马鞍山水库工程枢纽布置及创新设计

任国榕,潘思洁,吴玉辉,刘振明,吴一杰

(1.中水君信工程勘察设计有限公司,成都,610065;2.内江水利电力勘察设计研究院有限公司,四川内江,641000;3.西华大学,成都,610039)

1 工程概况

马鞍山水库位于攀枝花市米易县丙谷镇芭蕉箐村境内、橄榄河上游,坝址距丙谷集镇7.0km,距米易县17.0km。水库工程总库容1136万m3,采用沥青混凝土心墙石渣坝,最大坝高68.0m。工程等别为Ⅲ等,其中马鞍山水库枢纽拦河大坝、溢洪道、放空(导流)隧洞及取水隧洞等建筑物级别为3级,次要建筑物级别为4级。坝址以上集雨面积37.8km2,河长12.3km,河道平均比降95.0‰。

马鞍山水库灌溉米易县新山乡、攀莲镇和丙谷镇的3807.67hm2土地(新增灌面2841hm2,改善灌面966.67hm2)。主要承担米易县农田灌溉、城镇人畜用水,以及城区应急供水的功能,是米易县骨干水利工程之一。马鞍山水库工程包括水库枢纽工程和灌区输水工程,其中水库枢纽工程由溢洪道、放空(兼导流)洞、南、北干渠放水洞和沥青混凝土心墙石渣坝组成。

2 坝线选择

2.1 坝线拟定

马鞍山水库坝址区位于米易县丙谷镇芭蕉箐村橄榄河中游的大坟坝与秦家湾之间,该河段呈“S”形弯曲,总体流向N40°W。河谷谷底较狭窄,谷底宽约2m～26m,河床高程1231.0m～1252.4m,枯水期河水面宽2m～3m,水深约0～0.5m,河床局部见基岩裸露。两岸基本对称,呈“V”形峡谷,岸坡为斜坡地形,大多基岩裸露,自然坡角10°～35°,两岸自然坡高65m～107m。根据地形地质条件,结合枢纽建筑物布置,拟定了上、下2条坝线进行比选,两条坝线位于该段河道最窄部分。上坝线以上右岸有支沟汇入,支沟以上不能满足水库库容要求,坝线不能再向上游选取;下坝线以下河道变宽,坝轴线拓宽为430m以上。在此筑坝将大大增加工程投资,因此选定的上、下坝线为该坝址的坝线选择的上下限。

2.2 比选分析

从地理位置、地形及地质条件来看,两条坝线的河床覆盖层厚度、性状、地基岩石特性等工程地质条件基本相同,无不利的重大工程地质问题存在,均具备修建当地材料坝的地质条件。从枢纽布置上比较,下坝线坝顶长度略长,大坝工程量略大,从工程布置来看,上、下坝线枢纽布置及主要建筑物型式均一致,包括沥青混凝土心墙石渣坝、放空洞、溢洪道、南干渠引水隧洞、北干渠引水隧洞。从施工布置条件来看,上、下坝线交通及料场运距基本接近,不构成制约影响因素。从水库淹没角度看,上坝线略优于下坝线,由于仅相距50m,淹没占地赔偿相差不大。

根据上、下坝轴线地形、地质条件进行枢纽工程布置,初拟各建筑物的结构尺寸,进行各建筑物工程量计算和投资概算。经综合分析,上、下坝线均具备建坝条件,地质条件、施工条件、交通条件相近;上坝线枢纽建筑工程直接投资为10069万元,下坝线枢纽建筑工程投资10981万元,下坝线工程静态总投资比上坝线多912万元。从经济指标分析,上坝线优于下坝线。因此综合地形地质条件、枢纽布置、施工、占地及工程投资等方面比较,选择上坝线作为工程坝线。

3 水库枢纽布置研究

3.1 布置原则

枢纽布置应综合考虑地形地质条件的适用性、安全可靠性、施工条件等因素[1-2]。马鞍山水库需要满足下游灌溉、供水任务,与动能专业配合复核水库的正常蓄水位和死水位,设有挡水、水库充水及取水建筑物,为保证大坝安全运行和检修需要,本工程也设置了放空洞和溢洪道。为了使工程安全可靠、工程施工和运行管理方便,在枢纽布置选择时应充分考虑建筑物之间有无相互制约因素存在,大坝轴线和坝型确定后,为确保大坝安全运行,优先考虑泄洪建筑物布置[3-5]。枢纽总体布置见图1。

1.坝轴线;2.溢洪道;3.导流放空隧洞;4.南干渠取水洞图1 马鞍山水库枢纽平面布置

3.2 坝型选择

从地质条件上看,坝址区内出露地层为第四系松散堆积层、第三系上新统昔格达组及二叠系闪长岩地层。虽然坝址左岸地质条件较好,开挖10m～20m以上可达到修建刚性坝的基础要求,但是左岸山体陡峭,不利于基础深层开挖;右岸为昔格达组粘土岩与粉砂岩互层,承载力较低,同时昔格达组粘土岩在扰动下易遇水软化,摩擦系数小,不利于坝体稳定。因此,比较适宜修建当地材料坝。

通过勘探及试验,当地广泛分布的强风化辉长岩储量和质量满足作为坝壳石渣料的要求,而沥青混凝土心墙骨料可从米易县购买。沥青混凝土心墙石渣坝虽然投资较高,但是参考其他类似水库工程施工情况,其具有施工制约因素少、质量易保证、对其他工序影响小、节省工期、现场管理方便等特点,因此选择当地材料坝,即采用沥青混凝土心墙石渣坝为本工程挡水建筑物,坝轴线布置成直线。大坝坝高68m,坝顶长263m,宽8m,坝顶高程1307.00m。

