石门沟3号水库输水放空建筑物布置设计

张丽花,谢维科,张 浩

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概况

兰州新区位于兰州市北部，处于兰州市和白银市结合部的秦王川盆地，距兰州市38.5 km，距白银市区79 km。石门沟3号水库位于兰州新区秦川镇石门沟支沟陶家沟内，为注入式水库，工程由引水系统从引大东二干输水渠末端甘露池分水闸分水，由高至低、由近至远先引入2号水库，再引入3号水库，由3号水库坝后与供水管线相接，供兰州新区石化工业园区用水。

石门沟3号水库枢纽由引水建筑物、粘土心墙堆石坝、左岸输水放空洞及供水建筑物组成。水库总库容850万m3，挡水主坝为粘土心墙堆石坝，坝顶长450 m，坝顶宽6 m，最大坝高54.0 m，3号水库工程为Ⅳ等小(1)型工程[1]，主要建筑物按4级设计，次要建筑物按5级设计。考虑到3号水库工程大坝基础的工程地质条件复杂，且水库坝址距规划的兰州新区范围较近，失事后损失较大。对水库大坝建筑物的级别提高一级，即为3级建筑物。水库防洪标准采用50年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核[2]。工程区50 a超越概率10%的地震动峰值加速度0.15g，相应地震基本烈度为Ⅶ度[3]。

2 工程地质

图1 石门沟3号水库枢纽平面布置图 单位：m

3 输水放空建筑物比选

3.1 输水放空建筑物选择及布置原则

(1) 综合考虑工程区地形、地质、水力条件、施工、运行、沿线建筑物衔接、本工程总布置及对周围环境的影响等因素，通过技术比较选定；

(2) 隧洞洞线应选择线路短、沿线地质构造简单、岩体完整稳定、上覆岩层厚度适中、水文地质条件有利及施工方便的地区；

(3) 布置隧洞应考虑临时占地、永久占地、植被破坏和恢复、施工污染、运行期地下水位变化等对环境的影响和水土保持的要求，宜使原自然环境较少破坏，较易恢复，环境投资最小。

3.2 输水放空建筑物选型

该建筑物除了将水库的水量输送到大坝下游与供水系统衔接，向供水对象供水，还需承担水库的放空任务。结合坝址区的地形地质条件，本次设计输水放空建筑物的型式分别选择山体有压隧洞和坝下埋管2种型式进行综合比较选择。

(1) 坝下埋管方案

坝下埋管方案，输水放空建筑物轴线布置于坝肩左岸，引水、取水口采用独立布置的塔式进水口。进水口底板高程2 120.00 m，进水口孔口为3.0 m×2.5 m(宽×高)，进口设拦污栅和检修闸各一道。进水塔高31 m，闸室基础置于岩基，进水闸至水库坝顶的交通采用交通桥。输水放空管采用坝内埋管布置方式，设计引水流量3.34 m3/s，水库放空时最大流量52 m3/s。坝下埋管管线长188 m，沿左岸岸坡开挖的基岩槽布置，管材采用钢管，管径2.5 m，管道外包混凝土厚50 cm。该管道在水库坝后设“卜”型岔管，并在分岔管后的3条支管道分别设DN2500、DN2000及DN450的控制蝶阀各1道，其中1条支管为水库放空管，采用钢管，管径DN2500，并在该管道出口设消能锥形阀和消力池；1条支管直接兰州新区第一给水厂引水管，管径DN2000；另一条支管接向中电投热电联产项目区和山字墩水库输水的供水管，管径DN450。

(2) 有压隧洞方案

(3) 输水放空建筑物布置选择

坝内埋管方案具有施工简单安全，施工进度较快，工程投资节省成本等优点。但坝下埋管一旦出现内水外渗，形成渗漏通道后，将无法检修加固，会威胁大坝的安全，对工程的安全运行留有一定的隐患，且存在与坝体填筑施工相互干扰的问题[4]。坝肩布置有压隧洞方案具有运行检修方便，与大坝施工互不干扰，检修闸室布置简单等优点。但坝址区地层岩性较差，岩体破碎，裂隙发育，隧洞施工存一定的安全风险，且隧洞断面尺寸较小，隧洞开挖衬砌施工较为困难。经综合分析比较，输水放空建筑物推荐采用坝肩布置有压隧洞方案。

