劉科良

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 工程概述

北掌水庫(kù)位于汾西縣南掌村南對(duì)竹河的一級(jí)支溝上，距離汾西縣城約15 km，壩址以上控制流域面積6.66 km2，總庫(kù)容 465.5萬(wàn)m3，大壩為均質(zhì)土壩，壩高42.2 m，壩長(zhǎng)266.6 m。

北掌水庫(kù)為中部引黃工程汾西縣的調(diào)蓄水庫(kù)，其水源主要為中部引黃交汾靈支線2號(hào)輸水隧洞，分水口為汾西縣對(duì)竹鎮(zhèn)北掌出洞口，樁號(hào)51+247.5，高程924.3 m，設(shè)計(jì)引水流量1.563 m3/s。主要供水任務(wù)包括永安鎮(zhèn)、對(duì)竹鎮(zhèn)、?香鎮(zhèn)、和平鎮(zhèn)、僧念鎮(zhèn)、佃坪鄉(xiāng)、團(tuán)柏鄉(xiāng)、邢家要鄉(xiāng)8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的城鎮(zhèn)生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)灌溉用水，共4 010萬(wàn)m3，其中城鎮(zhèn)生活供水130萬(wàn)m3，工業(yè)供水1 110萬(wàn)m3，農(nóng)業(yè)供水2 770萬(wàn)m3。

2 泄洪設(shè)施方案

北掌水庫(kù)作為調(diào)蓄水庫(kù)，對(duì)竹河一級(jí)支溝南掌村南部的溝谷內(nèi)基本無(wú)基流，30年設(shè)計(jì)洪水流量為161.5 m3/s，洪量36.7萬(wàn)m3；300年校核洪水流量為285.6 m3/s，洪量74.2萬(wàn)m3，洪量相對(duì)較小。鑒于本水庫(kù)洪量較小，設(shè)計(jì)采用導(dǎo)流泄洪洞+溢洪道方案和單設(shè)導(dǎo)流泄洪洞方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

2.1 單設(shè)導(dǎo)流泄洪洞方案

考慮北掌水庫(kù)作為調(diào)蓄水庫(kù)，且布置在支溝內(nèi)，控制流域面積較小，區(qū)域內(nèi)洪水較小，所需泄洪量偏小的實(shí)際情況，確定導(dǎo)流泄洪洞設(shè)計(jì)原則為：在滿(mǎn)足施工導(dǎo)流的前提下，結(jié)合運(yùn)行期的泄洪要求，盡可能采用較小的經(jīng)濟(jì)合理的施工斷面。

導(dǎo)流泄洪洞布置在水庫(kù)右岸，進(jìn)口布置在大壩上游右岸緊鄰大壩的沖溝內(nèi)。導(dǎo)流泄洪洞在平面上呈曲線布置，由引渠段、進(jìn)水塔閘室段、無(wú)壓洞段、出口消能段及排水渠道組成，隧洞全長(zhǎng)430.6 m。

引渠：為施工導(dǎo)流，在河道主河床與導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口之間開(kāi)挖引渠，長(zhǎng)69.7 m，梯形斷面，渠底高程942.5 m，渠底寬 2.5 m，開(kāi)挖邊坡 1∶2，此段不襯護(hù)，開(kāi)挖后進(jìn)行平整夯實(shí)。

進(jìn)水塔：采用矩形塔式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，順?biāo)鞣较虻装彘L(zhǎng)9.54 m，垂直水流方向底板寬6.1 m，塔底板高程942.5 m，塔頂（檢修平臺(tái)）高程同壩頂為973.5 m，塔高32.0 m。塔壁及底板均采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔壁厚1.0 m，底板厚1.0 m。進(jìn)水口底高程951.5 m，采用喇叭形進(jìn)口，上唇曲線設(shè)計(jì)為橢圓曲線，左右邊墻設(shè)計(jì)為1/4圓形，半徑1 m。塔內(nèi)從上游至下游依次布設(shè)事故檢修門(mén)（攔污柵與事故檢修門(mén)共用同一門(mén)槽）和工作門(mén)，其中事故檢修門(mén)孔口尺寸2.0 m×2.0 m，底高程951.5 m；工作閘門(mén)孔口尺寸2.0 m×2.0 m，底高程942.5 m。工作閘門(mén)后塔壁設(shè)一個(gè)0.8 m×2.0 m的通氣孔。

