新疆托克逊乌斯通沟水库泄洪构筑物设计分析

陈 巍

(新疆石河子水文勘测局，新疆 石河子 832000)

乌斯通沟水库工程是一座具有综合效益的水库枢纽工程。但由于乌斯通沟河流域内缺少控制性水利工程，主要任务为灌溉和工业供水，遏制灌区地下水超采。乌斯通沟地表水利用程度不高，造成农业灌溉春旱、夏洪、秋缺水的现象较为严重。加之区域内工业园区的不断发展，园区用水规模不断扩大，该区域水资源供需矛盾日益突出。因此在乌斯通沟河兴建拦河控制性水库枢纽工程，以缓解流域的水资源供需矛盾，提高地表水利用率，满足流域各业综合用水要求。本文针对水库的溢洪洞设计进行分析。

1 工程区概况

乌斯通沟水库工程位于吐鲁番市托克逊县伊拉湖乡西南侧乌斯通沟，为年调节水库，水库总库容1 440/1 130万 m3，拦河坝坝高73.0 m，水库下坝址多年平均流量为1.295 m3/s，多年平均径流量为4 084万 m3。水库处于近于平行、相距仅约12 km的夏尔嘎天山主干深大断裂(FⅠ)与936高地南东逆断裂(FⅡ)之间，均为北天山复杂构造带内近期活动的发震断裂。坝址区的地下水主要包括基岩裂隙水与第四系孔隙水，水文地质条件比较简单。其坝区河水、地下水均呈弱碱性，化学类型属HCO3-Ca·Mg(K+Na)类型。据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)环境水腐蚀性评价的判别标准：河水、地下水对混凝土及钢结构均无腐蚀性。

2 泄洪建筑物选型

考虑到本工程挡水建筑物为沥青砼心墙砂砾石坝的特点，在右岸采用正堰明流溢洪洞和正堰溢洪道两种形式进行比较。

2.1 溢洪道方案

溢洪道方案采用直线型布置在大坝右岸位置，为开敞式岸边溢洪道，纵轴与坝轴线夹角呈105.25°，主要由四部分组成：进水渠、控制段、泄槽和消能防冲设施，全程总长327.94 m。

2.2 溢洪洞方案

溢洪洞与溢洪道相同，采用直线型布置于右岸的坝肩位置，纵轴与坝轴线夹角呈84.06°，主要由四部分组成：进水渠、控制段、溢洪洞和消能防冲设施。溢洪洞采用正堰闸门控制进水口、底流消能，全段总长393.37 m。

2.3 方案比选

(1)地形、地质条件比较：由于坝区地形条件特殊，溢洪道泄槽段在施工中需深切一突出的山嘴部位，导致其开挖边坡高达78 m。开挖边坡主要位于强风化岩体内，坡顶分布有卸荷松驰岩体，后侧山坡陡立，且其边岩体受到F30、F31、F34三条断层组合形式的切割，使得当山体受到较大范围内的爆破强扰动时，会产生一定的高边坡稳定性风险。相较之下溢洪洞方案具有明显优势。

(2)施工比较：溢洪洞方案中的洞身主要位于右岸山体内部，且其轴线与垂直坝轴线较为接近，末端出口处靠近临时道路。施工中的建筑材料和废料亦都可以由隧洞进行运输，因此对施工造成的干扰比较小，施工略优。溢洪道方案的进口控制段和泄槽段都坐落在山体的基岩上，其中只有消能段与临时道路接近，且由于施工过程中的混凝土、钢筋等建筑材料都需要通过坝后的公路进行运输，会对于大坝的主体工程施工产生一定的施工干扰，施工略差。从地形地质、施工等综合来看溢洪洞方案优于其他方案，本阶段推荐采用溢洪洞方案。

3 溢洪洞结构计算

3.1 稳定计算

溢洪洞的稳定计算主要进行进口控制段稳定应力计算，计算包括抗滑、抗倾覆稳定计算及基础应力计算。

3.1.1 计算工况

由于进口闸室下部嵌固于山岩中，会受到岩石的弹性抗力和变形约束，对闸室的稳定是有利影响，但难以精确计算，现不计围岩的影响，偏于安全地按孤立于基岩上的塔对其进行计算。表1为荷载组合及计算工况。

