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石樓縣坪底供水工程取水樞紐設(shè)計方案比選

2014-12-25 02:06
山西水利科技 2014年3期
關(guān)鍵詞:溢流壩段表孔底孔

程 亮

(山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原030024)

1 工程概況

石樓縣坪底供水工程地處屈產(chǎn)河中游坪底河段。2009年1月,省發(fā)改革委對該工程的初步設(shè)計進行了批復(fù),同意推薦的重力壩壩型及樞紐建筑物設(shè)計方案(6孔溢流表孔加1孔泄流底孔方案)。后因諸多原因,該工程未能實施。

2012年7月,我院受業(yè)主委托,重新進行該項目的設(shè)計工作。由于該工程任務(wù)變化,供水規(guī)模增大,原批復(fù)的工程規(guī)模不能滿足現(xiàn)在的需要,因此又進行了設(shè)計方案的比選,但是該工程的壩址、壩型仍采用原方案,僅對建筑物的布置和規(guī)模進行了調(diào)整。

2 設(shè)計方案

大壩典型剖面分為擋水壩段、底孔壩段和溢流壩段三種型式:

擋水壩段為標準重力壩型,典型剖面尺寸為壩頂寬度5.0 m,上游壩面為豎直面,下游壩坡坡比1:0.75。

底孔壩段是在重力壩體型基礎(chǔ)上,在壩體內(nèi)中設(shè)置沖砂泄洪底孔,并在大壩上游側(cè)布置進水塔,設(shè)置檢修閘門1道,在大壩下游側(cè)布置閘墩和弧形工作閘門1道,下游通過直線段和反弧段與消力池相連。

溢流壩段堰面曲線在堰頂高程上游側(cè)采用三圓弧曲線,下游側(cè)采用WES冪曲線,曲線下游設(shè)直線段和反弧圓曲線段與消力池相接。堰頂每孔設(shè)置檢修閘門和工作閘門各1道,閘墩頂設(shè)寬5m的工作橋與兩側(cè)壩頂相通。大壩橫剖面如圖1所示。

圖1 大壩橫剖面圖

針對供水量增加、規(guī)模增大的實際情況,我院在原設(shè)計的基礎(chǔ)上,對水庫的調(diào)度方式、消能防沖、泄流建筑物的布置及減少開挖工程量等問題進行了重點研究,針對沖砂底孔與溢流表孔的相對位置及其尺寸大小,我們列出了3個方案并分別進行了研究分析。

2.1 方案一“1孔泄流底孔+6孔溢流表孔”

壩頂總長129.5m,壩頂高程+30.0 m(以壩址主河槽最低處地面高程為0.0 m,下同),最大壩高37.0 m。大壩由左、右岸擋水壩段和溢流壩段3部分組成。左岸擋水壩段長26.0 m;右岸擋水壩段長15.0 m,河床中間布置72.5m長溢流壩段,并在溢流壩段與右岸擋水壩段之間設(shè)16m長底孔壩段。

溢流壩段共設(shè)6孔溢流表孔,孔口凈寬10 m,堰頂高程+17.5;底孔壩段緊鄰溢流壩段設(shè)單孔有壓底孔,斷面為4m×4m,底高程+4.5m,出口頂部設(shè)置1:6壓坡段,出口斷面4m×3.5m。

取水方式采用庫區(qū)取水,在庫區(qū)右岸距大壩約65m處凹岸,新建一座圓形深井式泵房,布置3臺長軸深井泵,2臺工作,1臺備用。泵房與庫岸以交通橋連接。

樞紐平面布置如圖2所示。

圖2 方案一平面布置圖

2.2 方案二“2孔泄流底孔+4孔溢流表孔”

壩頂總長129.5m,壩頂高程+30.0 m,最大壩高37.0 m。大壩由左、右岸擋水壩段,左、右岸溢流壩段及中間底孔壩段5部分組成。左岸擋水壩段長22m;右岸擋水壩段長19.5m,左、右岸溢流壩段均為32m,底孔壩段布置在兩溢流壩段中間,長24m。

左、右岸溢流壩段各設(shè)2孔溢流表孔,單孔凈寬12m,堰頂高程+17.5m;底孔壩段共設(shè)2孔有壓底孔,斷面為6m×6m,底高程為+4.0 m,出口頂部設(shè)置1:6壓坡段,出口斷面6m×5.3m。取水方式同方案一。

樞紐平面布置如圖3所示。

圖3 方案二平面布置圖

2.3 方案三“2孔泄流底孔+3孔溢流表孔”

壩頂總長134.1m,壩頂高程+30.5m,最大壩高37.5m。大壩由左、右岸擋水壩段、溢流壩段和底孔壩段4部分組成。左岸擋水壩段長35.6m,右岸擋水壩段長19.5m,溢流壩段長51m,底孔壩段位于左岸擋水壩段與溢流壩段之間,長28m。

