新疆某水库溢洪道布置方案比选

张生财（吐鲁番地区水利水电勘测设计研究院，新疆 吐鲁番 838000）

新疆某水库溢洪道布置方案比选

张生财
（吐鲁番地区水利水电勘测设计研究院，新疆 吐鲁番 838000）

某水库工程位于新疆维吾尔自治区境内，是山区重要控制性工程，水库具有防洪、供水、灌溉等综合利用效益。控制灌溉面积10.7万亩，担负下游工业园区、矿区和农业灌溉的供水任务，本工程溢洪道设计方案由于地质、地形地貌等条件的限制，对方案设计进行比选和优化。

水库工程；溢洪道；优化设计

1 工程概况

某水库工程位于新疆维吾尔自治区境内，是山区重要控制性工程，水库具有防洪、供水、灌溉等综合利用效益。控制灌溉面积10.7万亩，担负下游工业园区、矿区和农业灌溉的供水任务。工程坝址多年平均年径流量为1.343×108m3，多年平均流量4.26m3/s。

工程枢纽部分主要建筑物由大坝、溢洪道、导流洞和灌溉放水洞工程组成。水库泄水建筑物为开敞式溢洪道，溢洪道按100年一遇设计，2000年一遇校核。水库防洪限制水位为943.0m，防洪水位944.5m，溢洪道堰顶高程为939.0m，选择3孔8m宽开敞式溢洪道泄洪。

溢洪道布置在右岸，采用直线布置，纵轴与大坝轴线夹角为161度18分35秒，为开敞式正槽岸边溢洪道，闸门控制。溢洪道包括进水渠、控制段、泄槽和消能防冲设施四部分组成。

2 溢洪道设计方案比选

2.1 溢洪道设计方案Ⅰ

溢洪道布置在右岸，采用直线布置，纵轴与大坝轴线夹角为166.48°，为开敞式正槽岸边溢洪道，闸门控制。溢洪道包括进水渠、控制段、泄槽和消能防冲设施四部分组成。

（1）进水渠

进水渠为一矩形平底宽渠道，平坡坡底，宽度28m，轴线长73.9m，底板高程936.75m，底板及导墙采用混凝土砌筑，底板衬砌厚度0.6m，边墙重力式挡土墙，顶宽0.4米，底宽6.45米。

（2）控制段

控制段中溢流堰采用驼峰堰（b），堰顶高程939.0m，利用3扇8×5.5m（宽×高）的弧型闸门控制，驼峰堰沿水流方向长为13.46m，中墩厚度2.0m，边墩顶宽1.0m，底宽6.8m，控制段沿水流方向长20.0m，堰底建基面高程934.25m，安装三台液压启闭机。为满足交通要求，闸墩上游侧布置公路桥，桥面宽4m，桥面高程为950.26m，与大坝坝顶相接。

（3）泄槽

根据地形，泄槽沿山坡而下，控制段后40m为渐变段，泄槽宽度由28m渐变为20m，渐变段后等宽布置，泄槽采用矩形断面，总长189.4m，纵坡25.9%，泄槽底板厚度0.6m，侧墙为挡土墙结构，上部厚度0.4m，底部厚度3.0m，泄槽采用整体式钢筋混凝土结构；两段侧墙高度按考虑均采用波动和掺气后的校核水面线加超高确定，侧墙高度为5.5m。

（4）消能防冲设施

泄槽未端接15m长的挑流消能段，挑流鼻坎半径30m，挑角为 15度，挑坎顶高程888.24m，校核流量最大挑距110.64m，出坎流速32.7m/s，冲刷坑深度34.6m，冲刷坑后坡i=0.313。

2.2 溢洪道设计方案Ⅱ

溢洪道布置在右岸，采用直线布置，溢洪道纵向轴线与大坝轴线夹角为161度18分35秒，为开敞式正槽岸边溢洪道，闸门控制。溢洪道包括进水渠、控制段、泄槽和消能防冲设施四部分组成。

（1）进水渠（0-070.76～0-005.7）

进水渠为圆弧形段，半径为82.844m，夹角为43度54分43秒，衬砌结构为矩形平底宽渠道，平坡坡底，宽度28.0m，底板高程936.75m。底板及导墙采用钢筋混凝土砌筑，底板衬砌厚度0.6m。靠近坝体的边墙采用重力式挡土墙，顶宽0.5米，底宽6.98m；靠近山体的边墙采用衡重式挡土墙，顶宽为0.5m，底部宽3.20m。挡土墙高15.81m高，导墙顶部高程为951.46m。

