西川水库放水建筑物及溢洪道建设方案探析

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。