杭州青山水库新增泄洪能力工程措施方案比选研究

林荷节,汪 杰,何 勇,沈镇伟

(1.杭州市水库管理服务中心,浙江 杭州 310002;2.浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司,浙江 杭州 310002)

杭州市青山水库在东苕溪流域历年洪水中都发挥着至关重要的作用[1],其洪水调度既要兼顾上游不同防洪保护对象的设防要求,又要尽量避免南苕溪洪水与中北苕溪洪水遭遇,洪水调度有一定限制[2]。如何更好地利用日趋成熟的气象预报及洪水预报,利用逐年完善的水雨情监测网,通过工程措施扩增调度手段,实现对洪水的精细化调控,最大程度地发挥水库防洪效益,是水库防洪能力提升的重要任务[3]。

1 水库概况

青山水库位于东苕溪主干流南苕溪上,是流域上游防洪骨干工程,对杭嘉湖平原以及杭州西部防洪屏障西险大塘的防洪安全起着直接保障作用。

水库工程规模属大(2)型,工程等别为Ⅱ等。水库汛限水位为23.16 m,非汛期正常蓄水位25.0 m,总库容2.13×108m3。水库主要建筑物主坝、泄洪闸、泄洪放空洞、副坝为2级[4]。

2 问题提出

泄洪闸和泄洪放空洞为水库主要泄洪建筑物,当水库水位为23.16 m(汛限水位)时,泄洪闸无法下泄,泄洪放空洞下泄流量为136 m3/s,合计仅136 m3/s;当水库水位为24.16 m时,合计泄洪能力不足300 m3/s;当水库水位为25 m时,合计下泄能力不足500 m3/s。由此可知,水库前期泄洪能力有所欠缺,导致有效防洪库容被前期洪水挤占,削弱了水库在洪峰期的拦蓄能力,洪水调度也不够灵活。

通过对水库前期洪水泄洪能力进行分析,对预泄能力分别提升至300,400,500,600 m3/s进行论证比选,综合考虑防洪效益、工程投资和对下游影响等因素,推荐工程设计前期泄洪能力为500 m3/s,工程方案须重点研究如何实现上述目标。

3 工程方案拟定

3.1 基本资料

水库现有泄洪建筑物有泄洪放空洞和10孔泄洪闸。泄洪放空洞进口底高程为14.66 m,隧洞直径为4 m。10孔泄洪闸分别为5孔老闸和5孔新闸,老泄洪闸1#-5#孔泄洪闸堰顶高程为23.16 m,每孔宽度为7.7 m,6#-10#孔泄洪闸堰顶高程为23.16 m,每孔净宽为8 m。

根据任务要求,在洪水初期,水库视下游两岸排涝情况,应尽量保持入库水量与出库水量平衡,来多少泄多少,使水库水位维持在23.16 m,最大下泄流量不超过500 m3/s[5]。

在水库水位为23.16 m的条件下,泄洪闸堰顶高程为23.16 m,无法泄洪,而泄洪放空洞最大下泄能力仅为136 m3/s,远不能满足规划500 m3/s的要求,必须采取相应的工程措施增加364 m3/s的下泄流量。

3.2 方案拟定

根据水库现状泄洪设施的情况和防洪调度的要求,拟定四个工程方案,分别为方案1(改建现状泄洪放空洞)、方案2(改建现状泄洪闸)、方案3(左岸新建泄洪洞)、方案4(右岸新建泄洪洞)。

3.2.1 方 案 1

本方案须扩挖现状泄洪洞,重建泄洪洞进水口,移位重建发电站,新建泄洪洞出口和加固现状发电尾水渠(图1),将现状直径4 m的泄洪洞扩大至直径9 m的有压隧洞。因泄洪洞紧邻左岸坝头,扩挖爆破施工会对大坝造成不利影响,同时,现状泄洪洞轴线与出口呈“L”型,下泄为500 m3/s流量时,需要直角转弯,流态不利,故转弯角不能满足规范要求。另外,水库承担着向下游提供生态用水和农业灌溉的任务,而水库只能通过现状泄洪洞末端的电站发电向下游供水,如改建现状泄洪洞,施工期将无法向下游供水。

3.2.2 方 案 2

改建现状泄洪闸如图2所示,方案2考虑降低泄洪闸堰顶高程,在泄洪闸原址进行重建。结合现场实际情况,考虑对老泄洪闸进行改造。改造老泄洪闸需要在坝头进行深基坑保护,并且考虑施工前度汛安全问题。