（2）控制段（0-005.7～0+010.3）

控制段中溢流堰采用驼峰堰，堰顶高程939.0m，利用3扇8×5.5m（宽×高）的弧型闸门控制，中墩厚度2.0m，边墩顶宽2.5m，控制段沿水流方向长16m，堰底建基面高程934.25m，安装三台液压启闭机。为满足交通要求，闸墩上游侧布置公路桥，桥面宽4m，桥面高程为950.26m，与大坝坝顶相接。

（3）连接过渡段（0+010.3～0+068.03）

控制段后40.0m为渐变段（0+010.3～0+ 050.3），泄槽宽度由28m渐变为20m，夹角为6度，渐变段后等宽布置，泄槽采用矩形断面，总长40m。在桩号0+050.3～0+060.03段，泄槽采用矩形断面，泄槽宽度为20m，纵坡2.0%。

（4）台阶段（0+068.03～0+132.03）

桩号0+068.03-0+083.43段为台阶高度和水平长度渐变段，与下游台阶相连接，台阶大小依次为（高度 ×水平长度）25cm×140cm，25cm× 140cm，25cm×140cm，25cm×140cm，25cm× 140cm，50cm×140cm，50cm×100cm，50cm× 100cm，50cm×100cm，75cm×100cm，75cm× 100cm，75cm×100cm，75cm×100cm。

桩号0+080.3～0+132.03段，台阶宽度为0.9m，高度为1.0m，泄槽底板厚度0.6m，侧墙为挡土墙结构，上部厚度0.5m，底部厚度3.84m，侧墙高度为7.0m。

（5）输水段（0+132.03～0+245.73）

输水段长度为113.70m，为矩形槽结构，宽度为20m。其中桩号0+132.03～228.53纵坡为3%，边墙高7.0m，靠近坝体侧采用重力式挡土墙，靠近山体侧用衡重式挡土墙（除桩号0+162.03～0+ 182.03采用板桩式，边墙厚 1.0m）。桩号 0+ 228.53～0+233.88采用圆弧连接，圆弧半径为20.0m，圆心角为 40°，与上端和下端平顺相接，边墙高度由7.0m，渐变至10.0m，靠近坝体侧采用重力式挡土墙，靠近山体侧用板桩式挡土墙。桩号0+233.88～0+245.73纵坡i=1.1，边墙高为10.0m，靠近坝体侧采用重力式挡土墙，靠近山体侧用板桩式挡土墙。底板采用分离式面板，底板厚度为0.6m，结构缝设置橡胶止水，在结构缝下面设置排水沟。

（6）消能防冲设施（0+245.73～0+295.73）

输水段末端接消力池，消力池长度为30.0m，深度为4.0m。消力池后接海漫，长度为20.0m，其中水平段长10.0m，缓坡段长10.0m，坡度i= 0.1。海漫末端处用抛石进行回填。消力池段边墙高10.0m，海漫段边墙高6.0m，桩号0+245.73～0+270.73靠近山体侧采用板桩式挡土墙，墙厚度1.0m，其余段及靠近坝体侧挡土墙采用重力式。

3 工程方案比选

3.1 进水方式的比选

通过水工模型试验对原设计方案进行验证，为了消除溢洪道进口左侧引渠导墙对进口水流的不利影响，改善进口绕流流态，提高溢流堰的泄流能力，根据水流的运动规律，试验在原设计方案的基础上进行了必要的修改。由于水流由水库沿导流翼墙进入溢流堰是一个质点加速过程，采用椭圆曲线容易适应这种变化。参考恰甫其海等多个水工模型试验的成功体型，并考虑到本工程的具体情况，对进口左侧采用导流翼墙椭圆曲线方程为:（其长短半轴的比值为1.6），右侧进口导墙保持原设计线型不变。通过模型放水试验，进口流态明显得到改善，水流平稳顺畅。由于对溢洪道进口导墙进行了修改优化，使得闸前水流更加顺畅，有可能会引起泄流量的变化，因此，试验对进口修改后的溢洪道三孔全开库水位～流量关系进行了重新率定验证。通过测验，认为修改后的体型对泄流量的影响不大，可以按照原库水位～流量关系进行设计及运行控制。总之，通过对进口导墙的修改，改善了进口水流流态，实现了水流平稳的进入闸室的目的。

