阿湖水库溢洪道扩建工程设计研究

夏 辉，徐 波，陈 伟

(1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225217；2.扬州大学 水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225009)

新疆克孜勒苏柯尔克孜州阿湖水库地处阿图什市境内布谷孜河上游。2010年9月，阿湖水库遭受了超百年一遇洪水考验，虽然抢险成功，但汛情已十分危急，坝身安全出现重大险情。另外，随着克州经济的发展、工业园区的建成以及城市化进程的加快，阿湖水库供水需求的增加与水库防洪安全之间的矛盾日益明显、激化。因此，抬高阿湖水库汛限水位，增加蓄水量以满足兴利要求迫在眉睫。为解决水库蓄水与防洪矛盾，保证水库防洪安全，急需实施阿湖水库溢洪道扩建工程。

工程的主要任务是在增加水库供水量、减小水库供需水矛盾的情况下，解决水库的防洪安全问题。通过抬高水库汛限水位，增加水库的蓄水量，满足工农业发展的用水需求；实施溢洪道扩建，增大下泄能力，解决增加蓄水导致防洪库容减小的矛盾，保证水库防洪安全。

1 工程等别

阿湖水库工程等别[1]为III等。防洪标准[2]为100 a一遇洪水设计，1000 a一遇洪水校核。阿湖水库所在地地震动峰值加速度为0.3 g，相应地震基本烈度为8°。

2 溢洪建筑物方案比选

阿湖水库长期运行，库底淤积严重且水库供水要求不断提高。为了保证水库防洪能力，势必要求增加水库泄流能力。本次设计对隧洞方案及溢洪道扩建方案进行了比选。

2.1 隧洞方案

隧洞设计情况泄流流量为750 m3/s，校核情况泄流流量为770 m3/s。隧洞采用有压隧洞结构，洞身采用圆形结构，洞首采用竖井结构，出口设置底流消能。洞身长度约200 m，根据流量计算确定洞身直径为7 m，隧洞采用“龙抬头”结构，竖曲线圆弧半径均为35 m，洞身衬砌厚度根据现有地质成果取为70 cm。水库下游布谷孜河滩长期处于无水状态，无需排水检修，因此隧洞工作闸门及检修门均布置在洞首，以简化出口结构。隧洞方案估算投资约1000万元。

隧洞方案实施主要存在两个技术问题。

(1)阿湖水库淤积严重，淤积料粒径相对较大，目前水库没有有效的排砂设施，新建隧洞较难结合排砂功能。隧洞泄流能力会受淤积影响，洞身淤积尚可由出口处进洞清除，但洞口淤积清除较为困难。

(2)山体以泥结砾岩为主，隧洞围岩压力相对较大，施工过程安全支护工作较为复杂。

2.2 溢洪道扩建方案

溢洪道设计情况泄流流量为1116.9 m3/s，校核情况泄流流量为1688.1 m3/s。现状2孔溢洪道向右岸再扩建2孔可保证水库防洪能力。为了便于运行、管理及检修，扩建部分控制段与现状控制段同结构，闸门及启闭形式均与现状相同，弧形钢闸门，卷扬式启闭机控制。控制段闸室净宽10.0 m，中墩宽度2.0 m，边墩宽度1.5 m，控制段采用b型驼峰堰结构，泄槽总长度60 m，采用单一纵坡i=0.038，宽度由47.22 m渐变至40.00 m，边墙采用重力式结构，泄槽末端天然沟槽开挖整坡，以满足泄流顺畅要求。溢洪道扩建方案估算投资约800万元。

溢洪道扩建方案实施主要存在两个技术问题。

(1)溢洪道扩建需开挖右岸山体，通常采用爆破施工方法，容易对现状溢洪道结构产生影响，因此爆破施工技术要求较高。

(2)扩建与现状结构之间沉降缝止水难以施工，工程在现状结构加贴20 cm混凝土结构止水施工的方法可较好布置止水，但贴面混凝土浇筑面较大(整个边墩墙面等)，且厚度较薄，因此施工技术要求较高。

2.3 方案比选

隧洞方案与溢洪道扩建方案的优缺点对比如表1所示。

表1 隧洞方案与溢洪道扩建方案的优缺点比较表

由表1可知，工程投资相当的情况下，隧洞施工难度较大，施工安全存在不确定因素，后期管理成本较大且受水库淤积影响；溢洪道扩建工程虽然土石方工程量较大，但总体施工难度相对较小，并且便于运行管理，后期管理成本也相对要小。由此本次设计采用溢洪道扩建方案。

