石楼县坪底供水工程取水枢纽设计方案比选

程 亮

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原030024）

1 工程概况

石楼县坪底供水工程地处屈产河中游坪底河段。2009年1月，省发改革委对该工程的初步设计进行了批复，同意推荐的重力坝坝型及枢纽建筑物设计方案（6孔溢流表孔加1孔泄流底孔方案）。后因诸多原因，该工程未能实施。

2012年7月，我院受业主委托，重新进行该项目的设计工作。由于该工程任务变化，供水规模增大，原批复的工程规模不能满足现在的需要，因此又进行了设计方案的比选，但是该工程的坝址、坝型仍采用原方案，仅对建筑物的布置和规模进行了调整。

2 设计方案

大坝典型剖面分为挡水坝段、底孔坝段和溢流坝段三种型式：

挡水坝段为标准重力坝型，典型剖面尺寸为坝顶宽度5.0 m，上游坝面为竖直面，下游坝坡坡比1:0.75。

底孔坝段是在重力坝体型基础上，在坝体内中设置冲砂泄洪底孔，并在大坝上游侧布置进水塔，设置检修闸门1道，在大坝下游侧布置闸墩和弧形工作闸门1道，下游通过直线段和反弧段与消力池相连。

溢流坝段堰面曲线在堰顶高程上游侧采用三圆弧曲线，下游侧采用WES幂曲线，曲线下游设直线段和反弧圆曲线段与消力池相接。堰顶每孔设置检修闸门和工作闸门各1道，闸墩顶设宽5m的工作桥与两侧坝顶相通。大坝横剖面如图1所示。

图1 大坝横剖面图

针对供水量增加、规模增大的实际情况，我院在原设计的基础上，对水库的调度方式、消能防冲、泄流建筑物的布置及减少开挖工程量等问题进行了重点研究，针对冲砂底孔与溢流表孔的相对位置及其尺寸大小，我们列出了3个方案并分别进行了研究分析。

2.1 方案一“1孔泄流底孔+6孔溢流表孔”

坝顶总长129.5m，坝顶高程+30.0 m（以坝址主河槽最低处地面高程为0.0 m，下同），最大坝高37.0 m。大坝由左、右岸挡水坝段和溢流坝段3部分组成。左岸挡水坝段长26.0 m；右岸挡水坝段长15.0 m，河床中间布置72.5m长溢流坝段，并在溢流坝段与右岸挡水坝段之间设16m长底孔坝段。

溢流坝段共设6孔溢流表孔，孔口净宽10 m，堰顶高程+17.5；底孔坝段紧邻溢流坝段设单孔有压底孔，断面为4m×4m，底高程+4.5m，出口顶部设置1:6压坡段，出口断面4m×3.5m。

取水方式采用库区取水，在库区右岸距大坝约65m处凹岸，新建一座圆形深井式泵房，布置3台长轴深井泵，2台工作，1台备用。泵房与库岸以交通桥连接。

枢纽平面布置如图2所示。

图2 方案一平面布置图

2.2 方案二“2孔泄流底孔+4孔溢流表孔”

坝顶总长129.5m，坝顶高程+30.0 m，最大坝高37.0 m。大坝由左、右岸挡水坝段，左、右岸溢流坝段及中间底孔坝段5部分组成。左岸挡水坝段长22m；右岸挡水坝段长19.5m，左、右岸溢流坝段均为32m，底孔坝段布置在两溢流坝段中间，长24m。

左、右岸溢流坝段各设2孔溢流表孔，单孔净宽12m，堰顶高程+17.5m；底孔坝段共设2孔有压底孔，断面为6m×6m，底高程为+4.0 m，出口顶部设置1:6压坡段，出口断面6m×5.3m。取水方式同方案一。

枢纽平面布置如图3所示。

图3 方案二平面布置图

2.3 方案三“2孔泄流底孔+3孔溢流表孔”

坝顶总长134.1m，坝顶高程+30.5m，最大坝高37.5m。大坝由左、右岸挡水坝段、溢流坝段和底孔坝段4部分组成。左岸挡水坝段长35.6m，右岸挡水坝段长19.5m，溢流坝段长51m，底孔坝段位于左岸挡水坝段与溢流坝段之间，长28m。