3.2 消能方式比选

溢洪道沿线基岩为上泥盆统天格尔组第二亚组（D 3t b），岩性主要为灰黑色凝灰质粉砂岩、凝灰质砂岩、硅质岩夹页岩、淡灰色凝灰岩，相变较大，属厚至巨厚层状夹薄层状结构。岩层揉皱较强烈，产状一般为 N 45°～70°W，∠65°～76°，倾向山内偏上游，沿线主要有 F 39、F 36、F 37、F 62、F 63、F 64、F 65及F 5等多条断层通过，分布于8#深切冲沟两侧山坡，断倾角均较陡，为 N W向与N E向两组，在剖面上为一对共轭“X”型切割面，断层破碎带宽度一般在1m以内，受断层影响，溢洪道沿线岩体较破碎，缓倾角的卸荷裂隙发育，产状为N 10°～20°W～N 5°～17°E，N E～SE∠11°～35°与层面构成不利边坡稳定块体。溢洪道沿线地表风化剧烈，强风化带厚度较大（其下限埋深15m～30m），其岩体完整性差，抗冲刷能力低。虽然溢洪道堰基及泄槽段沿线由于岩层倾向山内偏上游，倾角较陡，断层与溢洪道轴线交角较大，断层倾角陡，边坡整体基本稳定，但由于强风化带内岩体破碎，卸荷裂隙发育，与断层、层面构成不利边坡稳定块体，对开挖边坡稳定不利，对于边坡稳定处理及支护要求较高，边坡支护工作量大。溢洪道设计方案Ⅰ为一般型式的正槽开敞式溢洪道，泄槽纵坡为25%，消能采用挑流方式消能，沿线地形起伏较大，一般基岩裸露，中段通过8#深切冲沟，冲沟两侧为陡崖，通过对8#深切冲沟进行回填胶凝砂砾石，有利于冲沟两侧的基岩稳定，但存在已经到末端的高边坡的开挖和支护，可以考虑适当调整溢洪道轴线，进一步进行优化设计。溢洪道设计方案Ⅱ，利用原山体走势，桩号0+068.03～0+ 138.38段泄槽采用台阶式消能方式，避免了对原方案泄槽末端地质条件较为复杂地段的大范围开挖支护情况，但在台阶式段存在多条断层，对溢洪道结构产生不安全因素，如对坡面采取锚固措施，施工周期较长施工技术复杂，投资较大。

3.3 投资的选择

溢洪道设计方案Ⅰ泄槽穿过8#冲沟，末端基岩高边坡开挖，不仅在8#冲沟处需做大量回填工作，还要在末端进行大量的岩石开挖，总投资为3892.80万元。

方案Ⅱ减少了8#冲沟处胶凝砂砾石的回填量和泄槽末端岩石的开挖量。利用冲沟地形特点，在此处设置消力池，减少该段石方的开挖量。但是由于消力池段和输水段水深较大，增加了边墙的高度，综合比较，方案Ⅱ总投资为4293.91万元。

方案比选后，方案Ⅰ减少了8#冲沟处的胶凝砂砾石的回填量和泄槽末端岩石开挖量，但增加了泄槽混凝土量，经综合比较，方案Ⅱ较方案Ⅰ相比投资增加约401.11万元。

4 结论与建议

总而言之，针对水库溢洪道设计中根据地形地貌、地质条件等因素，进行溢洪道布置设计方案比选是必不可少的工作，这不仅使水利工程使用功能得到有效发挥，而且还能减少工程投资，节约成本。

［1］冯庆刚.庄里水库溢洪道优化设计［J］.水利科技与经济，2012（05）.

［2］向蕾.某工程溢洪道台阶消能设计优化研究［J］.华北水利水电学院学报，2011（05）.

［3］陈少庆，胡卫红，毛根海.应村水利枢纽工程溢洪道设计方案优化分析［J］.浙江水利水电专科学校学报，2004（04）.

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：1672-2469（2015）03-0083-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.03.029

张生财（1979年—），男，工程师。