3.3 输水放空建筑物轴线比选

输水放空建筑物进行了左岸输水放空洞和右岸输水放空洞的比选，即方案1和2。

(1) 方案1：左岸输水放空建筑物

承担向水库下游供水及水库放空任务的输水放空建筑物布置在左岸，布置形式同上文有压隧洞方案。

(2) 方案2：右岸输水放空建筑物

(3) 综合比较

输水放空建筑物综合比较见表1。

表1 输水放空建筑物综合比较表

由表1可见，从地形、地质条件来看，2个方案的隧洞整体围岩地质条件较差，均无Ⅱ级围岩，方案2洞线部分围岩厚度不足，方案1较优；从工程布置条件来看，方案1洞线布置较顺畅，方案2受沟壑地形影响，出口布置条件差，施工干扰大；从工程量和工程投资来看，方案2较方案1工程投资大。

综上所述，从工程地形地质条件的适应性、工程布置条件及安全性、工程量及工程投资、施工运行条件等方面综合比较，方案1优于方案2，推荐方案1左岸输水放空建筑物为本阶段推荐布置。

4 输水放空建筑物结构设计

4.1 输水放空建筑物布置

输水放空洞布置在左岸，采用有压隧洞布置方式。进水口采用有压短洞进水口，设置拦污栅一道。进口底板高程2 120.00 m。在坝肩左岸山体布置事故闸门竖井，闸室竖井底板高程为2 120.00 m，事故闸孔口为2.5 m×2.5 m。输水放空隧洞长约147.0 m，其中事故闸门井有压短洞段长47 m，隧洞断面采用马蹄形，断面2.5 m×2.5 m(宽×高)，采用钢筋混凝土衬砌结构，混凝土衬砌厚30 cm；闸室段长4.6 m，闸室竖井总高31 m，采用钢筋混凝土结构，闸室底板厚2.0 m，竖井边墙厚1.2 m，墙内设2Ø40 cm的通气孔；闸后有压隧洞段长100 m，断面形式、尺寸及衬砌形式同有压短洞；隧洞洞室一般埋深12～22 m。隧洞出口接长约80 m输水管道，管道采用DN2500的钢管，地埋管道布置方式，管道基础采用灰土垫层换填。在管道末端设“卜”型岔管，并在分岔管后的三条支管道分别设控制阀门，其中一条支管为水库放空管，出口管径DN1200；岔管后一条支管直接兰州新区第一给水厂引水管，管径DN2000；另一条支管接向中电投热电联产项目区和山字墩水库输水的供水管，管径DN450 m。放空管锥形阀后设锥形阀室及消力池，后接退水渠。根据地质报告描述，此处地下水对混凝土具有腐蚀性，故地下水位以下部位阀室采用抗硫酸盐混凝土。输水放空洞中心线纵剖面及标准横断面见图2、3。

图2 输水放空洞中心线纵剖面图 单位：高程、桩号，m

4.2 输水放空洞支护设计

根据隧洞地质分类统计表及隧洞衬砌结构计算成果，初次锚喷支护及二次衬砌分为以下几类：

(1) 进口段初次喷混凝土支护及二次衬砌：顶拱及边墙范围挂钢筋网(Ø6@150 mm×150 mm)，顶拱及边墙喷C20混凝土厚10 cm，随机采用钢筋拱架支撑(3Ø28 mm)，二次衬砌全断面C25钢筋混凝土衬砌厚30 cm。

(2) 洞身段采用初次锚喷支护及二次衬砌：全断面布设Ø25 mm砂浆锚杆，长3.0 m，入岩2.8 m，间排距1.5 m×1.5 m梅花型布置；顶拱及边墙范围挂钢筋网(Ø6@150 mm×150 mm)及喷C20混凝土厚10 cm；二次衬砌全断面C25钢筋混凝土衬砌厚30 cm。Ⅳ类围岩段采用钢筋拱架支撑(3Ø28 mm)。

(3) 回填灌浆设计：各类围岩的隧洞顶拱120°范围内回填灌浆，间排距1.0 m×1.0 m，入岩0.1 m，灌浆压力0.3 MPa。

(4) 固结灌浆设计：岩石洞段全断面布设固结灌浆，孔深2.0 m，间排距2.0 m×2.0 m，梅花型布置，灌浆压力0.3 MPa。

5 结 论

(1) 石门沟3号水库为注入型水库，考虑到水资源的宝贵，只有在水库清淤或者大坝检修情况下才会放空水库，将输水洞与放空洞相结合，一次建成，平常输水，检修清淤时放空，节省了工程投资。

(2) 由于坝下埋管一旦出现内水外渗，形成渗漏通道后，将无法检修加固，会威胁大坝及下游兰州新区的城市安全，故本次设计选择了较为安全的有压隧洞形式。

(3) 布置充分结合了地形、地质条件，将输水放空洞布置在左岸，工程的施工、安全、投资、运行等均较优。

(4) 石门沟3号水库已经建成蓄水，为兰州新区的发展提供充足、稳定、可靠的水源保障。随着水利事业的发展，我国将兴建更多的小水库，本工程可以为今后类似工程提供设计经验。