双溪水库拦河坝设计方案比选与优化

吴伟民，刘咏梅

(1.福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000；2.湖南水利电力职业技术学院，湖南 长沙 410000)



双溪水库拦河坝设计方案比选与优化

吴伟民1，刘咏梅2

(1.福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000；2.湖南水利电力职业技术学院，湖南 长沙 410000)

双溪水库拦河坝坝址地形具有特殊性，这使其在各设计阶段中出现多种平面布置方案。通过对各方案在枢纽布置、工程造价、泄流安全、运行维护等方面定性和定量的比选，择优推荐综合性能最好的布置方案并对选定方案的拦河坝主要尺寸及细部设计进行了优化。优化后的拦河坝设计方案较好地满足了工程运用要求。图2幅。

拦河坝；设计方案；比选；优化

1 概 述

双溪水库是“福建省重点建设项目”——沙县城南水厂的水源工程，位于福建省沙县南霞乡双溪村境内，工程由拦河坝、引水系统、发电厂房和供水系统组成。拦河坝为细石混凝土砌石重力坝，最大坝高67.0 m，总库容2768万m3，为3级建筑物。

坝址段河流呈“S”流向，左右岸地形不对称，河床宽度10～20 m，正常蓄水位处河谷自然宽度为150～210 m，左岸地形坡度30°～50°，右岸地形坡度30°～45°。坝址地质构造较简单，无较大的不利地质结构面；坝址两岸山坡地表大部分被第四系地层覆盖，河底为冲洪积层覆盖，河岸边、两岸山坡有基岩零星出露；左岸山体未出现风化异常现象，右岸山体310 m高程以上山脊部分风化较深。河床覆盖层下部即为坚硬致密的弱风化基岩，岩体较完整，抗冲能力强；河床两岸山坡基本稳定，但大坝在泄洪冲刷、雾化作用下，局部土质边坡可能失稳。

2 问题的提出

本工程坝址段地质条件较好，但地形条件较为复杂。坝址段河流呈“S”流向，两岸山脊、山谷密集交替分布，不利于坝轴线形式(直线或折线)和位置的确定，难以通过简单分析确定出对枢纽布置合理、工程造价最低、泄流安全度高、运行维护方便的拦河坝设计方案。究竟应该选择怎样的拦河坝平面布置方案？各种方案对工程的综合性能影响如何？如何对比选出的方案进行优化设计，使其更加合理？这些都对工程的安全与经济有着至关重要的影响。

3 拦河坝设计方案比选

3.1 拦河坝平面布置方案

本工程拦河坝采用了3种比选方案。方案1的坝轴线(BZ1)布置在左右两岸的山脊位置(见图1)，坝轴线与下游主河槽方向的夹角约70°，溢流坝段平面位置以消能设计洪水标准情况下(p=3.33%)下泄水流跌落在主河槽位置为原则确定，同时在下泄其他洪水标准时，不会对河床或岸坡产生有害冲刷。方案2的坝轴线(BZ2)是右岸布置在山脊与山谷之间的位置上，左岸布置在岸坡较平缓的山谷位置(见图1)，坝轴线与下游主河槽方向的夹角约90°，溢流坝段布置在主河槽部位。方案3的坝轴线(BZ3)为折线，右岸布置在山脊位置，在右岸靠近河床部位坝轴线顺时针折约20°角，使转折后的坝轴线与下游主河槽方向垂直(见图2)，溢流坝段布置在主河槽部位，下游水流方向与主河槽方向一致。

图2 方案3拦河坝布置

3.2 各种方案的综合性能分析

方案1拦河坝的布置简洁、紧凑，坝轴线(BZ1)最短，主要问题是坝轴线与下游主河槽方向不垂直，溢流坝段的布置和下游消能工设计难度较大。图1中，溢流坝段布置在右岸坡角附近，而此处恰恰是最大坝高位置，因此坝体、下游河床的开挖量很大。同时，溢洪道下游河床及右岸岸坡的支护工程量也很大(岸坡最大开挖深度和支护高度均达30 m左右)，且挑流鼻坎下游的平台高程为273.00 m，河床高程为261 m；为保证在下泄中小流量(洪水重现期为20%，10%，5%)时不对下游河床产生破坏性冲刷，需要在下游修筑二道坝。

方案2拦河坝的布置也比较简洁，且由于坝轴线与下游主河槽方向垂直，有利于溢流坝段的布置和泄洪；但该方案的坝轴线(BZ2)最长，约245 m，坝体工程量最大，特别是右岸坝体基本上全部坐落在山谷位置，对大坝的运行安全和工程维护十分不利，故在一般工程中不采用类似布置方法。

