赵景志,廖 瑜,代长贤

(广东珠荣工程设计有限公司,广东 广州 510810)

都柳江红岩水利枢纽工程布置方案研究

赵景志,廖 瑜,代长贤

(广东珠荣工程设计有限公司,广东 广州 510810)

工程布置是工程设计中最基本也是最重要的组成部分,工程布置是否合理影响工程施工、投资、运行管理等,甚至影响到工程的可行性。所以,工程布置要根据地形地质条件,结合工程施工、投资、运行管理、人文景观等,从多方面多角度多方案进行综合比较,才能得出合理的布置方案。

工程任务;坝址选择;凑泄;船闸;溢洪道;方案选择

1 工程概述

都柳江是珠江流域西江水系柳江的上游,地跨贵州、广西两省,流域面积为13 790 km2,占柳江集水面积的23.7%,都柳江全长165.5 km,总落差为1 214.5 m,平均坡降为3.32‰。寨蒿河为都柳江左岸一级支流,为榕江县境内第二大河,全长为99 km,流域面积为2 326 km2,天然落差为911 m。平江河主河道全长为91 km,流域面积为1 086 km2,河流干支流总落差为1 208 m,平均比降为5.9‰。

都柳江柳江干流三都以下河段规划白梓桥、柳叠、坝街、寨比、红岩、永福、温寨、朗洞、大融、从江、梅林、洋溪、麻石、浮石、古顶、大埔、红花17级航电枢纽开发,其中从江以上10个梯级均位于贵州省境内,贵州境内已建水电枢纽包括红岩(引水式)及永福水电站,均未修建通航设施；下游广西区境内已建5座航电枢纽(麻石、浮石、古顶、大埔、红花)建有船闸[2]。

榕江县城都柳江、寨蒿河及平永河“两河一江”交汇处,汛期洪水遭遇情况复杂,宣泄不畅,多年来城区饱受洪灾之苦,现已建堤防长约4.3 km,局部达到20年一遇,且尚未封闭,未达到防洪标准的要求,防洪形势严峻。都柳江在原红岩电站坝址处经近乎360°绕行至现状红岩电站厂址,途中与寨蒿河汇合,两江交汇处上游即为榕江县城。都柳江在榕江县城头塘村附近呈“Ω” 形的垭口。在榕江县城城市规划中,坝下游为县城开发区,左岸规划为物流用地和生态农业观光区,右岸规划为居住用地。工程位置见图1。

图1 红岩水利枢纽位置

据《榕江县城总体规划(2010—2030年)》,关于防洪规划的内容为：“防洪重点是整治防洪堤、疏浚河道、提高河道排洪能力,加快县城和各建制镇防洪堤建设步伐”。防洪堤建设要超前于城镇建设,防洪标准按 “县城防洪标准达到50年一遇,乡镇防洪标准达到20年一遇”设计。《柳江流域规划》明确提出榕江县城的防洪是采用堤库结合的防洪体系,榕江县堤防按20年一遇标准建设,近期由红岩水利枢纽梯级承担县城标准从20年一遇提高至30年一遇防洪的任务,远期结合寨比水利枢纽工程的建设,使县城防洪标准达到50年一遇。结合《榕江县国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》关于加强交通运输网络建设规划要求：“按照国家珠江委员会和省、州的都柳江航电一体化开发的统一规划,配合做好都柳江航运规划和开发,使榕江县最大通航能力达300 t,推动社会经济发展”[1-3]。红岩水利枢纽工程主要任务为防洪、航运和发电。

2 水文地质条件

2.1水文条件

红岩水利枢纽坝址以上集雨面积为4 157 km2,500年一遇校核的洪峰流量为12 100 m3/s,50年一遇设计洪峰流量为7 770 m3/s。榕江县城地处三江汇合口处,汇合口以下为峡谷,汛期都柳江一旦发生大洪水,由于峡谷河道狭窄,泄洪能力小,往往形成壅水,洪水宣泄不畅,极易酿成洪灾。所以,县城防洪需要考虑干、支流洪水。目前,支流无水库控制,仅考虑干流(红岩水库)控制下泄,所以红岩水利枢纽工程采用“凑泄”的调洪方式,由于榕江防洪控制断面为汇合口下游峡谷处(石灰厂水文站下游)。

