新建38团石门水库工程溢洪道布置研究

2012-09-25张胜东

陕西水利 2012年6期

张胜东

(新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院新疆乌鲁木齐 830002)

1 工程概况

新疆生产建设兵团新建团场38团位于且末县境内，东距且末县城150km，西距民丰县城150km。石门水库工程是以灌溉为主，防洪、发电等综合利用的水利水电枢纽。石门坝址区位于莫勒切河出山口处，为中低山地貌，山顶高程2500m，两坝肩基岩山体较为雄厚。该段河谷呈U型，河谷走向近南北向，河道纵坡11‰。现代河床宽约150m～200m，高程2325m左右，河床表层第四系全新统冲洪积砂卵砾石层厚8m左右，其下伏第四系中更新统冰水沉积砂砾石层厚100m左右。

2 工程设计依据

2.1 工程等别

本水库工程总库容7133万m3，控制灌溉面积18万亩，装机容量8MW。根据《水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准》(SL252—2000)的规定：工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型。

2.2 泄洪建筑物

泄洪建筑物有溢洪洞和冲沙泄洪洞。泄洪建筑物出拟尺寸如下：

泄洪冲砂洞：位于左岸，进口洞底高程2327.0m，进口孔为5m×4.8m。其任务为施工期导流，运行期泄洪、冲沙、放空水库，在灌溉发电隧洞未建成之前，承担灌溉放水任务。

溢洪洞：位于左岸，进口堰顶高程2383m，堰宽40.0m。其泄流量计算式为：

式中：m=0.45，B=40m。

2.3 汛限水位

经分析确定采用汛限水位为2383.0m，并以此作为调洪计算的起调水位。根据水库多年长系列径流调节计算，在6月上旬～7月下旬库水位维持在死水位2350m，长系列径流调节计算表明，当汛末限制水位2383m时，除了极枯水年之外，一般水库回蓄至正常蓄水位是有保证的。因此，汛期水位确定为2383m是可行的，以此作为起调水位进行调洪计算是合理的。

2.4 调洪计算原则

汛期起调水位为2383m，按单峰型洪水过程的涨水、退水制定洪水调度原则。

①当库水位高于正常蓄水位时，溢洪洞开始敞泄。

②特殊工况：泄洪洞不能开启，只利用溢洪洞泄洪，水库以溢洪洞泄流能力进行敞泄。

2.5 调洪计算成果

根据水库的规模，确定水库设计洪水100年一遇，其洪峰流量Q设=725m3/s，校核洪水2000年一遇，其洪峰流量Q核=1456m3/s，本次设计采用7日洪水作为典型洪水进行分析计算。各种频率的洪峰流量及洪量详见表1，石门水库调洪计算成果见表2。

3 溢洪洞布置

3.1 溢洪隧洞布置

隧洞的线路选择关系到隧洞的造价、施工难易、工程进度、运行可靠性等方面，应该在勘测工作的基础上拟订不同方案，考虑各种因素，进行技术经济比较后选定。

（1）地形上，左岸岸坡陡立，地形爬坡快，右岸岸坡平缓，进口的开挖较大。

（2）地质上，左岸地层岩性为砂岩，只有隧洞出口处是冲积物和冰碛物。进水口等都坐落于基岩上，右岸地层岩性基本为冰水沉积物。

（3）布置上，左岸可布置溢洪洞，洞身全部都在基岩上，可实现电站、导流洞同侧布置，但电站同侧布置时发电引水洞需度过河道。右岸布置时洞身只有一部分在基岩上，而大部分在砂砾石上，需采用开敞式溢洪道，且出口段出水渠较长，砂砾石开挖量较大，且产生高边坡问题。

（4）投资上，左岸溢洪洞相对右岸溢洪道投资要少。

综上所述，可以看出溢洪洞形式比溢洪道型式较安全且便宜，另溢洪洞布置在左岸比右岸利大于弊，因而在该坝址处将溢洪洞布置在左岸。

3.2 溢洪道的型式选择

溢洪道有许多种型式。按其所在的位置，可分为河岸式及河床式；按泄水方式，可分为开敞式及封闭式(井式)；按有无闸门，可分为控制室及自由式。在没有合适的溢洪道位置的情况下还可以开凿泄洪洞泄洪。

