西川水库放水建筑物及溢洪道建设方案探析

2018-07-13 08:33
水利科学与寒区工程 2018年5期
关键词:冲砂水洞涵洞

钟 飞

(商洛市水电勘测设计院,陕西 商洛 726000)

1 概 况

西川水库座落在乾佑河一级支流王家河支流西川河上,坝址位于柞水县下梁镇老庵寺村,水库枢纽工程由大坝、放水洞、溢洪道等组成。坝址以上控制流域面积9.27 km2,总库容28.8万m3。工程于1975年12月完工,是一座以灌溉为主,兼有防洪、水产养殖功能等综合利用的小(2)型水库。根据水利部《水库大坝安全鉴定办法》[1],柞水县水利局组织有关专家,对西川水库大坝进行了安全鉴定工作,放水建筑物和溢洪道病险严重,需进行除险加固。

2 放水洞、溢洪道存在问题

放水洞位于大坝右岸,由放水卧管和放水涵洞两部分组成。放水卧管分13级,放水涵洞长70 m,为矩形断面,断面尺寸为0.45 m×0.70 m,设计流量0.33 m3/s。经过40多年运行,放水卧管已有4阶被淤积掩埋。卧管放水口顶盖缺失漏水,侧壁漏水。经现场检查发现放水涵洞出口漏水约15 L/s。加之洞身尺寸较小,无法进洞检查、维修,造成放水设备无法正常工作,放水闸门损毁,危及大坝安全。

溢洪道位于大坝左岸,为开敞式正型,由进口段、控制段、泄槽段组成。进口段喇叭口长15 m,底宽24~14 m,控制段溢流堰顶宽度为14 m,设计堰顶高程843.99 m,设计泄流量52 m3/s。经现场调查,溢洪道进口底板漏水,两侧砂浆抹面边墙和勾缝均出现脱落,出口岸坡无砌护,下泄洪水冲刷岸坡;尾坎基础砌体出现冲蚀、石块剥落。基本不具备安全泄洪的能力,泄流将会危及坝体安全。

3 放水洞方案设计比选

根据西川水库放水洞布置形式,并结合周边的地质、地形条件,分析认为原放水设施修复的难度较大,本次加固拟定对原放水涵洞进行封堵,另行新建放水设施。具体工程处理措施为:对原放水涵洞进行封堵;在坝体右侧新建Ф600预应力钢筋混凝土管,起放水兼具冲砂作用,同时在管进口布设工作闸门。对原放水渠道进行部分拆除,埋管出口处新修C20钢筋混凝土渠道55 m,并在渠道上布设一道冲砂闸和一道放水闸;新修放水闸房。

3.1 进水口形式选择

结合现场实际情况,本次设计进水口选择了斜拉闸方案与放水塔两种方案。

(1)斜拉闸方案:涵洞进口形式为斜拉闸门一道,闸门尺寸0.6 m×1.3 m;结合大坝上游整修,在上游坝坡设拉杆及支墩等设施通至坝顶并修建闸房,闸房内配套安装QLSD-100KN手电两用螺杆机一套。

(2)放水塔方案:放水塔进口处设检修及工作闸门各一道,孔口尺寸均为0.6 m×0.6 m,其后接Φ=600 mm预应力钢筋混凝土管。塔身采用C20钢筋混凝土浇筑,其断面为圆形,直径4.0 m,塔壁厚度0.4 m,内径3.2 m。启闭机平台高程848.91 m。塔顶与坝顶采用工作桥联通。工作桥采用C25钢筋混凝土预制T梁结构,总跨度16 m,共分两跨。桥面高程848.91 m。塔顶闸房内安装QLSD-100KN手电两用螺杆启闭机两台。由于塔基及工作桥基均座落于黏土地基之上,为增强其稳定性,塔基及工作桥基均采用C20钢筋混凝土灌注桩处理,灌注桩直径D=0.8 m,塔基下四根呈矩形排列,桩中心线间距均为2.6 m。桩基深度根据其位置不同分别为塔基下12 m、1号桥柱下8.0 m、2号桥柱下5.0 m。

(3)方案比较。从工程量、运行的可靠性、施工难易、日常维护及造价等多方面对两种方案进行比较,见表1。

表1 埋管进水口综合经济技术比较表

从以上比较可以看出,放水塔方案虽然工程量及造价较高,但其运行安全可靠,日常维护简单方便,从水库安全运行的长远角度考虑,其优势是明显的,因此采用放水塔作为放水洞进口的推荐方案。

3.2 坝内放水(冲砂)管方案选择

根据现场实际情况,放水(冲砂)设施坝内埋管设计分两个方案进行比较。分别为大开挖方案[2]和顶管方案。

(1)大开挖方案:封堵原放水涵洞,重新布置管道轴线,将开挖轴线设计为直线形式,形成底宽2.68 m,长约57 m的明槽,槽底高程838.50 m。两侧开挖边坡1∶1.0,并隔5 m高设一道1.5 m宽的戗台。开挖后在坝内埋设Φ600 mm预应力混凝土放水(冲砂)管,长57 m。进水口高程838.50 m埋设比降i=10.2%。放水管出口与下游原渠道相接;由于原涵洞出口放水渠道断面尺寸较小,不能满足设计洪水时冲砂要求,且存在一定程度的损毁和渗漏。因此,对原放水渠道进行部分拆除,埋管出口处新修C20钢筋混凝土渠道55 m,并在渠道上布设一道冲砂闸和一道放水闸,将泥沙导入下游安全地段。