经过水文计算,如果从原河道下泄,水库需要水情预报,防洪库容为3 688万m3。如果从垭口处采用裁弯取直方案,洪水从垭口处下泄到洪水控制断面,不需要水情预报,防洪库容为2 610万m3。

2.2地质条件

坝址总体岩层产状为10°/SE∠40°,在下坝址走向呈横向,倾上游,河谷为横向谷。坝址及建筑物区未发现大规模断层。此外从钻探岩心形态观测,裂隙面基本未见泥质填充和渲染程度均较弱,强风化岩中裂隙发育,弱风化岩多见中陡倾角裂隙,中缓倾角裂隙较少。间距个别为0.1 m、多数为0.3～1.5 m不等,面较平直,未见明显软弱充填物,未形成泥化夹层或明显软弱夹层。从钻孔岩心和透水率指标分析张开程度应以微张～闭合为主,延伸短,连续性较差,故初步认为裂隙发育程度较弱。

坝址所测试段岩体为弱风化角砾岩,弱风化角砾岩的声波速度一般为3 030～5 263 m/s,平均声波速度为4 499 m/s,岩体完整性程度为完整性差～完整。岩体所测试段完整性差段比例占10.6%,较完整～完整段比例占89.4%。角砾岩饱和单轴抗压强度平均值Rb=47.21 MPa,为中硬岩,建基面附近岩体完整程度为较完整,属BⅡ类岩体。

3 坝址选择

根据《柳江流域综合规划》报告,都柳江红岩水利枢纽工程为第5梯级,上一级为寨比电站,下一级为永福电站(已建)。红岩水利枢纽坝址位于榕江县城头塘村附近,其任务为防洪、航运和发电[2]。

1) 防洪任务

防洪对象为榕江县城防洪,坝址应布置在县城以上,离县城越近越有利于防洪。

2) 地形条件

县城板寨村(离县城约1 km处)河道以上都可以作为红岩水利枢纽的坝址。板寨以上为榕江县头塘村,人口较多,头塘村后为厦榕高速榕江出口,前为一大片土地,根据《榕江县县城总体规划》(2010—2030年)规划,头塘村前土地规划为物流用地。而河道右岸为杨家湾开发区,规划为住宅小区。所以,坝址宜向上游,避开该开发河段。

3) 航运

枢纽最好在下一级水库(永福电站)库尾,可以与下一级水库相连,以减少航运投资。如果在榕江县城以下河段修建连接上一级枢纽的水库,会导致淹没榕江县城,需要整体搬迁。根据都柳江河道走势,在“Ω”形以后(头塘村以上河道),河道与下一级梯级(永福电站)库尾越来越远,导致航道工程量增加。而且根据计算,航道沿着“Ω”形布置时,通航条件较差,投资大,所以需要在“Ω”形的垭口附近布置船闸或引航道。

4) 发电

都柳江在该段河道坡降为1.5‰,在垭口段上、下游水位相差约9 m,“Ω”形垭口最窄处仅为140 m,在此处布置厂房时可获得较大水头。

5) 坝址、厂址和船闸选择

从地形、地质、坝高、枢纽运行、造价、施工及管理等方面进行综合考虑,统筹兼顾,合理安排,使较少的投资获得最大的社会效益和经济效益。都柳江在榕江县城头塘村附近呈“Ω ”形的垭口,为使洪水不通过县城河段,减轻县城防洪压力,利用头塘村对面垭口位置布置溢洪道,采用大开挖方式,使洪水与寨蒿河洪水平顺衔接,并利用溢洪道开挖料作为筑坝材料,以节省工程投资。坝址位于从头塘村板寨至头塘村打鱼寨1.2 km河段内,厂址位于垭口下游，原红岩电站管理房至下游永福电站回水位置，都什村附近长约4.1 km范围内。考虑到船舶运行的特殊性及规划要求,船闸布置于原红岩电站下游1 000 m范围。综上所述,红岩水利枢纽建坝河段，选择在头塘村上游“Ω”形垭口处河段。