溢流壩段共設(shè)3孔溢流表孔,孔口凈寬12m,堰頂高程+16.0 m;底孔壩段共設(shè)2孔有壓底孔,底高程+4.5m,其他尺寸同方案二。

取水方式采用庫區(qū)取水,以底孔壩段進水塔邊墻為基礎(chǔ),建一座深井式矩形泵房,布置3臺長軸深井泵,2臺工作,1臺備用。泵房與壩頂直接相通。

樞紐平面布置如圖4所示。

圖4 方案三平面布置圖

3 設(shè)計方案比選

3.1 供水量

依據(jù)該工程的水文條件和各建筑物的泄流能力,進行調(diào)算,結(jié)果見表1。

表1 各方案洪水調(diào)節(jié)成果果表

三個方案的年供水量相同。方案三總庫容分別大于方案一、二91萬m3和81萬m3,其校核洪水位比方案一、二分別高出0.86m和0.79m。

3.2 消能防沖

可供選用的消能方式主要有:底流消能、挑流消能和面流消能。

1)挑流消能

按正常蓄水位+23.5m時,相應(yīng)的下游水位為+8.79m。依據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(SL319-2005)5.4.1條,挑流鼻坎最低高程,宜高出設(shè)計洪水時下游水位,經(jīng)計算分析,最終確定鼻坎高程+9.043m。

上游庫水位至鼻坎頂?shù)母叱蘃=23.5-9.043=14.457m,依據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(SL319-2005)附錄A.4.1提供的公式計算挑距和沖坑深度。計算結(jié)果見表2。

表2 挑流計算成果表

該消能方式存在的問題:

(1)底孔段因出口底板高程為+4.0 m,遠低于下游水位+8.79m,不宜布置挑流;

(2)左岸地形高程+9.0~+16.0 m,沖坑底高程-7.0 m,會危及底孔壩段的消力池邊墻安全,且左岸地勢較高,使水流出流不暢,為使水流盡快回歸主河槽,開挖量很大;

(3)大流量時,挑距尚可滿足要求。但小流量時,挑距短,危及大壩基礎(chǔ)。

因此該工程不宜采用挑流方案。

2)面流消能

面流消能也是主要的消能方式之一。其優(yōu)點:主流在表面,距有底部旋滾,河床加固費用少,開挖量較少;缺點是:水流銜接型式復(fù)雜多變,不易控制,下游有較大波浪,適合下游水深大,且變幅小的情況。若該工程要實施面流消能,存在3個問題:

(1)左岸溢流壩段下游河床高程+9.0~+16.0 m,高出了下游水面高程+8.79m,該段下游無水,不具備形成面流的條件。

(2)對右岸溢流壩段和底孔壩段,在設(shè)計洪水條件下,下游的最大水深為9.79m,對應(yīng)的無坎時躍后水深為9.85m,二者基本相當,形成面流較困難。

(3)壩址區(qū)河床坡度較陡,為1%左右,壩下游洪水變幅大,對形成面流消能不利。

綜上,雖然面流消能可減少開挖量,節(jié)省河床加固費用,但不適合本工程。

3)底流消能

原設(shè)計方案就是底流消能,壩后設(shè)表孔和底孔共用的消力池,消力池后布置海漫。該方案存在開挖工程量大的問題。因大壩設(shè)計洪水和校核洪水時泄量分別為2715m3/s和5235m3/s,流量大,泄流建筑物長度占整個大壩長的比例大;而河道在壩址區(qū)由左岸奔向右岸,主槽窄而深,兩側(cè)臺地起伏大,左岸最大開挖深度達20 m,右岸局部達15m,更為嚴重的是右岸邊線距248省道邊線僅25m,若大規(guī)模開挖,將影響到省道的安全。

當庫區(qū)出現(xiàn)設(shè)計洪水時,壩下游水位+8.79m,出現(xiàn)校核洪水時,壩下游水位+11.40 m。方案一和方案二左岸消力池寬度超出了天然河道的水面范圍,難以形成水躍,底流消能的條件不是很充分。而方案三消力池寬度未超出天然河道的水面范圍,可形成底流消能。

根據(jù)以上資料,從消能防沖的條件看,方案三優(yōu)于方案一和方案二。

3.3 工程量及投資

三種方案的主要工程量及投資見表3。

表3 主要工程量及投資對照表

方案三投資最少,優(yōu)于方案一和方案二。

3.4 運行管理

庫區(qū)沖砂效果方案二和方案三優(yōu)于方案一,泵站取水口處清淤效果方案三最優(yōu)。

方案一泄流建筑物由1孔底孔和6孔表孔組成,6孔表孔的開啟調(diào)度方式復(fù)雜;方案二泄流建筑物由2孔底孔和4孔表孔組成,表孔布置在底孔兩側(cè),調(diào)度困難,泄水時水力條件不好;方案三泄水建筑物由2孔底孔和3孔表孔組成,調(diào)度方便,水流條件較好。

從運行管理方面來看方案三優(yōu)于方案一和方案二。

3.5 施工條件

方案一泄水建筑物長度79.5m,消力池寬度大,兩岸開挖深,開挖工程量大,且需要對省道邊坡進行防護;

方案二泄水建筑物長度86m,消力池總寬度更大,開挖工程量較方案一更大,仍需要對柳石公路高邊坡防護;

方案三泄流建筑物長度72.5m,消力池寬度最小,開挖工程量也最少,特別是避免右岸高邊坡開挖,無需對248省道高邊坡進行防護。

綜上所述,方案三在消能防沖、工程投資、運行管理和施工條件等方面優(yōu)于方案一和方案二,因此選定方案三為工程最終的布置方案。

4 結(jié)語

設(shè)計方案的比選是方案設(shè)計階段的核心內(nèi)容,通過擬定可能實現(xiàn)的不同方案,逐一進行對比分析,選擇施工難度小、投資總額少、投資效益大的相對最合理方案為工程的最終設(shè)計成果,以保證投資效率的最大化。

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