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1、試述旁多泄水建筑物最優設計方案比選摘 要：西藏旁多水利樞紐工程受地形、地質條件制約，樞紐泄水建筑物布置可選擇范圍有限，總體布置方案比選實際上也是泄洪建筑物布置的選擇，經樞紐布置比選，確定泄洪設備由泄洪洞+泄洪兼導流洞共同組成。筆者將最優比選方案總結出來，供讀者在類似工程中借鑒。關 鍵 詞： 水庫工程 泄水建筑物 最優設計 方案比選1 工程概況西藏旁多水利樞紐是拉薩河干流水電梯級開發的龍頭水庫，工程任務是以灌溉、發電、兼顧防洪和供水。工程主要由瀝青砼心墻砂礫石壩、泄洪洞及泄洪兼導流洞、引水發電系統、發電廠房和灌溉輸水洞等組成。工程規模為大（1）型，工程等別為等，大壩為1級建筑物，地震基本烈度度。2、工程總投資45.69億元。2 方案比選目的旁多泄水建筑物擬在右岸布設兩條泄水洞，由于兩條隧洞工程的地質條件略有差異，圍巖的穩定性不同，施難易程度不同，隧洞施工對環境的影響不同，致使隧洞施工造價也盡相同。那么選取哪種設計泄水方案，作為最終泄水建筑物直接決定了經濟效益的最大化，決定了人民生命財產安全能否得到保障。因而在選定隧洞線路方案之前須綜合分析各條隧洞線工程地質條件，研究隧洞圍巖的穩定性，并從結構性能、工程成本、施工難易、環境因素等方面比選方案。2.1 洞線比選方法2.1.1洞線擬定及布置由于樞紐引水發電洞及灌溉輸水洞均布置在大壩右岸，泄水建筑物洞線布置可選范圍十分有限。根據樞紐總布置比選結果3、，綜合考慮地形地質條件，擬定兩條泄洪洞進口均位于大壩右岸上游小山包處，出口上游側為滑坡體，下游側順水流方向靠近右岸山體；如出口向上游移動將增加滑坡體處理工程量，向下游移動不利于消能設施布置， 泄洪時將形成較大回流，增加邊坡開挖與處理工程量。根據進口不同位置，擬定兩個洞線比選方案。考慮泄洪洞為高速無壓隧洞應直線布置，隧洞全長740.8m，兩洞軸線間距約52m。泄洪兼導流洞為有壓隧洞可以折線或曲線布置，隧洞全長756.8m。2.1.2洞線比選原則及條件 依據旁多水利樞紐工程特性表（見表1） 兩條泄洪隧洞校核洪水情況下最大泄量2880m3/s，泄洪洞選表孔無壓隧洞，堰頂高程4079m，堰寬10m，泄4、洪兼導流洞采用深孔有壓隧洞，進口型式采用豎井式，工作閘門布置在出口，孔口尺寸7m7m。2.1.3方案比選及結論兩方案布置基本相同，只是進出口位置不同，直線布置比折線布置洞線較長。但直線布置方案進口覆蓋層較薄，巖石破碎，引水渠較長，進口開挖及邊坡處理工程量大；而折線布置方案進口位置為巖石陡崖，可直接進洞，基巖相對完整，引水渠短，進口開挖及邊坡處理工程量小，工程投資比直線方案少280萬元，確定采用折線方案。2.2 規模比選結果2.2.1方案擬定為合理選擇泄洪設備尺寸，擬定泄洪洞堰頂高程和堰寬、泄洪兼導流洞工作閘門孔口尺寸，針對不同的堰頂高程進行了三個泄洪規模比選方案。2.2.2各方案技術特性比選時5、，水庫起調水位4093.5m（汛限水位），各方案技術經濟特性見表2。2.2.3方案比選結論經調洪演算可知，隨泄洪洞控制段堰頂高程的降低，泄洪能力逐漸增加，相應校核水位依次降低，所要求的壩高及泄洪尺寸均有所不同。