4 船闸布置方案分析

4.1船闸常规的布置方案

考虑建筑物布置时,由于船闸在布置时对航道有转弯半径、横向流速等要求的特殊性,所以优先考虑船闸的布置。

船闸常规的布置方案为：船闸布置在大坝右坝段、溢洪道布置在大坝中部、发电厂房布置在大坝右坝段。该布置方案所有建筑物沿大坝一字排开,布置合理紧凑,船闸下游航道沿原河布置。永福库尾与红岩梯级不衔接,从红岩坝址至永福库尾河段长约7.1 km,天然河道平均坡降为0.7‰,河床以岩石和卵石为主,浅滩密布。红岩坝址以下“Ω”型河道有3个转弯段,且有大支流(寨蒿河)汇入,水流条件复杂,河槽宽度和深度不足,为等外级航道,仅能季节性通航10 t左右船舶。根据工程条件,如将船闸布置在挡水坝由沿原河道通航,考虑以下3种布置方案。

1) 不疏浚航道,利用枢纽下泄流量维持航道通航水深和宽度

为使坝下天然河道能维持足够的航道水深与航道宽度,即满足航道水深及航道宽度要求：1.8 m和40 m,转弯处航道宽度需达到75 m,依靠枢纽下泄流量进行调节,使其满足V级航道通航要求。经计算,如要维持滩地水深达1.8 m,所需河道泄流量较大,经试算河道泄流量至少为370 m3/s,即不疏浚航道,仅利用枢纽下泄流量维持下游航道通航水深的情况下,枢纽下泄流量约为370 m3/s,根据流量保证率曲线,大于等于该流量的保证率仅为4.3%,远不及通航保证率95%；红岩坝址河段多年平均流量仅为88.8 m3/s,所以该方案不可行。

2) 航道疏浚与枢纽泄流并用

因天然河槽宽度不足,下泄水流不归槽,要满足通航要求的航宽和航深时,所需下泄流量很大,故考虑对下游天然河道进行疏浚整治,按40 m航道底宽开挖航槽,使下泄水流归集于航槽内,以减小对下泄流量的需求。根据河道现状平均坡降7‰,河道流量经试算达到135 m3/s时,可满足下泄水流归槽,且航槽水深达到1.8 m。疏浚后为满足通航所需的下泄流量为135 m3/s,查流量保证率曲线,通航保证率约为16%,与规范要求的95%通航保证率仍相差甚远,因此该方案也不可行。

3) 深挖航槽

为满足P=95%流量,下游航道如维持1.8 m的通航水深要求,对河道主槽同时进行挖深和挖宽改造,使永福库尾直接延伸至红岩工程坝下,渠化约7 km河段,依靠下游永福梯级蓄水顶托使得库尾航槽水深不小于1.8 m。从现状永福库尾至红岩坝下即为航道疏浚整治段,疏浚整治要求：河槽底宽40.0 m,转弯处为满足航道转弯半径要求，河槽需加宽至75.0 m,河槽底坡高程需进行试算,当开挖底坡坡降为0.03‰时,河道水深可基本满足通航要求。坝下至永福库尾约6.5 km的航道，开挖底坡需缓于0.03‰,接近平底,经过设计计算,航道开挖工程量达392万m3。

3个方案相关指标如表1表示。

表1 通航方案各项指标对比

由表1可见,方案1通航保证率太低,天然河道仅能在丰水期下泄较大流量时通航,只可季节性通航；方案2通过相应的疏浚整治措施,可提高通航保证率,但仍不能满足V级航道的通航要求；如需满足95%的通航保证率,仅方案3可行,即深挖航槽方案,使永福库尾延伸至红岩坝下。方案3虽能满足船舶通航的需要,但存在以下问题。

