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摘要:西藏旁多水利枢纽工程受地形、地质条件制约,枢纽泄
水建筑物布置可选择范畴有限,总体布置方案比选事实上也是泄洪
建筑物布置的选择,经枢纽布置比选,拟定泄洪设备由泄洪洞+泄
洪兼导流洞共同构成。笔者将最优比选方案总结出来,供读者在类
似工程中借鉴。
关键词:水库工程泄水建筑物最优设计方案比选
1工程概况
西藏旁多水利枢纽是拉萨河干流水电梯级开发的龙头水库,工程
任务是以灌溉、发电、兼顾防洪和供水。工程重要由沥青砼心墙砂
砾石坝、泄洪洞及泄洪兼导流洞、引水发电系统、发电厂房和灌溉
输水洞等构成。工程规模为大(1)型,工程等别为ⅰ等,大坝为1
级建筑物,地震基本烈度ⅷ度。。
2方案比选目的
旁多泄水建筑物拟在右岸布设两条泄水洞,由于两条隧洞工程的
地质条件略有差别,围岩的稳定性不同,施难易限度不同,隧洞施
工对环境的影响不同,致使隧洞施工造价也尽相似。那么选用哪种
设计泄水方案,作为最后泄水建筑物直接决定了经济效益的最大
化,决定了人民生命财产安全能否得到保障。因而在选定隧洞线路
方案之前须综合分析各条隧洞线工程地质条件,研究隧洞围岩的稳
定性,并从构造性能、工程成本、施工难易、环境因素等方面比选
方案。
由于枢纽引水发电洞及灌溉输水洞均布置在大坝右岸,泄水建筑
物洞线布置可选范畴十分有限。根据枢纽总布置比选成果,综合考
虑地形地质条件,拟定两条泄洪洞进口均位于大坝右岸上游小山包
处,出口上游侧为滑坡体,下游侧顺水流方向接近右岸山体;如出
口向上游移动将增长滑坡体解决工程量,向下游移动不利于消能设
施布置,泄洪时将形成较大回流,增长边坡开挖与解决工程量。
根据进口不同位置,拟定两个洞线比选方案。①考虑泄洪洞为高
速无压隧洞应直线布置,,两洞轴线间距约52m。
②泄洪兼导流洞为有压隧洞可以折线或曲线布置,隧洞全长
。
⑴根据旁多水利枢纽工程特性表(见表1)
⑵两条泄洪隧洞校核洪水状况下最大泄量2880m3/s,泄洪洞选表
孔无压隧洞,堰顶高程4079m,堰宽10m,泄洪兼导流洞采用深孔
有压隧洞,进口型式采用竖井式,工作闸门布置在出口,孔口尺寸
7m×7m。
两方案布置基本相似,只是进出口位置不同,直线布置比折线布
置洞线较长。但直线布置方案进口覆盖层较薄,岩石破碎,引水渠
较长,进口开挖及边坡解决工程量大;而折线布置方案进口位置为
岩石陡崖,可直接进洞,基岩相对完整,引水渠短,进口开挖及边
坡解决工程量小,工程投资比直线方案少280万元,拟定采用折线
方案。
为合理选择泄洪设备尺寸,拟定泄洪洞堰顶高程和堰宽、泄洪兼
导流洞工作闸门孔口尺寸,针对不同的堰顶高程进行了三个泄洪规
模比选方案。
比选时,(汛限水位),各方案技术经济特
性见表2。
经调洪演算可知,随泄洪洞控制段堰顶高程的减少,泄洪能力逐
渐增长,相应校核水位依次减少,所规定的坝高及泄洪尺寸均有所
不同。从技术特性表4可分析,校核状况最大泄量不小于2880m3/s
时,坝顶高程均由正常蓄水位+地震工况控制,坝高不再变化,总
投资随泄水建筑物尺寸加大而增长。
校核状况最大泄量不不小于2880m3/s时,坝顶高程均由校核洪水位工
况控制,随着泄流能力的减小,坝高依次增长,泄水建筑物尺寸移
次减小,但大坝增长的投资远不小于泄流建筑物减小的投资,总投资
逐渐加大。从各方案比较可知,方案二泄水建筑物总投资最低,确
定泄洪规模:校核状况下泄水建筑物最大泄量2880m3/s。
考虑导流洞后期将改建为永久泄洪洞,初选导流洞为圆形断面,
通过洞径方案比选,最后选定导流洞洞径11m。泄洪洞采用表孔无