图2 改建现状泄洪闸

3.2.3 方 案 3

方案3是计划维持现状泄洪放空洞和泄洪闸不变,在大坝左岸新建一条泄洪洞[6-7](图3),过流能力在汛限水位为23.16 m的情况下能够达到364 m3/s。新建泄洪洞长约583 m,采用城门型洞型无压洞,衬后尺寸为8.0 m×9.0 m(宽×高),进口高程约16.0 m,洞口设事故检修门和弧形工作门各一道,隧洞出口高程约7.5 m。

图3 左岸新建泄洪洞

3.2.4 方 案 4

方案4维持现状泄洪放空洞和泄洪闸不变,在大坝右岸新建一条泄洪洞(图4)。汛限水位在23.16 m的条件下,泄洪洞的过流能力能达到364 m3/s。新建泄洪洞长约633 m,采用城门型洞型无压洞,衬后尺寸为8.0 m×9.0 m(宽×高),进口高程约16.0 m,洞口设事故检修门和弧形工作门各一道,隧洞出口高程约7.5 m。

图4 右岸新建泄洪洞

4 工程方案比选

工程方案比选主要从工程布置、地质条件、对外交通条件、施工条件、环境影响、政策处理、技术难度、工程运行管理及工程可比投资等方面进行综合考虑。

4.1 工程布置

方案1 进水口与洞轴线基本与现状泄洪洞一致,隧洞布置转弯角和转弯半径不满足规范要求。发电站需移位重建,且需对发电尾水渠进行加固改造。

方案2 布置简便,水流条件较好,但老闸拆除重建与大坝衔接布置结构复杂,难度较大。

方案3 需新建泄洪洞,进水口水面开阔,进水条件较好,但隧洞出口与现状电站尾水渠夹角较大,水流条件相对较差,需要对尾水渠进行加固改造。

方案4 需新建泄洪洞,进水口水面开阔,隧洞出口与现状泄洪渠夹角虽然较小,但水流条件较好,需对出口处桥梁移位重建。

从工程布置角度分析,方案2较优,方案3和方案4次之,方案1最差。

4.2 地质条件

方案1 隧洞洞身围岩为灰色凝灰质粉砂岩,有两条断层通过,节理发育,上覆岩体厚度较薄,受构造影响稳定性差,工程地质条件较差。

方案2 老泄洪闸闸基大部分风化,工程地质条件较差。

方案3 隧洞进口段进洞和成洞条件一般。洞身段围岩为凝灰质粉砂岩,新鲜岩石岩质较坚硬,围岩以Ⅲ、Ⅳ类为主,局部Ⅴ类,未见区域性断层通过,线路有长约55 m的浅埋段。