① 航道维护难度大、费用高

船闸下游引航道出口处航道开挖深达10 m。因航道开挖过深,洪水期极易造成泥沙回淤,特别是寨蒿河支流与干流汇合口处,每场洪水都会冲淤,需经常清淤,维护费用高,难度大。

② 影响防洪堤安全

航道开挖深度达10 m,会危及榕江县城现有防洪堤的安全稳定。

4.2船闸隧洞布置方案

由于船闸布置在原河床方案存在一定的缺陷,需要重新考虑船闸的布置方案,使之能正常运行,后期管理方便。根据地形条件,“Ω”型最窄处为垭口,高度约为100 m,宽度约140 m,可以考虑在此布置船闸。根据《航道整治工程技术规范》,Ⅴ级航道通航保证率为95%,航道水深及直线段航道宽度要求分别为1.8 m和40 m,最小转弯半径270 m。通过布置,船闸布置在垭口位置时,上游引航道转弯半径不足175 m,不满足规范要求。根据地形地质条件,考虑把船闸向下游移,向下游移后,上游引航道与上闸首之间山体较高,山顶至引航道底面的高差为90～190 m,若上游河道与上闸首之间的连接航道采用明渠形式,则两侧高边坡问题突出,且石方开挖量十分巨大,故为减少工程投资,连接段设计在岩面较高处采用隧洞形式。

根据以上布置思路,将船闸闸首、闸室及下游引航道布置于“Ω”型河段下游右岸,闸首、闸室共长167 m；上游引航道从垭口上游接于水库,上游停泊段布置于河道较为宽阔的水库右岸,以使停泊段水流条件满足规范要求。上游引航道与上闸首之间山体较高,在岩面较高处采用隧洞形式。隧洞段长166 m,净宽18.2 m,明渠段长264.5 m。

4.3船闸布置方案选择

从上述船闸的布置方案可知,当采用常规的布置方案时,船闸投资高,后期运行费用高,而且运行保证率低。当采用隧洞布置方案时,隧洞需要考虑照明、通气等因素。由于本工程隧洞仅166 m,对于照明、通气等问题容易解决,所以隧洞方案工程布置合理,运行方便。所以船闸布置采用裁弯取直的隧洞方案。船闸布置方案见图2。

图2 红岩水利枢纽总体布置示意

5 溢洪道布置方案

5.1布置方案拟定

榕江县城防洪体系中,下泄流量需要考虑干、支流洪水共同作用,下泄流量采用“凑泄”的泄洪方案进行泄洪,寨蒿河支流由于无大、中型水利设施控制来水量,需要干流(红岩水库)进行控制下泄流量。经过水文计算,在汛限水位263 m时,垭口位置需要下泄20年一遇的洪水流量5 930 m3/s,否则需要水情预报,并增加水库防洪库容1 078万m3。

根据地形地质条件和防洪要求,枢纽布置考虑以下4种布置方案。

方案1：坝上4扇闸门+垭口3孔泄洪洞方案

为满足不设水情预报和增加防洪库容,在垭口处布置3条过水断面为14.0 m×16 m(宽×高)的城门洞型泄洪洞,其余洪水通过坝上布置的4孔14.0 m×16 m(宽×高)闸从原河道泄向下游。

方案2：坝上4扇闸门+垭口3孔泄洪闸方案

由于泄洪洞投资大,所以在垭口处采用明挖泄洪闸的方式布置3孔14.0 m×16 m(宽×高)泄洪闸,其余洪水通过坝上布置的4孔14.0 m×16 m(宽×高)闸，从原河道泄向下游。