洞身段：進(jìn)水塔后接無(wú)壓洞，隧洞洞身橫斷面為城門(mén)洞形，按圍巖類(lèi)別及流量進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)。隧洞底寬2.5 m，直墻高2.2 m，凈高3.0 m，頂拱為弧型，其半徑為1.377 m，圓心角120°。洞底進(jìn)口高程942.5 m，總長(zhǎng) 275.3 m，縱坡1/100。

隧洞D0+000—D0+236.2為Ⅴ類(lèi)圍巖洞段，長(zhǎng)236.2 m，采用C40鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度400mm。一次支護(hù)采用直徑25 mm系統(tǒng)錨桿、掛鋼筋網(wǎng)及噴120 mm厚C20混凝土組合式結(jié)構(gòu)，鋼筋網(wǎng)為直徑8 mm鋼筋，網(wǎng)格間距150 mm，系統(tǒng)錨桿設(shè)置在頂拱120°范圍內(nèi)，長(zhǎng)2.0 m，間排距 1.0 m，梅花型布置，在局部圍巖破碎段輔以鋼拱架進(jìn)行支護(hù)。

隧洞D0+236.2—D0+275.3為土洞段，長(zhǎng)39.1 m，采用抗?jié)B標(biāo)號(hào)為W8的C40鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度500 mm。一次支護(hù)采用掛鋼筋網(wǎng)和噴150 mm厚C20混凝土組合式結(jié)構(gòu)，鋼筋網(wǎng)直徑8 mm，網(wǎng)格間距150 mm。必要時(shí)采用超前小導(dǎo)管注漿加鋼拱架支護(hù)。

消能段：采用底流消能工，消力池池長(zhǎng)15.5 m，池深1.2 m，池底寬4 m。

導(dǎo)流泄洪洞泄流能力計(jì)算：當(dāng)進(jìn)水塔泄洪時(shí)按有壓進(jìn)口計(jì)算，且考慮到導(dǎo)流泄洪洞為無(wú)壓隧洞，按照無(wú)壓隧洞條件，最大泄量計(jì)算如下：根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》，無(wú)壓隧洞洞內(nèi)水面線不宜超過(guò)直墻范圍，且在摻氣水面線以上的空間，宜為斷面面積的15%～25%。按照導(dǎo)流泄洪洞洞內(nèi)最大水深，即水深在直墻段頂部（此時(shí)的凈空率為17.5%）時(shí)，核算無(wú)壓洞的泄量為 30 m3/s。

2.2 導(dǎo)流泄洪洞+溢洪道方案

導(dǎo)流泄洪洞布置同前方案，為無(wú)壓隧洞，設(shè)計(jì)斷面由最小經(jīng)濟(jì)施工斷面控制，斷面型式為城門(mén)洞形，斷面尺寸 2.0 m×2.5 m（ 寬×高），最大泄量20.12 m3/s。

溢洪道布置在大壩左岸臺(tái)階地上，進(jìn)口位于壩軸線上游約96 m，溢洪道軸線距左壩肩最近點(diǎn)約19 m。溢洪道為開(kāi)敞式正槽溢洪道，寬頂堰溢流，堰頂高程971.5 m，堰寬10.0 m。溢洪道由引渠段、控制段、漸變段、泄槽段、消能段組成，總長(zhǎng)217.0 m。溢洪道為土基上溢洪道。

引渠段：根據(jù)地形水流條件，進(jìn)口為喇叭口，采用漿砌石結(jié)構(gòu)，底高程971.5 m，兩側(cè)弧線曲面導(dǎo)墻頂寬0.3 m，邊墻高 1.5～3.0 m，邊坡 1∶0.3。 引渠段開(kāi)挖斷面為梯形，進(jìn)口底寬約為10 m，土質(zhì)邊坡1∶1。