3 溢洪道及溢洪闸设计

为增加水库的供水能力，本次溢洪道扩建抬高汛限水位，增加蓄水量，但减小了防洪库容，需要增加泄量以保证水库防洪安全。溢洪道设计、校核洪水位相应下泄流量见表2。

表2 溢洪道运行水位组合及下泄流量

3.1 溢洪闸泄流能力计算

新建溢洪闸采用驼峰堰b型结构[3]，定型设计水头Hd=5.0 m，上游堰高P1=2.5 m。

驼峰堰泄流公式：

(1)

溢洪闸泄流能力计算结果见表3。

表3 溢洪闸泄流能力计算表

3.2 泄槽水力计算

溢洪道改建后，泄槽为进口宽47.22 m，出口宽40.00 m，单一纵坡i=0.038的矩形断面，长度60 m，按设计流量及校核流量两种情况进行水力设计。根据规范[3]，泄槽水面线的求解方程：

(2)

(3)

由于泄槽上游连接驼峰堰，堰高P1=2.5 m，确定泄槽水力计算起始断面按(4)式计算。

(4)

分别计算泄槽首端至下游30 m处和末端(60 m)水深，在泄槽泄流过程中，计入波动及掺气的水深利用公式：

(5)

式中：ζ为修正系数，取1.3 s/m。

由以上公式，进行泄槽水力计算，现状泄槽最低边墙高度4.5 m，能够满足本次设计下泄流量要求，因此本次拓宽后边墙仍采用原墙顶高程及结构断面形状。

3.3 溢洪道结构布置

阿湖水库溢洪道由进口段、控制段、泄槽三部分组成。

进口段：采用混凝土结构，厚50 cm，长度18 m，斜坡坡比1∶0.5，顶宽30 cm，底宽50 cm；进口段底板、斜坡混凝土结构均采用φ25 mm锚杆，间排距2 m，深入岩层2.5 m，呈梅花型布置。

控制段：4孔开敞式溢洪闸，两块底板，原有底板两孔一联，扩建两孔，同样采用两孔一联独立底板。采用驼峰堰b型结构，定型设计水头Hd=5.0 m，堰顶高度P1=2.5 m，驼峰圆弧半径2.625 m，底板总长度24 m，扩建2孔闸室底板总宽25 m，底板地基采用锚杆(φ25，深4 m，间距2.0 m)和固结灌浆(孔深4 m，间排距3.0 m，梅花型布置)进行处理；中墩宽度2 m，边墩宽度1.5 m，进出口均采用半圆形墩头；闸门采用弧形闸门，孔口尺寸10.0 m×5.5 m；闸门启闭机采用固定卷扬式启闭机；控制段下游墩顶设5 m宽现浇板混凝土梁式交通桥，荷载等级公路Ⅱ级，距墩顶上游侧4.39 m处设置1.9 m宽行人便桥。

泄槽：总长度60 m，采用单一纵坡i=0.038，宽度由47.22 m渐变至40.00 m；底板采用分离式底板结构，顺坡长5.0 m，横向长4.0 m或4.5 m，厚1.0 m，错缝布置；泄槽末端为天然“V”字形泄洪山沟，本次溢洪道扩建工程泄槽向右岸扩宽，拆除原右岸挡墙结构，经复核，新建挡墙布置方式、结构与原挡墙相同，并且为了保证洪水下泄通畅，对泄槽末端山沟进行修整，底宽40.00 m，边坡1∶0.3，至天然宽阔河滩。

3.4 控制段稳定计算

根据《水闸设计规范》[4]，抗滑安全稳定计算公式：

(6)

式中：f为基底面摩擦系数，取值0.6。

基底应力：

(7)

式中：A为底板面积，m2；e为偏心距，m；L为底板顺水流长度，m。

由表4中计算成果可知，各种工况下抗滑稳定安全系数均满足要求。

表4 控制段抗滑稳定计算成果表

4 结 论

本次设计采用溢洪道扩建方案是安全合理的。可为类似工程提供设计及施工的相关经验。

参考文献：

[1] 中华人民共和国水利部.水利水电工程等级划分及洪水标准：SL 252—2000[S].北京：中国水利水电出版社，2000.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 防洪标准：GB 50201—2014[S].北京：中国计划出版社，2014.

[3] 中华人民共和国水利部.溢洪道设计规范：SL 253—2000[S].北京：中国水利水电出版社，2000.

[4] 中华人民共和国水利部.水闸设计规范：SL 265—2001[S].北京：中国水利水电出版社，2001.

Abstract：In order to resolve the contradiction between reservoir impounding and flood control, and ensure the safety of reservoir flood control, the spillway expansion plan was optimized by comparing the advantages and disadvantages of these two schemes in investment, construction and management. The scheme has good adaptability and can reduce the project cost appropriately.

Keywords：spillway；tunnel；scheme comparison and selection；design scheme