黄材水库除险加固工程输水洞施工导流方案比选

文勇坤

（长沙市黄材水库灌区管理局,湖南 宁乡 410600）

1 工程概况

黄材水库是一座以灌溉为主,兼有发电、防洪和养殖等综合效益的大（2）型水利工程。该水库工程等别为Ⅱ等,主要建筑物级别为2级,设计洪水标准为100 年一遇,校核洪水标准为2000 年一遇,溢洪道消能防冲工程设计洪水标准为50 年一遇。水库总库容1.45 亿m3,正常库容1.26 亿m3,校核洪水位168.50 m（对应洪峰流量为3072 m3/s）,设计洪水位167.97 m（对应洪峰流量为1908 m3/s）,水库正常蓄水位166.00 m,死水位122.04 m。

黄材水库有供水保障要求,左岸坝端建有黄材水厂,设计取水规模为5000 m3/d,采用黄材库区浮船式泵站取水。浮船式取水泵站特征水位：校核洪水位168.5 m,正常水位166 m,最低控制运行水位145 m。

输水洞位于主坝右岸山体,建成于1965 年,主要由进口引水明渠段、埋管段、检修闸室、隧洞段、调压井和3 根分水支管组成。输水洞进口底板高程122.00 m,出口底板高程121.52 m。本次输水洞除险加固废除原检修闸室,在其下游沿隧洞轴线方向距原检修闸室38.0 m处重建检修闸室,地面高程为144.0 m~146.0 m,开挖方形竖井与隧洞连接,设置检修门闸室,采用钢质平板提升门,下游止水,卷扬式启闭机垂直启闭,上部设置启闭排架和启闭室,设置工作桥与岸边连接。

2 水文资料

根据水文分析计算成果,多年平均来水量分月统计成果见表1,坝址径流年内分配见表2,水库水位库容曲线见表3。

表1 黄材水库多年平均来水量1月～12月份统计表

表2 坝址径流年内分配表

表3 水库水位库容曲线表

3 导流方案的确定

本工程等别为Ⅱ等,主要建筑物级别为2级,根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）规定,导流建筑物级别为4 级,土石结构导流建筑物洪水标准为10 年~20 年重现期,本工程可取10 年。

3.1 输水洞泄流能力

利用输水洞放水时,第二支管和第三支管为发电站引水管,不能参与泄洪,故输水洞泄流能力由调压井上游输水隧洞（内径为3.10 m）和调压井下游第一支管（3.10 m×2.54 m（宽×高））中断面较小、泄流能力较小的上游圆洞决定。

当H/a<1.2 时,输水洞为无压流,其泄流能力按以下公式计算：

当H/a>1.5时,输水洞为有压流,其泄流能力按以下公式计算：

当1.2

通过计算,输水洞泄流曲线见表4。

表4 输水洞泄流能力表

3.2 导流方案比选

工程安排在一个枯水期内完成。施工期内需要水库放水以降低库水位,尤其是输水洞检修闸门重建时需要控制库水位。根据施工进度计划,输水洞检修闸门拆除重建约需要3 个月时间,施工导流标准为10 年一遇12 月～次年2 月洪水流量296 m3/s。

检修闸门除险加固施工导流对库水位降至147.0 m、140.0 m和最低水位三个方案进行分析比较。

3.2.1 方案一：库水位降至147.0 m

150 m时相应库容为4511 万m3,145 m时相应库容为3102 万m3,加上来流量1.2 万m3/h （丰水年11 月P=10% （899/30/24））,减去泄流量,放水历时69.0 h,合2.9 天。考虑水位下降速度太快的话,可能导致土石坝上游坝坡失稳,故本工程控制放水速度为1 m/d左右,施工历时约5 天。

（1）导流方案

输水洞内施工期间,输水洞将不能过流,天然径流只能蓄水至水库内。为尽量缩短蓄水时段,应优化输水洞施工程序。

工程径流量按10 年一遇标准进行计算,为1599 万m3,加上147 m水位时的库容3637 万m3,施工期库容应为5236 万m3,查库容曲线,对应水位为152.2 m。考虑到黄材水厂用水和库内蒸发,本工程不再叠加10 年一遇3 日暴雨洪量（900 万m3）,又水位达到152 m以后,水位每上升1 m,库容增加约400 万m3,容量增加较大,故导流设计水位取152.2 m。

（2）围堰设计

输水洞检修闸门围堰设计水位为152.2 m,围堰轴线处地面高程约140 m,围堰平均高度13.2 m。采用混凝土围井结构型式。浇筑围井时有水,需要填筑临时小围堰。

围井顶高程按设计水位152.2 m+1 m超高计算,围顶高程取153.2 m,底高程144.0 m,最大高度9.2 m。围井采用阶梯形状,顶部宽度0.5 m,以高度3 m为一个台阶,下台阶比上台阶宽0.5 m。井内尺寸为7.4 m×7.4 m。

围井施工时,修筑临时围堰。

临时围堰设计水位取145.0 m,堰顶高程按145.5 m,围堰处地面高程约144.3 m,围堰高度约1.2 m,采用粘土麻袋围堰结构型式。围堰高程145.5 m,顶宽2 m,内外侧坡比1∶0.5。