方案4 隧洞进口段有一断层破碎带及其影响带,地质条件较差。洞身段围岩为青灰、浅绿色凝灰质粉砂岩,新鲜岩石致密坚硬,围岩以Ⅲ、Ⅳ类为主,局部Ⅴ类。

从地质条件角度分析,方案2的地质条件经处理后可满足泄洪闸改造的要求,方案3和方案4作为泄洪洞方案比较,方案3的地质条件相对较差,方案1最差。

4.3 对外交通条件

方案1 进洞口段需垂直运输,交通不便。

方案2 为深基坑施工,场内施工进出场不便,需垂直运输,且到达泄洪闸基坑作业面需结合新建施工围堰修建施工便道,交通条件很差。

方案3 进水口、浅埋段和出口段作业面虽然有现成道路可利用,但由于施工围堰填方量和拆除量大,需要考虑水上交通,交通运输条件较差。

方案4 进口和出口段作业面有现成道路可利用 ,在出口渠道施工中需临时对现状道路进行改造,交通条件也相对较好。

从对外交通条件分析,方案4较优,方案3次之,方案1和方案2相对较差。

4.4 施工条件

4.4.1 施工围堰布置

方案1 进口现状库底地势较低,围堰高度达12～14 m,施工不便。出洞口涉及电站改建,围堰高度虽然相对较低,但长度较长。

方案2 泄洪闸前布置围堰,需占用泄洪闸前较大范围湖面,对施工期度汛影响大。同时,施工围堰需重点考虑与现状大坝的衔接问题。

方案3 进口现状库底地势较低,围堰高度达12～14 m,施工不便,出洞口仅需在挡墙施工时作临时围堰。

方案4 进口现状地势较高,布置围堰的地质条件及场地条件均较好,出洞口可利用预留土坎作为出水渠施工时的围堰,工作量较小。

方案4的施工围堰布置条件最优,方案1和方案3相对较好,方案2较差。

4.4.2 施工场地布置

方案1 进口紧靠左坝肩,地形相对较为狭窄局促,不利于施工场地布置,出洞口较为平坦开阔,施工场地容易布置。

方案2 需拆建现状泄洪闸,整个施工场地非常局促,布置较为困难。

方案3 进口施工场地可利用北侧的山坳平地;浅埋段场地条件较好;出口场地较为平坦开阔,总体布置条件良好,但东侧临近别墅区,需注意边坡安全。

方案4 进口和出口场地较为开阔,场地布置条件良好。

在4个方案中,施工场地布置条件都很局促,相对而言方案4较好,方案1和方案3较差,方案2最差。

4.4.3 施工度汛

方案1 对现状泄洪放空洞进行改造,在汛期少了23.16 m水位以下时预泄的136 m3/s,对调度有一定影响,但总体影响较小。

方案2 对老泄洪闸进行改造,汛期只能靠右侧的新泄洪闸和泄洪洞泄洪,对度汛影响大。

方案3 和方案4均为新建泄洪洞,不影响水库度汛。

在4个方案中,方案2度汛风险最大,方案1对度汛影响较小,方案3和4不影响度汛。

4.4.4 施工对周边的影响

方案1 紧挨坝体,爆破施工对大坝安全影响大,必须采用非爆破开挖。

方案3 紧挨大坝和维持现状的新泄洪闸,施工对两侧影响较大。

方案4 隧洞距泄洪闸和大坝较近段必须采取机械开挖。

在4个方案中,通过工程措施,方案1施工对周边影响最大,方案2、方案3和方案4基本相同。

4.4.5 施工工期

方案1 工期约24个月,方案2工期约18个月,方案3 工期约20个月,方案4工期约22个月。

从施工工期分析,方案2工期较短,方案3和方案4次之,方案1工期最长。

4.5 环境影响

方案1 实施时影响下游的生态环境用水,对环境的影响较大。

方案2 实施时不影响下游生态环境用水。

方案3 实施时对下游生态环境用水影响小。

方案4 实施时不影响下游生态环境用水。

从环境影响角度分析,方案2和方案4最优,方案3次之,方案1最差。

4.6 政策处理

方案1、方案2都是在水库管理范围内实施建设,政策处理工作量及难度最小。

方案3 涉及到进口永久征用林地的问题,同时需要临时借用环湖绿道作为施工通道;浅埋段施工涉及到租用房屋的处理;在隧洞爆破施工中,噪声和震动影响周边学校和别墅区,可能会带来一定政策处理问题,处理难度不大。

方案4 进洞口位于临安区青山湖管理处,需要整体搬迁管理处,处理难度大。

从政策处理角度分析,方案1和方案2最优,方案3较优,方案4最差。

4.7 技术难度

方案1 扩建原泄洪放空洞离坝体很近,施工安全隐患多。同时,涉及发电厂房的拆迁和重建,总体来说,技术难度相对较大。

方案2 老泄洪闸右侧为新泄洪闸,左侧为大坝,拆除重建时需开挖深基坑,对新闸和大坝结构存在安全威胁,需考虑工程保护措施。同时,改造泄洪闸要处理好新闸和大坝侧的防渗问题,技术难度较大。

方案3 进水口处水深约11 m,进水口施工时需设置围堰;隧洞开挖技术成熟,技术难度较小。

方案4 可利用原有地形布置围堰,隧洞断面较大。同时,隧洞开挖技术成熟,技术难度小。

从技术角度来看,方案3和方案4技术难度小,方案1和方案2技术难度相对较大。

4.8 工程运行管理

方案1 工程运行管理基本维持现状。

方案2 工程运行管理基本维持现状。

方案3 异地新增泄洪设施,给运行管理带来不便。

方案4 异地新增泄洪设施,给运行管理带来不便。

从运行管理角度分析,方案1和2较优,方案3和方案4较为不便。

4.9 工程可比投资

4个方案的工程投资主要包括工程部分投资以及政策及环评水保投资,投资估算见表1。

表1 各方案工程投资表 单位:万元

从表1可知,方案1工程投资约14 520万元,方案2工程投资约15 631万元,方案3工程投资约19 990万元,方案4工程投资约21 373万元,方案1投资成本最低。