(2)顶管方案:在新建管道轴线位置采取顶管方案。为确保施工可操作性,放水(冲砂)管选用Φ1000 mm预应力混凝土管,在大坝右侧坝体内布设,其中放水(冲砂)管长57 m,放水管出口与下游原渠道相接,由于原涵洞出口放水渠道断面尺寸较小,不能满足设计洪水时冲砂要求,且存在一定程度的损毁和渗漏。考虑以上因素决定:对原放水渠道进行部分拆除,埋管出口处新修C20钢筋混凝土渠道55 m,并在渠道上布设一道冲砂闸和一道放水闸,将泥沙导入下游安全地段。

(3)方案比较见表2。从以上比较可看出大开挖方案工程量和造价均比顶管方案低,且大开挖方案便于机械化施工,施工简单,所以埋管坝内部分选择大开挖方案。

表2 埋管坝内方案比较

3.3 渠道过水能力计算

放水洞进口高程838.50 m,孔口尺寸0.6 m×0.6 m,进口过水能力计算按孔流计算。

(1)当放水时:下游需供水能力按0.33 m3/s设计,在不同水位下通过控制闸门开度来控制其泄量。进口过水能力计算。闸孔为自由出流,孔口0.6 m×0.6 m。

计算公式:

(1)

式中:Q为泄水流量,m3/s;H0为堰上水深,m;μ为流量系数;b为闸孔宽度,m;e为闸门开度,m。

根据公式和过水流量Q=0.33 m3/s设计要求,在正常蓄水位及设计、校核洪水位下计算得相应水位流量开度见表3。

表3 不同水位闸门开度表

由上表可以看出在相应水位开启时进口均可满足过流要求。

(2)当冲砂时:进口闸门部分开启,堰流自由出流。埋管进口闸门开度为0.32 m,同时渠道冲砂闸门全部打开,渠道放水闸门关闭,用来冲砂。埋管出口接C20钢筋混凝土渠道,冲砂时渠道最大设计流量1.41 m3/s,输水时渠道流量=0.33 m3/s。

3.4 结构设计

槽内放水(冲砂)管底高程838.50 m,管道进口布设工作闸及检修闸各一道。结合大坝上游整修,在上游坝坡设放水塔并修建闸房。进口设弧形铸铁闸门2道,闸孔尺寸为0.6×0.6 m,同时闸房内配套安装QLSD-100KN手电两动螺杆启闭机。出口渠道设置放水、冲砂平面铸铁闸门,其中闸孔尺寸为:放水闸0.5 m×0.6 m,冲砂闸0.8 m×1.0 m,并配套安装QLSD-50KN手动螺杆启闭机。

4 溢洪道加固设计

根据溢洪道水毁现状和地形、地质条件,现提出三种改造、加固方案进行比较:

方案一:将溢洪道进口段两侧边墙加高至4.8 m,C20钢筋混凝土衬砌25 cm,底板采用C20钢筋混凝土衬砌,厚30 cm。沿进口段左侧侧墙基岩薄弱段增设锚杆。泄槽段总长27.5 m,本次对原侧墙进行加固,后与跌水式消力段相连接,沿泄槽左侧侧墙基岩薄弱段增设锚杆。在泄槽底部增设纵、横排水盲沟,横向间距5 m。泄槽出口段采用跌水式消能,池底高程831.00~834.00 m,池宽约17 m,落差11.30 m。为防止水流对右侧和下游边墙的掏刷和冲击,保护池边高边坡,边墙用M7.5浆砌石砌护,砌护高度均为14.72 m;由于边坡较陡,只对坡脚进行砌护,厚度为1.5~2.0 m,边坡坡比1∶0.3。下游边坡开挖坡比

1∶0.3,砌护厚度为1.0 m,由坡脚砌护至坡顶。砌石边墙设Φ50 mm排水孔,纵、横排距均为2.0 m,孔后设反滤体,防止水流带走土壤颗粒,墙顶设排水沟。工程共投资54.84万元。

方案二:本方案设计中溢洪道进口段、控制段、消力段与方案一基本相同,仅对泄槽段进行比较。泄槽段总长27.5 m,本次对原侧墙进行加固,后与跌水式消力段相连接。沿泄槽左侧侧墙基岩薄弱段增设锚杆。在泄槽底部增设纵、横排水盲沟,横向间距5 m。工程投资82.25万元。

方案三: 本方案进口段、控制段、泄槽段与方案一相同,仅对出口消力段段进行比较。消力段采用挑流消能,挑射角15°挑流鼻坎为C20钢筋混凝土结构,为增强泄槽与鼻坎的稳定性,设Φ22砂浆锚杆。末端防止水流对右侧和末端山体的掏刷和冲击,其右岸需进行加固,采用方案一加固方案,边墙加高至844.8 m。根据泄槽消能计算结果,总挑距为13.6 m,冲刷坑深5.4 m,坎顶水面流速为6.41 m/s,坎顶平均水深2.33 m。

经比较可以看出,方案一优点是泄槽过流量较大,溢洪道出口对下游边坡无冲刷,开挖工程量相对较小。方案二优点是泄槽过流量最大,缺点是开挖工程量相对较大,泄槽段边墙需要重新砌筑增大了工作量。方案三优点是增大了泄洪能力,缺点是受地形限制,泄流对下游左岸的岩石冲刷严重,挑流段消力池长,冲刷坑深度最深,投资较大。经综合比较,溢洪道改造方案选用方案一。

5 结 语

通过对放水洞进水口形式、放水管方式和溢洪道除险加固方案的比选设计论证,放水洞采用放水塔方式进行大开挖施工加固,溢洪道采用进口段、控制段、泄槽段加固,改造方案经济科学合理,安全性能高。通过加固后,水库各项功能均能得到正常发挥,确保了水库安全,对当地生态环境的改善起到积极作用。

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