從技術特性表4可分析，校核情況最大泄量大于2880m3/s時，壩頂高程均由正常蓄水位+地震工況控制，壩高不再改變，總投資隨泄水建筑物尺寸加大而增加。校核情況最大泄量小于2880m3/s時，壩頂高程均由校核洪水位工況控制，隨著泄流能力的減小，壩高依次增加，泄水建筑物尺寸移次減小，但大壩增加的投資遠大于泄流建筑物減小的投資，總投資逐漸加大。從各方案比較可知，方案二泄水建筑物總投資最低，確定泄6、洪規模：校核情況下泄水建筑物最大泄量2880m3/s。2.3 孔口尺寸比選2.3.1方案擬定考慮導流洞后期將改建為永久泄洪洞，初選導流洞為圓形斷面，通過洞徑方案比選，最終選定導流洞洞徑11m。泄洪洞采用表孔無壓隧洞，斷面型式為圓拱直墻斷面，控制段孔數為1孔。為了減少洞型變化，取隧洞寬度與堰寬相同，隧洞高度按水面計算成果和凈空要求確定。根據泄量要求，確定堰寬的同時，隧洞斷面尺寸也基本確定，因此，泄洪洞堰寬及堰頂高程不再進行比選。導流洞下閘蓄水后，在導流洞出口增設一道弧形工作閘門，導流洞利用的越充分，工程投資越省。根據水工隧洞設計規范有壓泄水隧洞沿程體型無急劇變化時，出口斷面尺寸宜收縮為洞身斷面的7、85%90%，考慮泄水建筑物的可靠性及水庫調度運行的靈活性，本工程泄水建筑物由兩條泄洪隧洞組成，并對泄洪建筑物孔口尺寸方案進行以下四個比選方案。2.3.2 各方案技術經濟特性孔口尺寸比選方案技術經濟特性見表4。2.3.3 方案比選運行可靠性旁多大壩為土石壩壩型，泄洪洞為表孔無壓，其泄洪能力較強，能夠提高特殊情況下的運用可靠性，而泄洪兼導流洞為深孔有壓泄洪隧洞，其超泄能力相對較弱。調度運行一般情況下，工作閘門開度為20%80%時，其工作狀態較好。按此原則，當單獨利用泄洪洞或單獨利用泄洪兼導流洞泄流，并在考慮3臺發電機組出流（263m3/s）時，均能滿足最大出庫流量要求。結構受力條件從表3可以看出8、，泄洪兼導流洞工作閘門孔口尺寸越小，工作閘門最大推力越小，其閘墩結構強度、支鉸牛腿、閘室穩定及工作閘門的結構處理越簡單。經濟比較從表3可以看出，各方案泄流能力基本相當，庫水位差別較小，壩頂高程相同，僅泄水建筑物投資有所變化，隨泄洪兼導流洞工作閘門孔口尺寸的縮小，泄洪洞尺寸逐漸增大。由于泄洪兼導流洞直徑均為11m，其減小的工程量僅為出口段和工作閘門等部位，而泄洪洞各部位工程量均有所增加，泄洪洞增加的投資遠大于泄洪兼導流洞減少的投資，故泄洪兼導流洞工作閘門孔口尺寸越大，導流洞的利用越充分，投資越省。從經濟比較上看，方案一最優。2.3.4 孔口尺寸比選結論本工程為等大（1）型工程，下游為西藏自治區首9、府拉薩市，考慮到工程地處高地震區、大壩為土石壩壩型、當地運行管理水平相對有限等因素，從表4看方案四雖然投資最高，但其表孔泄洪洞校核情況下泄量分配比例大，超泄能力強，運行相對可靠；同時，方案四泄洪兼導流洞出口工作閘門水推力較小，閘室結構處理相對簡單，故本工程選定采用方案四。選定方案孔口尺寸為：泄洪洞堰頂高程4079.0m，堰寬10m，泄洪兼導流洞工作閘門孔口尺寸7m7m，收縮為導流洞洞身斷面的51.6%，兩洞校核情況下，泄量分配比例為5.7：4.3。2.4 洞內壓力狀態比選2.4.1 方案擬定水庫放空要求考慮旁多工程的重要性，本水庫需設置放空洞，由于導流洞進口高程較低，可兼做水庫放空使用，以簡化10、工程布置，節省投資。