開最上面一級的疊梁工作閘門。

3.2 設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)

三河口水利樞紐進(jìn)水口上、下分層取水設(shè)計(jì)充分考慮了工程在建成后水庫的水溫呈現(xiàn)垂直分布的特點(diǎn)，合理控制下泄水溫對下游生態(tài)的影響，有利于對環(huán)境和生物的保護(hù)。以三河口高壩高水頭的情況采用上、下雙層取水閘門在全國水利水電工程同類工程設(shè)計(jì)中屬首次，在運(yùn)行時，因?yàn)椴捎秒p層門槽設(shè)計(jì)，有方便運(yùn)行管理，并方便疊梁門庫和放水塔的布置。

設(shè)計(jì)采用上、下雙層閘門分層取水，有利于閘門安全運(yùn)行和檢修，減小了進(jìn)水口安全風(fēng)險。上、下雙層閘門在上部閘門出現(xiàn)故障時，能及時打開下部閘門，保證工程供水和電站安全運(yùn)行。事故檢修門的軸線，斜向深入庫區(qū)方向84°，有效的減少上部檢修平臺的長度，避免壩體向上游外懸過多，減少了進(jìn)水口工程量和投資，有利于結(jié)構(gòu)抗震安全。

圖1 進(jìn)水口剖面設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)語

三河口水利樞紐進(jìn)水口適應(yīng)雙向水流和大變幅水頭的情況，水庫與壩體之間設(shè)置攔污柵、上層隔水(工作)閘門、閘門隔離墩、上層隔水(工作)閘門和檢修閘門。該進(jìn)水口結(jié)構(gòu)不僅適用于大變幅水頭，而且適用于雙向水流，同時占用空間小，施工和管理運(yùn)行難度低，工程造價低，便于投入實(shí)際使用，管理運(yùn)行方便，同時，該設(shè)計(jì)技術(shù)也申請了國家實(shí)用新型專利(專利號:ZL202021932046.4“一種適應(yīng)雙向水流和大變幅水頭的進(jìn)水口結(jié)構(gòu)”)。三河口水利樞紐適應(yīng)雙向水流和大變幅水頭的進(jìn)水口結(jié)構(gòu)可為類似工程設(shè)計(jì)提供專利技術(shù)支持和技術(shù)參考。