方案3：坝上7扇闸门方案

坝上布置7孔14.0 m×16 m(宽×高)泄洪闸,洪水全部从原河道通过。

方案4：垭口7孔泄洪闸方案

在右岸垭口处设置7孔14.0 m×16 m(宽×高)泄洪闸,洪水全部通过泄洪闸下泄至下游河段。

5.2方案综合比较

泄洪建筑物方案综合比较见表2。

表2 泄洪建筑物方案综合比较

由表2可知,方案1隧洞开挖量较大,单价高,投资最大。而且后期运行管理不方便。方案3工程直接投资最少,但存在以下问题。坝址下游已修建左岸防洪堤,导致河道宽度不足100 m,河道泄洪能力不足。下游与寨蒿河汇合口上游修建了1座过水桥和1座景观翻板闸,如果采用坝上7孔泄洪闸布置方案,则过水桥和翻板闸需要拆除；引水电站需要开挖2条引水隧洞；坝址附近无弃渣场,弃渣场较远；全部洪水通过原河道下泄,县城防洪压力大,风险大,防洪调度需要依靠洪水预报,不宜采用。

比较方案2和方案4,工程直接投资，方案4多3 982万元,但可新增城市用地36.66 hm2(榕江县国土局提供的地价为6.66～8万元/hm2),按6.66万元/hm2计算,新增城市用地价值5.5亿元,所以方案4经济效益最好。全部洪水由垭口7孔闸下泄,闸下即为防洪控制断面,无需洪水预报,防洪调度简单可靠,县城防洪压力小,原景观翻板闸等无需拆除,有利于城市美化。

5.3方案选择

在榕江县城市规划中,坝下游为县城开发区,左岸规划为物流用地和生态农业观光区,右岸规划为居住用地。坝址以下已建设防洪堤、景观闸和人行桥。洪水全部由垭口下渲泄,远离县城,原河道仅下放多年平均流量的20%作为生态流量,既美化城市,又增加城市用地。地方政府建议选用垭口集中泄洪方案,洪水集中从垭口渲泄。

综上所述,本阶段推荐方案4,溢洪道布置方案见图2。

图3 红岩水利枢纽效果示意

6 结语

都柳江红岩水利枢纽工程船闸布置方案。采用隧洞引航道的布置形式,使航道缩短约6.5 km,减少通航成本。但由于引航道有宽度、净空等要求,需要形成较大洞室,对地质条件要求较高,而且隧洞的通航方式还涉及通气、采光、后期运行管理等要求,所以工程实例较少,国内仅乌江干流构皮滩电站船闸有实施[4]。随着国家对内河航运的开发,隧洞通航方案会越来越多。

在溢流方案的布置中,坝上溢流布置方案简单,泄水建筑物投资最少,从工程实际情况,结合地方政府建议,采用裁弯取直的大开挖方案,使工程效益最高。但大开挖方案使溢洪道两岸形成近90 m高边坡,需要进行专题研究处理。

在进行工程布置时,要根据工程地形地质条件,结合工程施工、投资、运行管理、人文景观等,从多方面多角度进行多种方案进行综合比较,才能得到合理的布置方案。

[1] 贵州省城乡规划设计研究院.榕江县城总体规划(2010—2030年)[R].贵阳：贵州省城乡规划设计研究院,2002.[2] 中水珠江规划勘测设计有限公司.柳江流域综合规划报告[R].广州：中水珠江规划勘测设计有限公司,2011.

[3] 榕江县人民政府.榕江县国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要[R].榕江：榕江县人民政府,2008.

[4] 长江航道规划设计研究院.乌江构皮滩水电站翻坝运输系统建设工程初步设计[R].武汉：长江航道规划设计研究院,2013.

(本文责任编辑 王瑞兰)

Duliu River Hongyan Hydro Project Layout Plan

ZHAO Jingzhi,LIAO Yu,DAI Changxian

(Guangdong Zhurong Architecture &Engineering Design Co.Ltd，Guangzhou 510810,China)

Layout plan is a key element in the designing process of hydro engineering. It will affect the construction, cost, operation of the project, as well as the feasibility of the project. So, it should be taken into consideration of several factors including site terrain, geological condition, construction plan, investment, O&M, aesthetics, etc. The best scheme will be determined after comprehensive comparison.

project goal；dam site comparison；open flush；dock；spillway；options determination

2016-10-25;

2016-11-08

赵景志(1980),男，本科，工程师，从事水利水电工程设计工作。

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