3.2.2 方案二：库水位降至140.0 m

150 m时相应库容为4511 万m3,140 m时相应库容为1926 万m3,加上来流量1.2 万m3/h（丰水年11月P=10%（899/30/24））,减去泄流量,放水历时135.0 h,合5.6 天,考虑水位下降速度太快的话可能导致土石坝上游坝坡失稳,控制放水速度为1 m/d左右,施工历时约10 天。

（1）水厂取水影响

施工期库水位下降到140 m,会影响左坝端黄材水厂的取水,浮船式取水泵站在库水位低于145 m时将取不到水,为确保施工期间水厂正常供水,库水位降至145 m时,在取水口处设临时进水池,加设水泵从低水位抽至进水池,水厂仍用老水泵。

水池容量按2 h用水量设计,为417 m3（5000/24×2）,水池水深按3m,水池面积为139 m2（417/3）,水池尺寸可取14 m×10 m,池子共3 边,池子长度34 m（14+10+10）,池子采用粘土麻袋填筑,高3.5 m,顶宽2 m,坡比1∶0.5,断面积为13 m2,粘土麻袋总量446 m3,水池总造价7.5 万元。

潜水泵从140 m抽水至145 m,最小扬程5 m,流量为208 m3/h（5000/24）,水泵型号可选择IS125-100-200 A（Q=114 m3/h,Hr=10 m,n=1450 rpm）（2 台）,配套电机型号Y132S-4（N=5.5 kW,η=74%）（2 台）,水泵总造价2 万元。

水池和潜水泵总造价9.5 万元,影响水厂取水时间约10天,对社会影响较小。

（2）导流方案

输水洞检修闸门下部施工期间（1 月～次年2 月）,水库上游最低控制水位为140.0 m,最高水位由天然径流、泄水和用水等进行计算。

工程径流量按10 年一遇标准进行计算为1599 万m3,加上140 m水位时的库容1926 万m3,施工期库容应为3525 万m3,查库容曲线,对应水位为146.6 m。考虑到黄材水厂用水和库内蒸发,工程不再叠加10 年一遇3 日暴雨洪量（900 万m3）,故导流设计水位取146.6 m。

（3）围堰设计

输水洞检修闸门围堰设计水位为146.6 m,围堰轴线处地面高程约143 m,围堰平均高度4.6 m。粘土麻袋围堰总价较低,能满足挡水和防渗要求,故采用人工堆码,堰顶宽2 m,外侧迎水,坡比取1∶0.7,内侧坡比取1∶0.5,围堰轴线长度48.0 m。

根据地勘资料,围堰基础为紫红色、黄褐色中厚层状砂岩夹薄层状泥质页岩,强风化层,岩石整体性较好,不需要进行堰基防渗处理。

3.2.3 方案三：库水位降至最低水位

库水位降至126 m以后,输水洞泄流能力明显减小,会小于来流量,库水位将上升,随着水位上升,泄流量加大,大于来流量,水位会降低,故水位会在126 m~127 m反复,故本工程最低库水位暂定为126 m。

考虑土石坝上游坝坡稳定性,控制防水速度为1 m/d左右,施工历时约24 天。

（1）导流方案

径流量按10 年一遇标准进行计算,为1599 万m3,加上127 m水位时的库容279 万m3,施工期库容应为1835 万m3,查库容曲线,对应水位为139.6 m。故导流设计水位取139.6 m,围堰处地面高程约143 m,不需填筑围堰。

（2）蓄水方案

新的检修闸门完成以后,水库重新从126 m开始蓄水,蓄水至正常蓄水位145 m需76.4 天,至5 月16 日完成。从126 m开始蓄水,蓄水时段较长,对水厂和周边群众影响较大。

（3）水厂损失输水洞除险加固期间和水库蓄水期间,水厂不能取水,时段为2019/11/21~2020/5/16,影响时间177 天。水厂用水损失按1 元/m3单日用水量按50%计算的话,水厂损失44.3 万元（1×5000×50%×177/10000）。

3.3 方案比选

表6 方案比较表

从表5可以看出,从社会影响、水厂损失来看,可以直接排除方案三,方案一最佳；从工程量来看,方案一后期围堰工程量大,涉及要拆除临时围堰,方案二工程量较小；从总成本来说,方案一总造价28 万元,方案二总费用为26 万元,相差较小。综合对比分析,遵循减少工程损失和运行干扰,保证黄材水厂取水,减少居民生活干扰,最终选定方案一。

表5 围堰工程量表

4 结语

除险加固工程施工方案要根据工程的实际情况来分析确定。黄材水库除险加固工程处于运行期,施工期首先要考虑的就是工程运行损失和运行干扰,故本工程安排在枯水期水量较少的12 月～次年2 月；另外黄材水库有供水保障要求,基于少干扰、少损失、少工程量等多方考虑,选择将水位降至147 m的施工导流方案,既能满足工程需要,也不影响水厂取水。