故導流洞改建永久泄洪洞，宜采用深孔式進水口，以滿足水庫放空要求。施工期下游環境流量要求導流洞下閘水庫初期蓄水期間，河道將斷流，影響下游生態環境。導流洞進口布置為深孔式永久閘門，下閘蓄水期間，可通過控制閘門開度泄放23m3/s環境流量。工作閘室位置要求工作閘室位置選擇將直接影響洞內壓力狀態，工作閘室可選擇位置有以下幾種：布置在進口：隧洞為有壓力進口的無壓隧洞；布置在洞內：隧洞為有壓與無壓洞相結合；布置在出口：隧洞為完全壓力洞。如工作閘門和進口閘門同設在進口閘室，進口閘門可先期安裝形成，工作閘門需下閘蓄水后，通過對進水口閘室改造后期建成，由于下閘蓄水施工工期有限，且進口閘室施工11、空間狹窄，閘室結構改造和工作閘門安裝調試均較困難；另外，同設在一個閘室，出現問題的可能性高，布置不當將危及整個泄水建筑物的安全，因此，工作閘室不適宜布置在進口，可選擇位置為洞內或出口。洞內壓力狀態方案擬定考慮工作閘室位置，洞內壓力狀態選擇有以下兩種方案。方案一：有壓與無壓洞相結合，工作閘室布置在洞內；方案二：完全壓力洞，工作閘室布置在隧洞出口。2.4.2方案布置方案一（有壓與無壓洞相結合）為增加抗震穩定性，隧洞進口采用豎井式閘門井，布置于隧洞前端，受地形條件限制，洞線布置有平面轉彎，根據水工隧洞設計規范，高流速無壓隧洞不應設置曲線段，故工作閘室選擇布置在平面轉彎之后洞段；根據地形地質條件及隧洞12、埋深情況，隧洞全長778m，工作閘室如布置在中間洞段，需設置交通洞，布置在出口洞段，需采用豎井式閘門井；綜合考慮，工作閘室選擇布置在出口洞段。方案二（完全壓力洞）本方案隧洞為完全壓力洞，工作閘室設在隧洞出口，隧洞洞線布置如下：隧洞布置在大壩右岸，軸線方位由se178382折向se1483814，全長756.8m，由進水渠、井前壓力洞段、進口閘門井、洞身段、出口閘室、明槽段及挑流鼻坎段組成。2.4.3工程量及投資通過對洞內壓力狀態比選（主要工程量），方案一（有壓與無壓洞相結合）直接費14106萬元，方案二（完全壓力洞）直接費13310萬元，即方案二比較經濟。2.4.4方案比選及結論由表5可知，方13、案二（出口方案）在水力學條件、結構設計、改造施工條件及工程投資上均較優，雖對出口洞段圍巖條件要求較高，工作閘室處理相對復雜，但通過工程措施均可以解決，從結構性能、便于運行管理、節省投資等方面考慮，選定采用方案二，即隧洞為完全壓力洞，工作閘室布置在出口。2.5 進口閘門井型式比選2.5.1方案擬定及布置本工程地震設計烈度為度，由于塔式進口抗震性及穩定性差，根據地形、地質條件，對進口閘門井型式進行了以下比選：方案一：半壓力墻式半壓力墻式閘門井，高程4072m以下43m高為壓力墻式，以上28m高為塔式；方案二：豎井式豎井式閘門井，井前壓力洞段長73m，豎井閘門井高54m，上部17m高為塔式，井內設檢14、修閘門及事故閘門各一道，進口檢修平臺高程4100m。2.5.2方案比選及結論從表6方案比選優缺點表可以看出，方案一抗震性能較差，由于進口邊坡較緩，進口工作橋較長，通過設計勘測對比計算，工程直接費用比方案二多563萬元，但全洞可檢修；考慮進口底板高程接近庫底，泥沙淤積嚴重，為減少泥沙對閘門的壓力，根據地形、地質條件，經技術經濟綜合比較，進口閘門井型式選定采用方案二，即閘前有較長壓力洞段的豎井式閘門井。