水库泄水建筑物结构型式的设计

罗　媛

(深圳市水务规划设计院有限公司新疆分公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

1　工程概况

某抽水蓄能电站是为电力系统提供调峰、填谷和紧急事故的备用，其内部构件有上水库、输水系统、发电厂房、下水库等，属于Ⅰ等大(1)型工程，设计发电量为20亿kW·h，年抽水电量为26.8亿kW·h，根据其运行特性，主要是在下水库布设泄水建筑物，并置于右坝头库岸段，以满足双向挡水的需求。该电站的下水库枢纽包括挡水、泄水及补水建筑物，还有进出水口、库岸、库盆等，其中：挡水建筑物属于均质土坝，坝顶的宽度及高度分别为7 m、11.4 m、轴线全长为833 m。库岸则是开挖形成的库岸挡水，泄洪闸则是由固定式启闭机启闭控制的4 m×5.9 m工作闸门所构成。

2　结构型式的设计分析

2.1　设计思路

水库的周边要设置一定数量的截水沟和排洪渠，在下水库区域内的来水主要是大气降水，其集雨面积为0.71 km2，大体对应水库正常蓄水位的水面面积。上、下水库24 h的暴雨、洪量设计，见表1。

2.2　泄水建筑方案比对及确定

根据本工程的具体情况，可以对下水库泄水建筑物的泄洪形式进行如下设计比选和分析[1]：

表1　上下水库设计暴雨、设计洪量成果

(1)埋设外包混凝土钢管泄洪。这是泄水建筑方案一，它是利用钢管设置于挡水坝中部地势较低的坝体底部区域，并放置在基岩槽内。取水口和出水口分别位于下水库内和沙河水库内，进出水口的中心线高程为14.9 m。泄洪管位于出水口处，并内设电动蝶阀，当下水库的水位处于正常状态时，可以开启阀门让其自动泄洪。通过计算分析，上水库24 h的暴雨洪量总计为37.9万m3，下水库在24 h的暴雨洪量总计为59.2万m3，以3 d的泄水实际时间为限，实际所需的泄水钢管为直径1.8 m的四根钢管。

(2)埋设钢筋混凝土管泄洪。这是泄水建筑方案二，它相较于之前的方案一来说，区别在于钢管的材料不同，其他没有明显的差别。

(3)混凝土溢流堰泄洪。这是泄水建筑方案三。它是在挡水坝中部设置溢流坝段，并使之与土石坝相联结。溢流堰设计为开敞式的WES型实用堰，其具体的规格为：高6.5 m，底宽为13.4 m，顶部高程为19 m。通过相关的计算和分析，可知溢流堰在泄水时间为6.6 h的条件下，其溢流孔净宽为35 m时可以最大程度上满足泄洪的要求。具体的布置型式为：五个溢流孔的单孔宽度分别为7 m，各孔之间及两侧可以设置闸墩，其厚度为2.5 m，并使重力挡土墙式边墩与土石坝相联。

(4)泄洪设施方案比对选择。在对上述不同的泄洪方案的比对、计算和分析之下，获悉其工程投资依次为2489.1万元、2502.0万元、2910.5万元，由此可见，方案一：埋设外包混凝土钢管泄洪是性价比最优的设计方案，通过计算和分析可知其布置相对简单，管道具有良好的受力条件，投资成本最小，并且中间溢流坝段与两端土坝的联结处理效果良好，因而方案一是最佳的设计方案选择。

3　方案的补充论证

3.1　泄水建筑物比选方案。

在初步计算和分析之下，埋设外包混凝土钢管泄洪方案尽管有性价比最优的方案，但也存在一些缺陷和问题，具体表现在以下方面：

(1)下水库大坝是采用双向挡水的设计方式，为了满足下水库大坝的运行、检修需求，要设置双向挡水蝶阀和检修蝶阀，基于一条泄洪管设置扇蝶阀的要求，下水库大坝的四条泄洪管要设置12扇蝶阀，这就增大了设计的难度。此外，电机不能入水，这就使下水库大坝的结构设置、配套设置都更为复杂，增大了工作和检修的难度[2]。

