论文部分内容阅读
【摘 要】结合大黄冲水库工程地形、地质条件、规模要求和需水量分析，推荐采用混凝土重力坝方案。对重力坝的泄流及消能防冲方案进行比选后，溢流坝选用开敞式溢洪方案，消能采用底流消能方案。水库枢纽建筑物主要由大坝、泄水建筑物、供水建筑物等组成。文章根据工程实际情况选择益洪方案，并对工程总体布置进行了介绍。
【关键词】水库工程；工程建设；方案；比选；总体布置
【中图分类号】TV632 【文獻标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）07-0101-02
1 工程概况
大黄冲水库位于昭平县凤凰乡营盘村，水库附近有黄姚到贺州二级公路、贺州至梧州高速高速公路经过，坝址距凤凰乡政府所在地约8 km，距贺州市约50 km，距昭平县城约85 km。坝址位于西江水系桂江支流富群水支流的大黄冲支流上，流域地理为北高南低，河流发源于海拔644.6 m的将军岭，流域海拔高程为215～644 m，属山区性河流。大黄冲水库控制集雨面积6.88 km2，坝址以上主河道长4.80 km，河流平均坡降为38.7‰。
大黄冲水库坝址位于昭平县凤凰乡鳌狮屯西北面1.0 km处，工程任务规划为供水为主的水利工程，即大黄冲水库承担凤凰乡政府驻地及营盘村等10个村共3.38万人的生活、工业及第三产业用水任务。水库枢纽建筑物主要由挡水建筑物、泄水建筑物、供水建筑物、交通工程及附属建筑物等组成。水库正常蓄水位为254 m，总库容为320万m3，兴利（有效）库容为264万m3。大黄冲水库供水流量为0.15m3/s，放入原河道的生态基流量为0.02m3/s。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2017）的规定，大黄冲水库为小（1）型水库，工程等别为IV等。拦河大坝、泄水建筑物、供水建筑物进口及副坝等主要建筑物，按4级建筑物设计；其余为次要建筑物，按5级建筑物设计。大黄冲水库混凝土主坝及副坝设计洪水标准为30年一遇，校核洪水标准为200年一遇，相应设计洪水位为255.29 m，校核洪水位为255.69 m。土石坝设计洪水标准为30年一遇，校核洪水标准为300年一遇，相应设计洪水位为255.09 m，校核洪水位为255.83 m。消能防冲建筑物为5级建筑物，设计洪水标准为20年一遇。
2 工程选址
在选择坝址时应根据枢纽附近的地形地质条件、水流河势条件、建筑材料、施工条件、枢纽布置等综合研究决定。本工程属新建水库工程，工程坝址的选择及选线应遵循以下几条基本原则。
（1）大黄冲水库的主要任务是为凤凰乡政府驻地及营盘村等10个村提供生活、工业和第三产业用水，与黄砂冲水库、底冲水库联合运行，满足正常供水需求，因此应选择水量充沛、供水保证率高、水质较好的水源点。
（2）选择距离本工程受水区较近的水源点。
（3）选择地质条件好，在适合工程主要建筑物布置的前提下工程量和投资较省的坝址。
（4）选择施工条件较好、淹没影响较少的坝址。
（5）选择在满足供水要求的情况下，投资较省的供水线路方案。
（6）选择便于运行、管理的工程地址和线路。
根据规模要求和需水量分析，大黄冲水库承担凤凰乡政府驻地及营盘村等10个村共3.38万人的生活、工业及第三产业用水任务。大黄冲坝址干流上游1.95 km处建有黄沙冲水库，支流汇入口以上2.91 km处建有底冲水库，2座已建水库均为多年调节水库，且下游区间河道集雨面积较小、来水量小，河段内不适宜建设具有调节功能的水利工程。经综合分析，在2条河流汇合口以上任何单条河流断面建设水库均不能满足供水需求，因此本次新建水库工程坝址只能选择在底冲支流汇入口下游。而根据现场的地形条件，河流汇合口往下只有150 m左右是高山峡谷地带，再往下是开阔的农田和村庄，已无建坝条件。因此，坝址只能在河流汇合口往下的150 m范围内选择，根据布置，坝轴线选在河流汇合往下游50 m处。