3.3 导流、放空洞

为保证大坝安全运行和检修需要,水库设置放空设施。马鞍山水库大坝施工导流时设计为隧洞导流,为充分利用导流洞,考虑节约工程投资和施工的方便性,将导流洞与放空洞完全结合布置,放空洞在施工期兼导流洞使用。由于大坝右岸存在较深的昔格达地层,不适于放空洞施工和运行,因此将放空洞布置在左岸,放空洞的轴线应在保证大坝和放空洞安全布置需要的情况下,尽量使轴线较短,以节省工程投资。根据大坝及上游围堰的布置,进口轴线基本按垂直岸坡等高线布置。放空设施布置于大坝左坝肩约50.00m,包括隧洞和竖井两部分。

放空洞为城门洞型,洞长350m。设计放空流量为10m3/s。隧洞进口高程1257.20m,进口后120m为有压洞,底宽3.5m,直墙高度3m,i=1/200。竖井闸室长度10m,闸室底高程1256.60m。竖井后为城门洞型无压洞,i=1/50,洞长230m,底宽3.5m,直墙高度3m,隧洞出口高程1252.00m。隧洞出口接98.75m的泄槽,经底流消能进入橄榄河。

3.4 溢洪道

根据实际地形和地质条件分析,坝体左岸岩层为强度较高、稳定性良好的辉长岩、花岗岩,没有发现有大的顺坡的连通性良好的节理裂隙发育,不存在稳定问题,其工程地质条件良好。该地段地形相对陡峭,地形坡度达35°以上,岩体风化强烈,强风化层厚度大,铅直厚度达11.95m～35.20m,水平厚度达15m～65.8m。而大坝右坝肩岩层为昔格达组粘土岩与粉砂岩互层,该岩层相对于强风化辉长岩体其抗冲刷、承载能力、抵抗变形的能力弱,且遇水易软化和泥化,工程处理措施要求较高。对左、右岸溢洪道方案做同精度比较工程量及投资后,左岸溢洪道方案比右岸溢洪道方案投资少424万元,综合安全与经济等方面考虑,选定左岸溢洪道方案。

根据左岸良好的地形地质条件,此处具备布置侧槽式溢洪道的条件,在溢洪道的形式选择上将开敞式侧槽溢洪道和有闸溢洪道进行比较,开敞式侧槽溢洪道延轴线方向分为侧槽段、控制段、渐变段、泄槽段和消能防冲段;有闸溢洪道沿轴线方向分为进口导流明渠段、闸室段、渐变段、泄槽段和消能防冲段。两方案布置比较见表1。

表1 溢洪道布置特性比较

从表1可以看出,开敞式侧槽溢洪道投资比有闸溢洪道投资省178万元,加之开敞式溢洪道运行管理要比有闸溢洪道运行管理简单,因此选择开敞式侧堰溢洪道方案。同时适应地形变化将溢洪道收缩段结构改进为由宽浅式迅速变为窄深式,也有利于节省成本。

该工程设计中溢洪道和导流洞布置在大坝同侧,创新性地采用将导流洞与溢洪道相结合的消能结构,见图2所示。该结构预设两个消力池段,一个消力池段在施工初期与导流洞出口段相连完成施工导流目的;另一个消力池段与溢洪道出口段相连用以宣泄洪水,防止洪水漫顶,确保大坝安全。与传统方案对比可较大幅度节省成本、减短工期。

1.溢洪道消力池段;2.导流洞消力池段;3.尾坎;4.海漫;5.护坡;6.防冲槽图2 导流洞与溢洪道出口共用消能结构示意

3.5 取水建筑物

马鞍山水库取水建筑物包括:北干渠引水隧洞取水口布置于库区右岸库尾、南干渠引水隧洞取水口布置于大坝左岸山体前缘、生态流量放水管。

根据北干渠渠道线路布置及对渠系线路的合理优化后的布置线路,北干渠引水隧洞须布置于大坝右岸,而大坝右岸存在单薄分水岭,且有渗漏问题。根据减少渠道长度及避开不利地质条件的原则,将北干渠引水隧洞布置于距离大坝枢纽上游约550m的水库库尾处,下游与北干渠渠道衔接。

南干渠渠道为旧有芭蕉箐水库灌区的灌溉渠道改造而成,渠道线路位于大坝左岸,同样南干渠引水隧洞须布置于大坝左岸,并且南干渠引水隧洞需要避开位于左岸的放空洞,因此本次南干渠引水隧洞取水口布置于大坝上游约150m处,下游与南干渠渠首相接。生态流量放水管埋设于南干渠引水隧洞内。

4 结语

综合考虑地形、地质、料源、交通等情况,经过经济技术比较,确定马鞍山水库工程枢纽的型式和布置,采用碾压式沥青混凝土心墙石渣坝、开敞式实用堰型溢洪道、放空(导流)隧洞、南、北干渠引水隧洞及生态流量放水管等组合布置方式。改进溢洪道收缩段结构和导流洞出口与溢洪道出口共用消力池两项创新设计,既能节省成本、减短工期,也可将导流洞消力池段留作后期的检修口,从而对损坏、堵塞部位进行检修,确保溢洪道泄洪系统有效运行。马鞍山水库在协调各方面因素的同时,降低了工程总投资,使工程产生更优的综合效益,对类似工程设计有一定的参考价值。