4.10 综合比选

综合上述分析比选可知,方案1洞轴线与出口呈“L”型,平面布置为直角转弯,不满足规范要求;电站需移位重建;施工期间无法保障下游灌溉和生态用水,对环境影响大,因此不予推荐。

方案2虽然工程投资较省,工程布置较优,水流条件最好,对下游生态环境用水无影响,运行管理方便,但施工度汛风险大;另外,涉及深基坑开挖,存在对新闸和大坝结构的安全威胁,同时泄洪闸改造需处理好与新闸和大坝侧的防渗问题,技术难度较大,因此也不予推荐。

方案4虽然出口水流条件较好,地质条件较好,对外交通条件较好,对下游生态环境用水无影响,不影响水库度汛,技术难度也不大,但工程投资最高,政策处理难度大,因此也不予推荐。

方案3虽然水流条件、地质条件和对外交通条件不是很理想,但都能通过工程技术措施应对解决;工程投资比方案2高,但增加不多;加之方案技术难度、政策处理难度均不大,对下游生态环境用水影响小,而且施工不影响水库度汛,基本不影响水库的运行调度,因此推荐方案3,即在左岸新建泄洪洞。

5 综合分析

5.1 层次分析法

层次分析法(Analytic hierarchy process,AHP)由美国运筹学家Saaty于20世纪70年代初提出,是与决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次,进行定性和定量分析的决策方法,该方法具有系统、灵活、简洁的优点[8]。本案采用层次分析法进行方案优选,按如下3个计算步骤进行:

步骤1建立递阶层次结构模型

应用AHP分析决策问题时,首先构建一个层次结构模型,层次分为三类,包括最高层(目的层)、中间层(准则层)、最底层(方案层),每一层次中各元素所支配的元素个数一般不超过9个。

步骤2构造判断矩阵,计算权重系数

引用数字1～9对每个层级各个元素的重要性进行赋值,构建判断矩阵A=(aij)n×n,并计算各个元素的权重系数,采用算术平均法计算权重系数W:

(1)

步骤3层次排序及准则层矩阵一致性检验

1)计算准则层矩阵一致性指标CI

(2)

其中λmax为判断矩阵的最大特征值。

2)计算准则层矩阵一致性比例CR

(3)

其中,一致性指标RI查表可得。当CR<0.1时,说明判断矩阵的一致性可以接受,否则要对判断矩阵进行适当修正。

5.2 计算过程

1)构建递阶层次结构模型

目标层:最优方案。

准则层:工程布置B1、地质条件B2、对外交通条件B3、施工条件B4、环境影响B5、政策处理B6、技术难度B7、工程运行管理B8、工程可比投资B9。

2)构建目标层判断矩阵A和准则层判断矩阵B

3)计算A层与B层各个指标的权重系数

采用算术平均法计算目标层与准则层各个指标权重系数W,并且计算目标层与准则层矩阵一致性指标CI和一致性比例CR,判断矩阵是否通过一致性检验,CR<0.10则通过一致性检验。计算结果见表2、表3。

表2 目标层权重系数与准则层矩阵一致性检验系数

表3 准则层权重与准则层矩阵一致性检验系数

以上判断矩阵都通过了一致性检验,即CR<0.10。

4) 计算各层对目标层的总权重

B层计算得出的B1—B9权重系数乘以A层权重系数,进行加权求和,得到总权重系数,计算结果见表4。

表4 总权重系数表

由表4可知,方案3总权重最大,为0.280,因此推荐方案3,即左岸新建泄洪洞。

6 结 论

青山水库作为一个已建水库,坝区周围设施条件较难改变。为增加前期预泄能力,相应的工程措施选择难度较大,在工程实践中必须对多方案全要素进行综合分析。初拟方案时,应考虑对既有泄洪设施改造和新建泄洪设施可能造成的不同影响。同时,在进行方案比选时,应综合考虑工程布置、地质条件、对外交通条件、施工条件、环境影响、政策处理、技术难度、工程运行管理及工程可比投资等因素,确保选定的方案具有较强的可行性。