汾西县北掌水库泄洪设施方案比选

刘科良

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概述

北掌水库位于汾西县南掌村南对竹河的一级支沟上，距离汾西县城约15 km，坝址以上控制流域面积6.66 km2，总库容 465.5万m3，大坝为均质土坝，坝高42.2 m，坝长266.6 m。

北掌水库为中部引黄工程汾西县的调蓄水库，其水源主要为中部引黄交汾灵支线2号输水隧洞，分水口为汾西县对竹镇北掌出洞口，桩号51+247.5，高程924.3 m，设计引水流量1.563 m3/s。主要供水任务包括永安镇、对竹镇、?香镇、和平镇、僧念镇、佃坪乡、团柏乡、邢家要乡8个乡镇的城镇生活、工业和农业灌溉用水，共4 010万m3，其中城镇生活供水130万m3，工业供水1 110万m3，农业供水2 770万m3。

2 泄洪设施方案

北掌水库作为调蓄水库，对竹河一级支沟南掌村南部的沟谷内基本无基流，30年设计洪水流量为161.5 m3/s，洪量36.7万m3；300年校核洪水流量为285.6 m3/s，洪量74.2万m3，洪量相对较小。鉴于本水库洪量较小，设计采用导流泄洪洞+溢洪道方案和单设导流泄洪洞方案进行技术经济比较。

2.1 单设导流泄洪洞方案

考虑北掌水库作为调蓄水库，且布置在支沟内，控制流域面积较小，区域内洪水较小，所需泄洪量偏小的实际情况，确定导流泄洪洞设计原则为：在满足施工导流的前提下，结合运行期的泄洪要求，尽可能采用较小的经济合理的施工断面。

导流泄洪洞布置在水库右岸，进口布置在大坝上游右岸紧邻大坝的冲沟内。导流泄洪洞在平面上呈曲线布置，由引渠段、进水塔闸室段、无压洞段、出口消能段及排水渠道组成，隧洞全长430.6 m。

引渠：为施工导流，在河道主河床与导流泄洪洞进口之间开挖引渠，长69.7 m，梯形断面，渠底高程942.5 m，渠底宽 2.5 m，开挖边坡 1∶2，此段不衬护，开挖后进行平整夯实。

进水塔：采用矩形塔式钢筋混凝土结构，顺水流方向底板长9.54 m，垂直水流方向底板宽6.1 m，塔底板高程942.5 m，塔顶（检修平台）高程同坝顶为973.5 m，塔高32.0 m。塔壁及底板均采用C25钢筋混凝土结构，塔壁厚1.0 m，底板厚1.0 m。进水口底高程951.5 m，采用喇叭形进口，上唇曲线设计为椭圆曲线，左右边墙设计为1/4圆形，半径1 m。塔内从上游至下游依次布设事故检修门（拦污栅与事故检修门共用同一门槽）和工作门，其中事故检修门孔口尺寸2.0 m×2.0 m，底高程951.5 m；工作闸门孔口尺寸2.0 m×2.0 m，底高程942.5 m。工作闸门后塔壁设一个0.8 m×2.0 m的通气孔。

洞身段：进水塔后接无压洞，隧洞洞身横断面为城门洞形，按围岩类别及流量进行断面设计。隧洞底宽2.5 m，直墙高2.2 m，净高3.0 m，顶拱为弧型，其半径为1.377 m，圆心角120°。洞底进口高程942.5 m，总长 275.3 m，纵坡1/100。

隧洞D0+000—D0+236.2为Ⅴ类围岩洞段，长236.2 m，采用C40钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度400mm。一次支护采用直径25 mm系统锚杆、挂钢筋网及喷120 mm厚C20混凝土组合式结构，钢筋网为直径8 mm钢筋，网格间距150 mm，系统锚杆设置在顶拱120°范围内，长2.0 m，间排距 1.0 m，梅花型布置，在局部围岩破碎段辅以钢拱架进行支护。

隧洞D0+236.2—D0+275.3为土洞段，长39.1 m，采用抗渗标号为W8的C40钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度500 mm。一次支护采用挂钢筋网和喷150 mm厚C20混凝土组合式结构，钢筋网直径8 mm，网格间距150 mm。必要时采用超前小导管注浆加钢拱架支护。