开敞式河岸溢洪道又分为正堰式及侧堰式两种型式。前者溢流堰轴线大致与溢流方向垂直；后者溢流堰沿河岸等高线布置，溢流前沿与坝轴线大致垂直。

溢洪道的位置和型式，应根据库区和坝址区的地形、地质条件和经济比较来选择。

（1）库区有马鞍形山凹地段，最适宜布置正堰式溢洪道。其优点是：水力条件好，超泄能力大，工程量少。

（2）坝的两端山坡陡峻，布置正堰式溢洪道开挖量很大时，可考虑采用侧堰式溢洪道。其优点是：占用空间小，工程量小。

由于本工程布置空间较小，两岸山体较陡，所以本阶段推荐采用侧槽溢洪洞。

控制堰的型式采用WES实用堰，堰顶不设闸门。侧槽段断面采用窄深式梯形断面，侧槽段纵坡i=1/30。

3.3 泄槽段设计

在选择泄槽轴线时，宜采用直线。当必须设置弯道时，弯道宜设置在流速较小时、水流比较平稳、底坡较缓且无变化的部位。

泄槽在平面上设置弯道时，宜满足下列要求：

①横断面内流速分布均匀。

②冲击波对水流扰动影响小。

③在直线段和弯段之间，可设置缓和过渡段。

④为降低边墙高度和调整水流，宜在弯道及缓和过渡段渠底设置横向坡。

⑤矩形断面弯道的弯道半径采用6倍～10倍泄槽宽度。

泄槽的纵坡、平面及横断面布置，应根据地形、地质条件及水力条件等进行经济技术比较确定。

本工程泄槽段采用隧洞型式。

3.4 消能防冲设计

根据《溢洪道设计规范》（SL253-2000）规定：消能防冲设计的洪水标准为1级建筑物按100年一遇洪水设计；2级建筑物按50年一遇洪水设计；3级建筑物按30年一遇洪水设计。同时，还明确规定对低级消能防冲标准的洪水应保证工程的安全和正常运行。

消能设施的良好工况，是枢纽安全运行的关键因素之一。选定的消能工应满足：

表1 莫勒切河石门断面设计洪水成果表单位：流量m3/s洪量：106m3

表2 调洪计算成果表单位：流量m3/s水位：m

表3 石门水库侧槽内水面曲线计算表

（1）消能效果良好。应能在设计流量及以下各级泄量时，尤其是在常遇洪水时有良好的消能效果。因常遇洪水出现的机率高，所以强调了在常遇洪水情况下的良好消能效果。

（2）结构可靠，并具有良好的防空蚀和抗磨的性能。

（3）淹没于水下的消能工（如消力池、辅助消能工）应具有运行期检修的条件。

本工程属3级建筑物消能防冲按30年一遇设计。由于本工程消能段地基主要以砂砾石为主，水头高、流速大，所以消能型式选用底流扩散式消能。

4 水力计算

4.1 侧槽段变流量水面曲线计算

侧槽内水流为空间沿程增加的变量非均匀流，通常用差分形式的基本方程进行计算。在侧槽末端与泄槽衔接处设控制段，过渡水深在侧槽内无交点，临界水深可认为发生在控制段末端与泄槽交界处，故侧槽末端水深的计算是以校核洪水时的溢洪洞泄流量为Q=463.29 m3/s，来计算控制段末端的临界水深，以次推算至控制段首端，即侧槽末端水深为5.68m，以此推算侧槽的水面线。

侧槽水面线差分形式的基本方程：

式中，△s——计算流段长；

△Z——计算流段△S的两端断面的水位差；

J——计算流段内的平均水力坡降；

V1、V2——分别为计算流段上下游断面的平均流速；

Q1、Q2——分别为计算流段上下游断面所通过的流量，Q2=Q1+q△S。

根据《水利水电工程PC1500程序集（微机版）》D—11侧槽式变量流水面线计算程序计算侧槽的水面线，如果计算流段不长，可略去J△S，计算参数为：侧槽分段数Z=5，槽内边坡系数M=0.5，槽内底坡I0=0.033，槽内糙率 n=0.016，长度 lm=40m，首端底宽BU=12m，末端底宽B0=15m，末端处流量Q=463.29m3/s，起端水深H0=6.37m。计算结果见下表3。临界水深Hk=4.50，临界底坡Ik=0.199。