压隧洞,断面型式为圆拱直墙断面,控制段孔数为1孔。为了减少
洞型变化,取隧洞宽度与堰宽相似,隧洞高度按水面计算成果和净
空规定拟定。根据泄量规定,拟定堰宽的同步,隧洞断面尺寸也基
本拟定,因此,泄洪洞堰宽及堰顶高程不再进行比选。
导流洞下闸蓄水后,在导流洞出口增设一道弧形工作闸门,导流
洞运用的越充足,工程投资越省。根据《水工隧洞设计规范》有压
泄水隧洞沿程体型无急剧变化时,出口断面尺寸宜收缩为洞身断面
的85%~90%,考虑泄水建筑物的可靠性及水库调度运营的灵活性,
本工程泄水建筑物由两条泄洪隧洞构成,并对泄洪建筑物孔口尺寸
方案进行如下四个比选方案。
孔口尺寸比选方案技术经济特性见表4。
⑴运营可靠性
旁多大坝为土石坝坝型,泄洪洞为表孔无压,其泄洪能力较强,
可以提高特殊状况下的运用可靠性,而泄洪兼导流洞为深孔有压泄
洪隧洞,其超泄能力相对较弱。
⑵调度运营
一般状况下,工作闸门开度为20%~80%时,其工作状态较好。按
此原则,当单独运用泄洪洞或单独运用泄洪兼导流洞泄流,并在考
虑3台发电机组出流(263m3/s)时,均能满足最大出库流量规定。
⑶构造受力条件
从表3可以看出,泄洪兼导流洞工作闸门孔口尺寸越小,工作闸
门最大推力越小,其闸墩构造强度、支铰牛腿、闸室稳定及工作闸
门的构造解决越简朴。
⑷经济比较
从表3可以看出,各方案泄流能力基本相称,库水位差别较小,
坝顶高程相似,仅泄水建筑物投资有所变化,随泄洪兼导流洞工作
闸门孔口尺寸的缩小,泄洪洞尺寸逐渐增大。由于泄洪兼导流洞直
径均为11m,其减小的工程量仅为出口段和工作闸门等部位,而泄
洪洞各部位工程量均有所增长,泄洪洞增长的投资远不小于泄洪兼导
流洞减少的投资,故泄洪兼导流洞工作闸门孔口尺寸越大,导流洞
的运用越充足,投资越省。从经济比较上看,方案一最优。
本工程为ⅰ等大(1)型工程,下游为西藏自治区首府拉萨市,考
虑到工程地处高地震区、大坝为土石坝坝型、本地运营管理水平相
对有限等因素,从表4看方案四虽然投资最高,但其表孔泄洪洞校
核状况下泄量分派比例大,超泄能力强,运营相对可靠;同步,方
案四泄洪兼导流洞出口工作闸门水推力较小,闸室构造解决相对简
单,故本工程选定采用方案四。
选定方案孔口尺寸为:,堰宽10m,泄洪
兼导流洞工作闸门孔口尺寸7m×7m,收缩为导流洞洞身断面的
%,两洞校核状况下,:。
⑴水库放空规定
考虑旁多工程的重要性,本水库需设立放空洞,由于导流洞进口
高程较低,可兼做水库放空使用,以简化工程布置,节省投资。故
导流洞改建永久泄洪洞,宜采用深孔式进水口,以满足水库放空要
求。
⑵施工期下游环境流量规定
导流洞下闸水库初期蓄水期间,河道将断流,影响下游生态环境。
导流洞进口布置为深孔式永久闸门,下闸蓄水期间,可通过控制闸
门开度泄放23m3/s环境流量。
⑶工作闸室位置规定
工作闸室位置选择将直接影响洞内压力状态,工作闸室可选择位
置有如下几种:①布置在进口:隧洞为有压力进口的无压隧洞;②
布置在洞内:隧洞为有压与无压洞相结合;③布置在出口:隧洞为
完全压力洞。
如工作闸门和进口闸门同设在进口闸室,进口闸门可先期安装形
成,工作闸门需下闸蓄水后,通过对进水口闸室改造后期建成,由
于下闸蓄水施工工期有限,且进口闸室施工空间狭窄,闸室构造改
造和工作闸门安装调试均较困难;此外,同设在一种闸室,浮现问
题的也许性高,布置不当将危及整个泄水建筑物的安全,因此,工
作闸室不合适布置在进口,可选择位置为洞内或出口。
⑷洞内压力状态方案拟定
考虑工作闸室位置,洞内压力状态选择有如下两种方案。方案一:
有压与无压洞相结合,工作闸室布置在洞内;方案二:完全压力洞,
工作闸室布置在隧洞出口。
⑴方案一(有压与无压洞相结合)