(2)下水库泄洪管处的双向挡水蝶阀要投入较多的资金，而且国内可选择的生产厂家极其稀少，通过价格询问和调研，发现双向硬密封的电动蝶阀通常为250万元/台，如果依照上面的设计，四条泄洪管要设置12台蝶扇的情形则要投入3000万元的资金，这就极大地增加了土建成本、机电装置安装成本等，产生了较大的经济压力[3]。

(3)外包钢筋混凝土钢管的施工敷设方式大多是位于土坝的底部区域，这就对钢筋混凝土钢管的排架基础埋深施工提出了较高的要求，需要处理较大的基础工程量，并有不同程度的外在干扰和影响，对于钢管埋设造成了较大的难度[4]。

通过对上述埋设外包混凝土钢管泄洪方案的问题和不足分析，要结合该电站的具体运行状态和需求，进行补充方案的比选和分析。

3.2　泄洪闸的运行方式设计分析

该电站的每天泄洪时段为：电站发电时，下水库水位抬高到正常蓄水位19 m时，打开控制闸门自流泄洪，待水位回落到正常蓄水位19 m时停止泄洪。在这个排洪时段内，主要是将上水库和下水库的入库洪量排入沙河水库，确保电站的正常工作和运行。

该电站的下水库设计预留了上水库检修时的库容，在下水库正常运行的过程中，可以在不泄洪的前提下全装入191.5万m3水量；而沙河水文站可以满足下水库一年之内的洪水，其最大年降水量达到了1618.6 mm，可以确保水库各建筑物的安全性和稳定性[5]。通过分析，该电站上水库和下水库都具有全装设计暴雨洪量的能力，沙河流域与上、下水库之间可以实现彼此之间的调剂，即：当沙河流域处于汛期时的洪水水位时，则可以将其存入到下水库之内；而在上、下水库出现洪水水位时，则可以将洪量排入到先行退去的沙河水库之内。

根据对沙河水库历年的水位资料调查和分析，其多年的平均最高水位和最低水位分别为18.3 m、13.8 m；汛期的最高及最低水位分别为20.1 m、15.5 m。由此可知，该电站可以确保其下水库的洪水适时排入到沙河水库之中，使电站的工作水头处于正常运行的状态之下。

3.3　泄洪闸结构设计分析

(1)工程地质条件分析。从该电站的下水库的工程地质条件来看，其地形处于相对平缓的状态，基岩部分主要为晶屑凝灰岩、安山斑岩，这些岩石发育存在裂缝，不具有良好的完整性。该水库泄水建筑物的场址处于地震基本烈度为7°的区域，因而要设计乙类的水工建筑物，以较好地达到抗震效果[6]。

(2)泄洪闸布置。要充分考虑水库泄水建筑物所处的地形、地质条件，要采用尽量少挖少填的设计方式，并使之满足泄洪的基本要求。泄洪闸的设计部位为大坝的右坝头库岸段，包括进口引水渠、控制段、泄槽段、启闭机房等。该泄洪闸的结构底部高程为17 m，控制段闸室要设置检修门和工作门，泄槽为开挖形成的梯形断面，并以衬砌混凝土或草皮进行护坡，并具体根据泄槽高程的不同进行适宜的护坡设计。最后还要开挖明渠，使之与沙河水库相连。

(3)泄洪闸泄洪能力复核。重点分析下水库与沙河水库不同水位的泄流能力的对应性，在不同的水位之下其泄洪能力具体表现为：下水库水位比沙河水库的水位大时，其泄洪能力随着水位的上升而递增，而泄洪时间则逐渐缩短。当下水库水位在19 m开始泄洪，沙河水库的水位要比下水库水位低0.5 m时，其泄洪闸的结构尺寸能够较好地满足下水库的排洪需求。

(4)泄洪闸稳定应力复核。这是通过荷载组合进行计算的方式进行复核，结合下水库的具体情况进行分析，最终获悉：该电站的泄洪闸可以较好地满足各种工况条件下的排洪应用，具有较强的抗滑稳定性和基底应力，安全性和稳定性良好。

4　结　语

通过对不同方案的适当比选、设定、计算和分析等方式，较好地进行优化选择，兼顾水库各建筑物的施工进度、投资等方面的要求，使水库相关建筑物在结构型式、技术、经济、施工，以及维护等方面满足相关的建筑要求，并重点考虑水库下闸的优化程序，缩短下闸的时间，并拟定相应的方案应急计划和措施，以确保水库度汛安全。