溢流坝段共设3孔溢流表孔，孔口净宽12m，堰顶高程+16.0 m；底孔坝段共设2孔有压底孔，底高程+4.5m，其他尺寸同方案二。

取水方式采用库区取水，以底孔坝段进水塔边墙为基础，建一座深井式矩形泵房，布置3台长轴深井泵，2台工作，1台备用。泵房与坝顶直接相通。

枢纽平面布置如图4所示。

图4 方案三平面布置图

3 设计方案比选

3.1 供水量

依据该工程的水文条件和各建筑物的泄流能力，进行调算，结果见表1。

表1 各方案洪水调节成果果表

三个方案的年供水量相同。方案三总库容分别大于方案一、二91万m3和81万m3，其校核洪水位比方案一、二分别高出0.86m和0.79m。

3.2 消能防冲

可供选用的消能方式主要有：底流消能、挑流消能和面流消能。

1）挑流消能

按正常蓄水位+23.5m时，相应的下游水位为+8.79m。依据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）5.4.1条，挑流鼻坎最低高程，宜高出设计洪水时下游水位，经计算分析，最终确定鼻坎高程+9.043m。

上游库水位至鼻坎顶的高程H=23.5-9.043=14.457m，依据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）附录A.4.1提供的公式计算挑距和冲坑深度。计算结果见表2。

表2 挑流计算成果表

该消能方式存在的问题：

（1）底孔段因出口底板高程为+4.0 m，远低于下游水位+8.79m，不宜布置挑流；

（2）左岸地形高程+9.0～+16.0 m，冲坑底高程-7.0 m，会危及底孔坝段的消力池边墙安全，且左岸地势较高，使水流出流不畅，为使水流尽快回归主河槽，开挖量很大；

（3）大流量时，挑距尚可满足要求。但小流量时，挑距短，危及大坝基础。

因此该工程不宜采用挑流方案。

2）面流消能

面流消能也是主要的消能方式之一。其优点：主流在表面，距有底部旋滚，河床加固费用少，开挖量较少；缺点是：水流衔接型式复杂多变，不易控制，下游有较大波浪，适合下游水深大，且变幅小的情况。若该工程要实施面流消能，存在3个问题：

（1）左岸溢流坝段下游河床高程+9.0～+16.0 m，高出了下游水面高程+8.79m，该段下游无水，不具备形成面流的条件。

（2）对右岸溢流坝段和底孔坝段，在设计洪水条件下，下游的最大水深为9.79m，对应的无坎时跃后水深为9.85m，二者基本相当，形成面流较困难。

（3）坝址区河床坡度较陡，为1%左右,坝下游洪水变幅大，对形成面流消能不利。

综上，虽然面流消能可减少开挖量，节省河床加固费用，但不适合本工程。

3）底流消能

原设计方案就是底流消能，坝后设表孔和底孔共用的消力池，消力池后布置海漫。该方案存在开挖工程量大的问题。因大坝设计洪水和校核洪水时泄量分别为2715m3/s和5235m3/s，流量大，泄流建筑物长度占整个大坝长的比例大；而河道在坝址区由左岸奔向右岸，主槽窄而深，两侧台地起伏大，左岸最大开挖深度达20 m，右岸局部达15m，更为严重的是右岸边线距248省道边线仅25m，若大规模开挖，将影响到省道的安全。

当库区出现设计洪水时，坝下游水位+8.79m，出现校核洪水时，坝下游水位+11.40 m。方案一和方案二左岸消力池宽度超出了天然河道的水面范围，难以形成水跃，底流消能的条件不是很充分。而方案三消力池宽度未超出天然河道的水面范围，可形成底流消能。

根据以上资料，从消能防冲的条件看，方案三优于方案一和方案二。

3.3 工程量及投资

三种方案的主要工程量及投资见表3。

表3 主要工程量及投资对照表

方案三投资最少，优于方案一和方案二。

3.4 运行管理

库区冲砂效果方案二和方案三优于方案一，泵站取水口处清淤效果方案三最优。

方案一泄流建筑物由1孔底孔和6孔表孔组成，6孔表孔的开启调度方式复杂；方案二泄流建筑物由2孔底孔和4孔表孔组成，表孔布置在底孔两侧，调度困难，泄水时水力条件不好；方案三泄水建筑物由2孔底孔和3孔表孔组成，调度方便，水流条件较好。

从运行管理方面来看方案三优于方案一和方案二。

3.5 施工条件

方案一泄水建筑物长度79.5m，消力池宽度大，两岸开挖深，开挖工程量大，且需要对省道边坡进行防护；

方案二泄水建筑物长度86m，消力池总宽度更大，开挖工程量较方案一更大，仍需要对柳石公路高边坡防护；

方案三泄流建筑物长度72.5m，消力池宽度最小，开挖工程量也最少,特别是避免右岸高边坡开挖，无需对248省道高边坡进行防护。

综上所述，方案三在消能防冲、工程投资、运行管理和施工条件等方面优于方案一和方案二，因此选定方案三为工程最终的布置方案。

4 结语

设计方案的比选是方案设计阶段的核心内容，通过拟定可能实现的不同方案，逐一进行对比分析，选择施工难度小、投资总额少、投资效益大的相对最合理方案为工程的最终设计成果，以保证投资效率的最大化。