3 選定方案結論選定方案泄水建筑物由泄洪洞和泄洪兼導流洞共同組成。通過泄洪規模比選、孔口尺寸比選、洞內壓力狀態比選，選定方案工程布置如下：3.1 泄洪洞選定方案泄洪洞為表孔無壓隧洞，校核最大泄量1615、44m3/s，洞內流速26.7 m/s，隧洞全長778.9m，由進水渠、控制段、斜井段、洞身段、泄槽段及挑流鼻坎組成。進水渠進水渠長15m，為梯形渠槽，渠底高程4073.5m，底寬由12m漸變至10m，兩側為重力式擋土墻，溢流堰前15m設30厚砼鋪蓋。控制段控制段長30.25m，孔口凈寬10m，溢流堰體為wes型堰面曲線，堰頂高程4079m，堰頂設一扇露頂式弧形工作閘門和一道事故閘門，控制段兩側為半重力式閘墩，墩頂寬3m，由于孔口較小，兩側閘墩與溢流采用整體式結構，墩頂檢修平臺高程4100m。斜井段長23.2m，由直線段和反弧段組成，為10m11.5m圓拱直墻斷面，襯砌砼厚2m。洞身段洞身段長16、725.45m，底坡3%，為10m11.5m的圓拱直墻斷面，首端分別由長15m的過渡段和漸變段與反弧段相接，出口底板高程4030.5m。隧洞采用不同厚度的鋼筋砼襯砌支護，其中圍巖在開挖中增加錨桿、頂拱掛網和噴砼等支護措施。泄槽段及挑流鼻坎泄槽段全長66.3m，由直槽段和擴散段組成，直槽段后為向左側擴散的扭曲矩形渠槽和挑流鼻坎，槽底為扇形扭曲面，槽寬由10m擴散至25m。邊墻與底板均為半重力式整體式結構。3.2 泄洪兼導流洞選定泄洪兼導流洞為深孔有壓隧洞，校核最大泄量1237m3/s，洞內流速13 m/s，隧洞全長756.8m，由進水渠、井前壓力洞段、進水口、洞身段、出口閘室、泄槽段及挑流鼻坎組17、成。進水渠進水渠長53m，底板高程4031.5m，為梯形渠槽，兩側為重力式導水墻。井前壓力洞段井前壓力洞長73m，進口采用三面收縮體型，該段位于庫底，內外水壓力相近，為減小體型變化，洞身采用10m11m矩形斷面，襯砌厚度1.53m。在特殊條件方便檢修，在進口設一道備用檢修門槽，當庫水位降至死水位4066m高程以下時，可下疊梁門對該段進行檢修。進水口因進水口圍巖穩定性較差，屬類圍巖，為增加抗震穩定性，閘門井采用豎井式，井高71m，底板高程4031.5m，內部各設一道10m11m67m檢修及事故閘門。洞身段洞身段長672.8m，底坡4，為直徑11m的圓形斷面，兩端分別由漸變段與進水口和出口閘室相接18、，末端由洞頂壓坡漸變為矩形斷面。工作閘室工作閘室設在隧洞出口，長30m，孔口凈寬7m，底板高程4029m，內設一扇弧形閘門（7m7m80m），閘室邊墻與底板為整體結構，采用重力式預應力閘墩，弧門支撐采用跨越孔口，并與兩側閘墩整體連接的深梁式梯形截面結構。明槽段及挑流鼻坎泄槽段及挑流鼻坎長83.3m，均為向左側擴散的扭曲矩形渠槽，邊墻與底板均為半重力式整體式結構。參考文獻：1水工隧洞設計規范（sl2792002）中國水利水電出版社，2河南水利與南水北調2010年12期 引黃入洛工程設計方案比選（霍香麗、趙珊）3山西水利科技2012年第02期 作者：張偉； 水庫放水隧洞的不良地質情況的處理作者簡介：朱田勝 姓別：男（1964年6月出生） 行政職務：總工 職稱：高工 研究方向：從事水利水電工程施工與管理