为增长抗震稳定性,隧洞进口采用竖井式闸门井,布置于隧洞前
端,受地形条件限制,洞线布置有平面转弯,根据《水工隧洞设计
规范》,高流速无压隧洞不应设立曲线段,故工作闸室选择布置在
平面转弯之后洞段;根据地形地质条件及隧洞埋深状况,隧洞全长
778m,工作闸室如布置在中间洞段,需设立交通洞,布置在出口洞
段,需采用竖井式闸门井;综合考虑,工作闸室选择布置在出口洞
段。
⑵方案二(完全压力洞)
本方案隧洞为完全压力洞,工作闸室设在隧洞出口,隧洞洞线布
置如下:
隧洞布置在大坝右岸,轴线方位由se178°38′2″折向se148°
38′14″,,由进水渠、井前压力洞段、进口闸门井、
洞身段、出口闸室、明槽段及挑流鼻坎段构成。
通过对洞内压力状态比选(重要工程量),方案一(有压与无压洞
相结合)直接费14106万元,方案二(完全压力洞)直接费13310
万元,即方案二比较经济。
由表5可知,方案二(出口方案)在水力学条件、构造设计、改
造施工条件及工程投资上均较优,虽对出口洞段围岩条件规定较
高,工作闸室解决相对复杂,但通过工程措施均可以解决,从构造
性能、便于运营管理、节省投资等方面考虑,选定采用方案二,即
隧洞为完全压力洞,工作闸室布置在出口。
本工程地震设计烈度为ⅷ度,由于塔式进口抗震性及稳定性差,
根据地形、地质条件,对进口闸门井型式进行了如下比选:
方案一:半压力墙式
半压力墙式闸门井,高程4072m如下43m高为压力墙式,以上28m
高为塔式;
方案二:竖井式
竖井式闸门井,井前压力洞段长73m,竖井闸门井高54m,上部17m
高为塔式,井内设检修闸门及事故闸门各一道,进口检修平台高程
4100m。
从表6方案比选优缺陷表可以看出,方案一抗震性能较差,由于
进口边坡较缓,进口工作桥较长,通过设计勘测对比计算,工程直
接费用比方案二多563万元,但全洞可检修;考虑进口底板高程接
近库底,泥沙淤积严重,为减少泥沙对闸门的压力,根据地形、地
质条件,经技术经济综合比较,进口闸门井型式选定采用方案二,
即闸前有较长压力洞段的竖井式闸门井。
3选定方案结论
选定方案泄水建筑物由泄洪洞和泄洪兼导流洞共同构成。通过泄
洪规模比选、孔口尺寸比选、洞内压力状态比选,选定方案工程布
置如下:
选定方案泄洪洞为表孔无压隧洞,校核最大泄量1644m3/s,洞内
,,由进水渠、控制段、斜井段、
洞身段、泄槽段及挑流鼻坎构成。
⑴进水渠
进水渠长15m,为梯形渠槽,,底宽由12m渐变
至10m,两侧为重力式挡土墙,溢流堰前15m设30㎝厚砼铺盖。
⑵控制段
,孔口净宽10m,溢流堰体为wes型堰面曲线,
堰顶高程4079m,堰顶设一扇露顶式弧形工作闸门和一道事故闸门,
控制段两侧为半重力式闸墩,墩顶宽3m,由于孔口较小,两侧闸墩
与溢流采用整体式构造,墩顶检修平台高程4100m。
⑶斜井段
,由直线段和反弧段构成,为10m×,
衬砌砼厚2m。
⑷洞身段
,底坡3%,为10m×,首
端分别由长15m的过渡段和渐变段与反弧段相接,出口底板高程
。隧洞采用不同厚度的钢筋砼衬砌支护,其中ⅳ围岩在开
挖中增长锚杆、顶拱挂网和喷砼等支护措施。
⑸泄槽段及挑流鼻坎
,由直槽段和扩散段构成,直槽段后为向左侧扩
散的扭曲矩形渠槽和挑流鼻坎,槽底为扇形扭曲面,槽宽由10m扩
散至25m。边墙与底板均为半重力式整体式构造。
选定泄洪兼导流洞为深孔有压隧洞,校核最大泄量1237m3/s,洞
内流速13m/s,,由进水渠、井前压力洞段、进
水口、洞身段、出口闸室、泄槽段及挑流鼻坎构成。
⑴进水渠
进水渠长53m,,为梯形渠槽,两侧为重力式导
水墙。
⑵井前压力洞段
井前压力洞长73m,进口采用三面收缩体型,该段位于库底,内外