表1 溢洪洞控制段荷载组成及工况组合表

3.1.2 计算公式

溢洪洞控制段坐落在强风化下部，采用抗剪断强度公式计算，采用地质专业推荐的砼与岩石基础的抗剪摩擦系数f′=0.52，c′=90 kPa，地基容许承载力[σ]= 600 kPa。抗剪断计算公式如下：

(1)

式中：k′为按抗剪断强度计算条件下的抗滑移稳定安全系数；∑W为施工过程中作用于坝体上的全部荷载在滑动平面上的法向分量数值(kN)；∑P为施工过程中作用于坝体上的全部荷载在滑动平面上的切向分量值(KN)；f′为坝基混凝土与岩石接触面的抗剪断摩擦系数；c′为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力(kPa)。

大坝坝基面的垂直正应力计算公式：

(2)

其中：σy上、σy下为大坝坝基面上游边缘、下游边缘的垂直正应力(kPa)；∑W为施工过程中于计算坝段上产生的全部荷载在坝基面截面上的所有法向分力的总和(kN)；∑M为施工过程中于计算坝段上产生的全部荷载在坝基面截面形心轴上的所有力矩的总和(kN·m)；A为工程计算坝段的坝基截面面积(m2)；J为工程计算坝段坝基截面面积对其形心轴的惯性矩(m2)；X为坝基面上、下边缘到坝基形心轴的距离(m)。

3.1.3 稳定应力计算成果

溢洪洞稳定及应力计算成果列于表2中。溢洪洞进口控制段抗滑稳定、抗倾覆稳定及抗浮稳定均满足规范要求，基础最大应力小于地基承载力，最小应力满足规范要求，因此，溢洪洞进口控制段是安全的。

表2 溢洪洞控制段稳定应力计算成果

3.2 衬砌计算

根据溢洪洞地质及流速情况，对该洞采用C30、C40钢筋混凝土衬砌。施工开挖过程中根据围岩稳定情况及时采取锚喷支护，进出口边坡采用喷锚防护。隧洞进行衬砌结构计算，以确定衬砌应力及配筋。

3.2.1 荷载

施工开挖作用在隧洞上的荷载主要包括：(1) 衬砌自重；(2) 山岩压力；(3) 弹性抗力；(4)内水压力；(5)外水压力；(6)地震力；(7)围岩波速(强风化Vp=700～1 500 m/s，Vs=500～700 m/s，微风化Vp=2 500～3 200 m/s，Vs=900～1300 m/s，新鲜岩体Vp=3 500 m/s，Vs=1 500 m/s)。

3.2.2 荷载组合

表3 溢洪洞荷载组成及工况组合表

3.2.3 衬砌结构计算

无压洞主要是利用外围水压力与山岩自体压力对其洞身进行安全控制，常采取外水压力较大而内水压力较小的情况作为控制工况。在上述组合中，采用理正隧洞衬砌设计软件分别选取基本组合中的正常洪水工况、特殊组合中的校核洪水及地震工况三种进行计算。

计算原理：各种荷载单独作用下，求出衬砌中的弯矩和轴力，然后根据荷载组合进行叠加。计算方法为公式法，采用限裂设计。

双层钢筋砼衬砌对称配筋时钢筋面积按下式计算：

(3)

式中：f为衬砌钢筋面积；Np为衬砌断面上由均匀内水压力及围岩弹性抗力作用下所产生的轴向拉力；∑N为除均匀内水压力外，其它荷载作用下，计算断面的轴向力总和(以压为正)；∑M为除均匀内水压力外，其它荷载作用下，计算断面的弯矩总和(以内缘受拉为正)；[σg]为钢筋允许拉应力；a为混凝土保护层厚度。

3.2.4 计算结果

表4为本项目的计算内力及配筋结果(隧洞衬砌厚度1.0 m)。

表4 溢洪洞计算内力及配筋主要成果

4 结语

乌斯通水库是控制性水利工程，通过上文分析，乌斯通沟水库泄洪建筑物选用泄洪洞方案，可解决灌区灌溉供需矛盾突出问题的同时，承担向核心工业园区供水调节的任务，社会效益显著，工程的建设对促进地区经济发展，提高居民生活水平具有积极的作用，在托克逊县水利发展和经济社会可持续发展中占有重要地位。乌斯通沟水库建成后可向乌斯通灌区供水1 174万 m3，向伊拉湖工业园及阿拉沟流域一般工业供水750万 m3，对解决下游地区灌溉及工业供水紧张问题，缓解地下水超采局面具有重大意义。