南水北调工程陶岔渠首枢纽布置设计

罗承昌

(长江水利委员会勘测设计研究院 武汉 430014)

1 概述

陶岔渠首枢纽工程位于河南省淅川县陶岔村、丹江口水库东岸,是丹江口水库的副坝,陶岔渠首闸初期工程于1974年建成,主要任务作为丹江口水库副坝挡水,并承担引水灌溉任务。工程运行至今已30年,满足了初期工程设计要求。

根据南水北调中线工程规划,丹江口水库大坝加高后,正常蓄水位由157m抬高至170m,副坝必须进行必要的加高、加固。

陶岔渠首枢纽作为南水北调中线输水总干渠的渠首工程,承担向北京、天津、河北、河南等城市的输水任务。

因此,枢纽以供水和挡水任务为主,同时兼顾灌溉和发电。根据南水北调中线工程规划,一期工程渠首闸设计引水流量350m3/s,加大引水流量420m3/s。电站装机两台,总装机容量50MW。

2 地形及地质条件

工程区地处北部伏牛山脉与南部武当山系之间的狭长低洼地带,其西为中低山区,东为南阳盆地,总体呈西高东低的地貌景观。地面高程一般为160～185m之间。闸址区内出露有奥陶系中统中厚层灰岩、灰质白云岩,此外有少量中-基形火成岩脉。岩石表面无统一连续风化带,垂直厚度一般不大于2m。工程区属岩溶中等发育地区。地表岩溶形态以石芽、溶沟为主;闸基位于汤禹山背斜的一次级向斜核部,向斜西翼岩层倾向下游,倾角一般28°～38°,东翼岩层倾向上游,倾角较陡,一般64°～85°。主要发育北西西向断层,多倾向下游,倾角一般大于45°,破碎带物质胶结较好。裂隙以NNE向较为发育,NWW向、NE向及NW向次之,倾角一般大于45°。中倾角裂隙主要见有两组,倾向NE和SE,倾角30°～40°。

枢纽工程区处于相对稳定地块之上,工程区地震活动微弱。地震基本烈度为VI度场地地震动峰值加速度为0.05g。

3 枢纽总体布置

3.1 闸址及闸线选择

陶岔闸初期工程运行至今,没有因闸址的问题引起工程量的增加环境变坏等不利情况,陶岔坝址处初期工程已建引水闸及人工开挖了上、下游渠道,渠首段较顺直,地形完整,可作为新闸闸址。

经过对老闸加固和易址重建方案进行比较,从工程运行安全和稳定性、施工难易、建筑景观、工程投资等方面进行全面比较,重建方案工程投资省,施工相对简单。

在闸线选择上,进行了原闸线上游70m、原闸线、原闸线下游约80m三条闸线的比选。

(1)从地质条件分析,上、原、下三条闸线,基岩顶板线依次抬高;三条闸线岩溶均较发育,下闸线相对较好,但构造相对发育;三条闸线均无可靠防渗依托。

(2)从挡水建筑物长度看,上闸线轴线长度最长,原、下闸线长度接近。

(3)从工程建设条件来看,下闸线可利用老闸作为施工围堰,上线、原线老闸须全部拆除,如原线利用老闸,则电站建筑物建在岸边,工程量大。

综合分析,下闸线优势明显,采用下闸线方案。

3.2 电站方案比选

在本工程水头及流量条件下,电站发电水头在6～24.86m之间,机组不适宜不发电仅过流的工况。故加电站方案中,引水闸工程规模不变,只在引水闸旁加设电站建筑物。

陶岔闸一般情况下均从电站直接引水。当遇机组检修等特殊情况,可从闸室直接引水。闸室和电站引水规模均满足中线一期工程的要求,从工程运用来看,增加电站不影响中线工程的调水。陶岔渠首修建电站后增加投资2.9亿元,发电量可抵消增加投资,经济指标较好。

3.3 总体布置

枢纽运行期间,一般条件下干渠引水主要来自电站尾水渠,故枢纽布置比较中,电站布置在干渠主渠道、引水闸布置在右岸扩宽处。由于电站占据了主渠道位置,引水闸的基坑需在右岸开挖基岩形成,因此,在引水闸上、下游需要开挖相应的引水通道。枢纽建筑物主要有:初期工程已经修建的上游约4.4km引渠、重力坝、引水闸及消力池、厂房建筑物。枢纽布置如图1。

图1 枢纽布置图

4 主要建筑物

陶岔渠首枢纽工程坝轴线总长265m,从左至右依次为左岸非溢流坝,安装场坝段,厂房坝段,引水闸室段,右岸非溢流坝。

4.1 工程等别及洪水标准

丹江口水利枢纽正常蓄水位170.0m,校核洪水位174.35m,总库容339.1亿m3,为大 (1)型工程,南水北调中线工程为大型跨流域调水工程。丹江口水利枢纽、南水北调中线工程均为 I等工程。陶岔渠首枢纽作为丹江口水利枢纽的副坝,也是南水北调中线工程的渠首工程,其工程等别为I等工程。主要建筑物引水闸、河床式电站挡水建筑物部分、两岸连接坝段等挡水建筑物以及上游引渠、下游总干渠为及上、下游导墙为1级建筑物,次要建筑物副厂房、开关站等为3级建筑物。