消能段：采用底流消能工，消力池池长15.5 m，池深1.2 m，池底宽4 m。

导流泄洪洞泄流能力计算：当进水塔泄洪时按有压进口计算，且考虑到导流泄洪洞为无压隧洞，按照无压隧洞条件，最大泄量计算如下：根据《水工隧洞设计规范》，无压隧洞洞内水面线不宜超过直墙范围，且在掺气水面线以上的空间，宜为断面面积的15%～25%。按照导流泄洪洞洞内最大水深，即水深在直墙段顶部（此时的净空率为17.5%）时，核算无压洞的泄量为 30 m3/s。

2.2 导流泄洪洞+溢洪道方案

导流泄洪洞布置同前方案，为无压隧洞，设计断面由最小经济施工断面控制，断面型式为城门洞形，断面尺寸 2.0 m×2.5 m（ 宽×高），最大泄量20.12 m3/s。

溢洪道布置在大坝左岸台阶地上，进口位于坝轴线上游约96 m，溢洪道轴线距左坝肩最近点约19 m。溢洪道为开敞式正槽溢洪道，宽顶堰溢流，堰顶高程971.5 m，堰宽10.0 m。溢洪道由引渠段、控制段、渐变段、泄槽段、消能段组成，总长217.0 m。溢洪道为土基上溢洪道。

引渠段：根据地形水流条件，进口为喇叭口，采用浆砌石结构，底高程971.5 m，两侧弧线曲面导墙顶宽0.3 m，边墙高 1.5～3.0 m，边坡 1∶0.3。 引渠段开挖断面为梯形，进口底宽约为10 m，土质边坡1∶1。

控制段：体型为平底宽顶堰，为钢筋混凝土结构，堰顶高程971.5 m，长10.0 m，溢流堰上游设2.0 m齿墙，齿墙底宽0.5 m。两侧边墙顶宽0.5 m，高3.0 m，底板厚1.0 m。混凝土为C25钢筋混凝土。控制段地基为第四系中更新统冲积微红色、鲜红色低液限黏土，地基土具湿陷性，为自重湿陷性场地，地基湿陷等级为Ⅲ级（严重），采用素土挤密桩进行处理。

泄槽段：为M7.5浆砌石结构，底板厚0.6 m，两侧边墙厚0.5 m。为防止变形，底板和边墙连接处设纵缝，沿水流方向每10 m设1条横缝，纵、横缝均为平缝，缝内设橡胶止水带，沥青砂浆封堵。泄槽底板设直径50 mm的排水孔，间排距2 m，梅花型布置。泄槽段地基为第四系中更新统冲积微红色、鲜红色低液限黏土，地基土具湿陷性，为自重湿陷性场地，地基湿陷等级为Ⅲ级（严重）。采用3∶7灰土进行换基，厚度0.5 m，换基范围在地基轮廓线往外各0.5 m。灰土垫层和浆砌石底板之间采用厚0.3 m碎石垫层过渡处理。

消能段：采用挑流消能工，末端与主河槽衔接（主河槽为岩基）。挑流鼻坎为连续式，反弧半径10.0 m，坎顶高程940.67 m，射角度20°。挑流鼻坎段边墙高1.5 m，墙顶宽度0.3 m。鼻坎边墙和底板均为钢筋混凝土结构，为提高挑流鼻坎的抗冲耐磨能力，在其迎水面设30 cm厚C35钢筋混凝土，其余部分均为C25钢筋混凝土。

溢洪道泄流能力计算：根据《溢洪道设计规范》计算得溢洪道最大泄量为24.8 m3/s，此方案最大设计泄量为 44.9 m3/s。

以上两个方案均满足泄洪要求。

根据上述两个方案的泄量曲线，经过洪水调节计算，成果见表1。

表1 洪水调节计算结果

溢洪道+导流泄洪洞方案，溢洪道投资估算170.8万元，导流泄洪洞投资估算380.3万元，总投资551.1万元。单导流泄洪洞方案投资估算449.7万元。

3 方案比较

3.1 单设导流泄洪洞方案

单设导流泄洪洞方案隧洞底宽为2.5 m，净高3.0 m，断面比较宽裕，利于施工，且投资比导流泄洪洞+溢洪道方案节约了101.4万元。但无超泄能力。

3.2 导流泄洪洞+溢洪道方案

该方案有较大的超泄能力，遭遇超标准洪水时，可保证大坝安全。但导流泄洪洞断面较小（底宽2.0 m，净高2.5 m），施工难度相对较大；溢洪道处于土基上，可能会出现不均匀沉降；投资相对较大。

4 结论

北掌水库作为中部引黄工程的调蓄水库，坝址以上控制流域面积仅6.66 km2，沟谷内基本无基流，综合考虑水库的功能、技术经济条件，最终确定采用单设导流泄洪洞方案。