控制段：體型為平底寬頂堰，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，堰頂高程971.5 m，長(zhǎng)10.0 m，溢流堰上游設(shè)2.0 m齒墻，齒墻底寬0.5 m。兩側(cè)邊墻頂寬0.5 m，高3.0 m，底板厚1.0 m?；炷翞镃25鋼筋混凝土?？刂贫蔚鼗鶠榈谒南抵懈陆y(tǒng)沖積微紅色、鮮紅色低液限黏土，地基土具濕陷性，為自重濕陷性場(chǎng)地，地基濕陷等級(jí)為Ⅲ級(jí)（嚴(yán)重），采用素土擠密樁進(jìn)行處理。

泄槽段：為M7.5漿砌石結(jié)構(gòu)，底板厚0.6 m，兩側(cè)邊墻厚0.5 m。為防止變形，底板和邊墻連接處設(shè)縱縫，沿水流方向每10 m設(shè)1條橫縫，縱、橫縫均為平縫，縫內(nèi)設(shè)橡膠止水帶，瀝青砂漿封堵。泄槽底板設(shè)直徑50 mm的排水孔，間排距2 m，梅花型布置。泄槽段地基為第四系中更新統(tǒng)沖積微紅色、鮮紅色低液限黏土，地基土具濕陷性，為自重濕陷性場(chǎng)地，地基濕陷等級(jí)為Ⅲ級(jí)（嚴(yán)重）。采用3∶7灰土進(jìn)行換基，厚度0.5 m，換基范圍在地基輪廓線往外各0.5 m。灰土墊層和漿砌石底板之間采用厚0.3 m碎石墊層過(guò)渡處理。

消能段：采用挑流消能工，末端與主河槽銜接（主河槽為巖基）。挑流鼻坎為連續(xù)式，反弧半徑10.0 m，坎頂高程940.67 m，射角度20°。挑流鼻坎段邊墻高1.5 m，墻頂寬度0.3 m。鼻坎邊墻和底板均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為提高挑流鼻坎的抗沖耐磨能力，在其迎水面設(shè)30 cm厚C35鋼筋混凝土，其余部分均為C25鋼筋混凝土。

溢洪道泄流能力計(jì)算：根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算得溢洪道最大泄量為24.8 m3/s，此方案最大設(shè)計(jì)泄量為 44.9 m3/s。

以上兩個(gè)方案均滿(mǎn)足泄洪要求。

根據(jù)上述兩個(gè)方案的泄量曲線，經(jīng)過(guò)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，成果見(jiàn)表1。

表1 洪水調(diào)節(jié)計(jì)算結(jié)果

溢洪道+導(dǎo)流泄洪洞方案，溢洪道投資估算170.8萬(wàn)元，導(dǎo)流泄洪洞投資估算380.3萬(wàn)元，總投資551.1萬(wàn)元。單導(dǎo)流泄洪洞方案投資估算449.7萬(wàn)元。

3 方案比較

3.1 單設(shè)導(dǎo)流泄洪洞方案

單設(shè)導(dǎo)流泄洪洞方案隧洞底寬為2.5 m，凈高3.0 m，斷面比較寬裕，利于施工，且投資比導(dǎo)流泄洪洞+溢洪道方案節(jié)約了101.4萬(wàn)元。但無(wú)超泄能力。

3.2 導(dǎo)流泄洪洞+溢洪道方案

該方案有較大的超泄能力，遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，可保證大壩安全。但導(dǎo)流泄洪洞斷面較小（底寬2.0 m，凈高2.5 m），施工難度相對(duì)較大；溢洪道處于土基上，可能會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降；投資相對(duì)較大。

4 結(jié)論

北掌水庫(kù)作為中部引黃工程的調(diào)蓄水庫(kù)，壩址以上控制流域面積僅6.66 km2，溝谷內(nèi)基本無(wú)基流，綜合考慮水庫(kù)的功能、技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，最終確定采用單設(shè)導(dǎo)流泄洪洞方案。