本工程挡水建筑物设计与校核洪水位与丹江口大坝相同,设计洪水重现期1000年,校核洪水重现期为10000年加20%。

根据总干渠运用条件,确定闸下消能设计标准为丹江口水库正常蓄水位,引水闸引加大流量420m3/s。

4.2 引水闸

引水闸布置在渠道右侧,宽度38.5m,顶高程176.6m,从上游至下游依次布置有坝顶交通道、事故检修门启闭门机以及弧形工作门启闭机房;在高程157.7m,宽15.4m,布置有闸下游检修门平台。

引水闸分3孔,边孔为整体式结构,中孔采用孔中分缝。坝段宽15.5m,其中墩厚2.5m,孔口宽7m,闸总宽31m。

闸室顺水流向长36.5m,其中进口段13.75m,出口明渠段22.75m。孔口上部挡水部分设两道胸墙,两道胸墙间设事故检修门,有压短管出口设弧形工作门,出口明渠段设检修门。

闸后设消力池,消力池顺水流向长60m,宽36m,采用透水底板型式,池底板厚1.5m,底板设间排距2m×2m的排水孔和长5m的锚筋,消力池后设尾坎,坎高1.5m,坎顶高程141m与原渠道底相接。水闸消力池和厂房尾水渠之间设厂闸导墙,消力池长60m,厂闸导墙延伸至消力池尾坎后5m,总长65m。

厂闸导墙断面为梯形,顶宽1m,两侧坡度以与消力池、尾水渠边坡对称为原则设计,消力池侧坡度1∶0.3,尾水渠侧坡度 1∶0.2。

4.3 挡水坝

陶岔渠首枢纽工程共分15坝段,其中1#～5#坝段为左岸非溢流坝,11#～15#坝段为右岸非溢流坝,除11#坝段宽为16m,其余均为18m。

左、右岸非溢流坝以横缝分为各自独立的结构,其基本剖面均为三角形,上游面直立,下游面坡比1∶0.7,坝顶宽6m,设上游人行道及防浪墙,下游人行道及栏杆。

闸室上游面与左、右岸非溢流坝上游面在同一平面内,即坝轴线剖面内。6#坝段布置2座检修门库,11#坝段布置 1座检修门库,门库尺寸为3.0m×7.0 m(长×宽)。左、右岸非溢流坝基础设基础防渗帷幕灌浆廊道。

4.4 电站建筑物

陶岔水电站为一河床径流式电站,水头范围为6.0～24.86m。电站装机容量50MW,安装两台大型贯流式水轮发电机组,单机容量25MW,机组装机高程136.20m,水轮机直径5.10m。

电站厂房布置于引水渠左侧,电站厂房轴线与坝轴线平行,沿轴线方向前缘总长64.00m,其中主厂房沿轴线长35.00m,安装场沿轴线长29.00m,安装场布置在主厂房左侧。厂房内装有2台灯泡贯流式水轮发电机组及125t/32t桥式起重机,尾水平台设有1台半门式尾水门机。

电站厂房部分,包括引水渠、进水口、拦污栅、检修闸门、主厂房、副厂房、尾水平台、事故工作闸门及尾水渠。

厂房进水口上游侧设5.0m长混凝土水平护面,护面顶高程 129.65m,低于进水口底板高程130.65m,以防推移质进入流道,水平护面上游以1∶5坡度护至高程141.00m,与渠道底面衔接,由于电站进水口底板高程低于引水渠渠道底部高程,为防止大量泥沙淤积厂前或推移质进入进水口,仍需采取有效的防沙措施。

考虑到丹江口水库库容较大,引水干渠从水库中取水,引水干渠中泥沙含量较少,特别是推移质含量较少,从工程的正常运行以及工程维护的角度综合考虑,采用排沙方案。

因此,在电站厂房进水渠前设置混凝土导沙顺坎和丁坎一道,渠道内的泥沙将由导沙坎直接导向引水闸,冲往下游,其中导沙顺坎和渠道水流方向平行,丁坎和坝轴线方向成10°角,以利于导沙。导沙坎全长约155.0m,顶部高程140.00m,坎顶高于渠道底部0.5m。

厂房尾水管出口处设10m长混凝土水平护坦,护坦顶面高程为131.70m,与尾水管底板同高,水平护坦下游接1∶5反坡至高程141.00m,然后与渠道底面衔接。

4.5 上下游渠道

闸上游引渠段全长约4.4km,原地面高程在160～185m之间,原设计渠底板高程140m,开挖深度12～47m,渠底宽度30～35m,渠道开口宽150～430m,渠边坡主要由Q1、Q2及Q4粘性土构成,局部渠段渠底及渠坡下部为奥陶系中统灰岩及其残积层。

上游引渠在初期工程开挖过程中,曾发生过边坡稳定问题,初期工程对开挖过程中出现的局部失稳进行了处理,对渠坡采取了坡面排水措施,并对渠坡下部用干砌石进行护坡,运行至今未发现问题。

鉴于渠坡地质结构多为单一土层结构,少量渠段为上粘性土,下硬质岩石结构。

丹江口水库蓄水至170m以后,水位上升13m,部分渠坡土体力学性质将会有所降低,为防止水位变副带可能出现的小规模失稳,对157m以上人工边坡采用干砌石护坡,护坡后30cm,砂砾石垫层厚10cm。

由于在初期工程下游有约260m的渠道已按渠底宽40m建成,本阶段利用此渠段约238m。闸下消力池及电站尾水渠采用圆弧段渐变与下游总干渠处平顺连接,连接段两侧采用重力式混凝土挡墙,底板采用30cm厚的混凝土。