方案3拦河坝的布置综合了上述两种布置方案的优点，克服了它们的缺点。由于右岸坝肩避开了山谷位置，使坝体在运行时不会受到山洪、泥石流的影响。同时，将溢流坝段布置在主河槽部位且溢洪道的轴线与主河道方向一致，有利于溢流坝的下游消能，又大大减小了坝体浇筑、坝基开挖和支护的工作量。虽然折线型坝在外观上有些影响，施工难度和构造措施也会相应增大，但是综合比较在枢纽布置、工程造价、泄流安全、运行维护等方面的性能是最佳的。

4 拦河坝的主要尺寸确定

4.1 非溢流坝剖面尺寸

非溢流坝剖面尺寸基本固定。坝顶高程按满足挡水和防浪要求确定，以“校核洪水位+安全超高”为控制情况，取323.00 m(坝顶未设防浪墙)，河床处最低开挖高程为256.00 m，最大坝高为67.0 m；坝顶长度为231.0 m，坝顶宽度按构造要求取5 m；重力坝上下游坝坡按满足稳定应力要求确定，上游面垂直，下游面坡度为1∶0.75。

4.2 溢流坝尺寸确定

溢流坝尺寸确定的影响因素较多，包括平面位置、溢流前缘长度、堰顶高程、剖面设计和下游消能工设计等内容。溢流坝段的平面位置一般确定在主河槽位置，对于本工程溢流坝段的布置既要考虑下泄水流归槽问题，又要考虑放空底孔和生态放水管的合理设置。本设计对此作了优化布置，使上述两方面的要求均得到良好解决。

溢流前缘长度和堰顶高程的确定是相互影响的，一般先按下游河床允许单宽流量确定溢流前缘长度。本工程河床为坚硬致密的弱风化基岩，单宽流量可取q=50～70 m3/s，考虑到本工程地形较为复杂，故取较小的单宽流量值，在满足泄流安全的情况下，尽量减少挑距。经比选拟定溢流坝段总长23.0 m，设3孔5.0 m×6.0 m(宽×高)平板工作闸门(不设检修闸门)，闸墩及导墙厚度均为2.0 m，则最大下泄单宽流量为33.3 m3/s。将该尺寸代入堰流计算公式，得溢流堰堰顶高程为314.00 m。

溢流坝的顶部曲线由复合圆弧和WES曲线两部分组成，定型设计水头Hd=0.88Hmax；中间直线段坡度为1∶0.80，反弧半径取10 m，反弧底高程275.042 m，出口处鼻坎高程为276.134 m，挑角取28°。

本工程下游采用挑流消能方式，根据《混凝土重力坝设计规范》(SL 319—2005)中公式，分别计算在下泄校核洪水(p=0.2%、上游水位321.71 m、下游水位267.96 m、调洪后最大下泄流量633 m3/s)、设计洪水(p=2%、上游水位320.92 m、下游水位265.83 m、调洪后最大下泄流量335 m3/s)、消能防冲设计标准洪水(p=3.33%、上游水位320.70 m、下游水位264.76 m、调洪后最大下泄流量275 m3/s)时的挑距L(分别为103.8、94.2、90.5 m)和冲坑深度tk，均能满足L/tk>5的要求，且下泄水流归槽效果良好(见图2中的3个“○”点)。

4.3 其他

坝内设置生态放水管，向下游河道放水，生态放水管直径为500 mm，生态放水流量为0.27 m3/s。

5 结 语

本工程坝址段河流呈“S”流向，两岸山脊、山谷分布密集，不利于坝轴线形式和位置的确定。本文从枢纽布置的合理性、工程量及工程造价高低、泄流安全性、运行维护方便可靠等方面对各种可能的拦河坝设计方案进行了比选，择优推荐了综合性能最好的布置方案，并对该方案拦河坝的主要尺寸确定进行了优化计算。优化后的拦河坝设计方案较好地满足了工程运用要求。

[1]SL 319—2005，混凝土重力坝设计规范[S].

[2]钮新强,王小毛,陈鸿丽.三峡工程枢纽布置设计[J].水力发电学报，2009，28(6)：13_18．

[3]雷长海，汪庆元，夏叶青.皂市水利枢纽布置比选及优化[J].人民长江，2008，39(21):18_20.

[4]孙 慧，张 静，刘 军.生态环保的农村水电枢纽布置原则研究[J].小水电，2014(1):23_25.

责任编辑 吴 昊

2016-08-10

吴伟民(1965-)，男，教授级高级工程师，主要从事水利专业课程教学和水利工程设计工作。E_mail:wwm137@126.com