3 主要建筑物形式选择
根据选定的坝址方案，设计拟选择混凝土重力坝和沥青混凝土心墙堆石坝2个方案。2个方案比较如下。
（1）地形地质条件：在选定的坝址处比较沥青混凝土心墙堆石坝和混凝土重力坝2种坝型。从地形、地质条件看，均能满足要求。
（2）基础处理难易程度：重力坝方案两岸山体不对称，呈“V”字形。左岸岸坡覆盖层较薄，厚0～1.5 m，下伏基岩风化程度不深，岩体透水率5 Lu界线埋深10.0～20.0 m；河床岩体透水率5 Lu界线埋深7～10.0 m；右岸岸坡覆盖层较薄，厚0～1.5 m，但下伏基岩岩体透水率5 Lu界线埋深33～51.0 m。左岸及河床透水率5 Lu界线埋深较浅，右岸透水率5 Lu界线埋深较大。因此，重力坝方案左岸和河床基础处理相对简单，右岸基础处理难度较大。
而布置沥青心墙堆石坝方案由于上游坝脚受两条河流汇合的限制，坝轴线与混凝土重力坝轴线在右岸基本重合，左岸在重力坝轴线下游40～100 m，根据地质资料，左岸岩体透水率5 Lu界线埋深为20.0～40.0 m，河床岩体透水率5 Lu界线埋深约45 m，右岸岩体透水率5 Lu界线埋深为26～32 m。左岸透水率5Lu界线埋深较浅，右岸及河床透水率5 Lu界线埋深较大。故堆石坝方案左岸基础处理相对简单，右岸和河床基础处理难度较大。
从基础处理难易程度看，混凝土重力坝优于沥青心墙堆石坝。
（3）枢纽建筑物布置条件：混凝土坝由左、右岸非溢流坝和中间溢流坝组成，溢流坝下游设置消力池，右岸布置上坝公路连接下游现有公路，整体工程布置紧凑。堆石坝方案溢洪道需劈山形成，开挖工程量大，且形成大范围的高边坡。从枢纽建筑物布置条件看，混凝土重力坝方案更优。
（4）工程占地：混凝土重力坝方案各建筑物布置紧凑，堆石坝方案建筑物布置相对分散，因此坝区永久占地混凝土重力坝方案较堆石坝方案少约7.2 hm2。从工程占地投资及征地实施难易程度上看，混凝土重力坝方案更优。 （5）施工条件及施工工期：2个方案施工场地布置基本相同，施工导流布置存在很大区别。混凝土重力坝采用分期导流的施工方案，一期采用明渠导流、二期采用底孔导流，导流工程简单，施工总工期为26个月。堆石坝方案采用一次拦断河床，利用隧洞导流，导流工程量大，施工总工期为24个月。从施工条件及施工工期看，两者相當，但隧洞施工工期存在较大的不确定性。
（6）天然建筑材料供应条件：根据地质调查情况，混凝土重力坝所需砂料和混凝土粗骨料可到公会镇建新灰岩石料场购买，运距为15 km。堆石坝方案坝体任意料堆石区除采用溢洪道开挖的石料填筑外，还需从公会镇建新灰岩石料场购买，运距为15 km。从天然建筑材料供应条件看，2个方案相当。
（7）工程投资：混凝土实体重力坝方案比沥青混凝土心墙堆石坝方案投资节省1 149.01万元，2个方案投资相差较大，从工程投资角度看，混凝土重力坝方案明显占优。坝型比选主要工程量及投资比较表见表1。
从以上分析结果可知，2种坝型布置方案在地形地质条件、施工条件、天然建筑材料供应条件及施工工期上相当，混凝土重力坝方案在枢纽建筑物布置、工程占地、基础处理难易程度、工程投资方面占据明显优势。综合各因素分析成果，本阶段推荐采用混凝土重力坝方案。
4 泄洪方案选择
4.1 泄流方案及选择
根据选定的混凝土重力坝坝型，可采取闸控式溢洪或开敞式溢洪方案。开敞式泄洪方案运行、管理简单，堰顶高程与正常蓄水位齐平为254 m；而闸控式泄洪方案是通过闸门挡正常蓄水，可以降低堰顶高程和坝顶高程，比开敞式泄洪方案节省一部分混凝土工程量和淹没征地投资，但增加了金属结构投资，且本工程水库地处山区，洪水来得快，去得也快，若采用有闸门方案对运行调度要求较高，对运行人员的要求亦较高，从而造成后期运行管理比较麻烦，还需经常检修维护。因此，从工程运行管理的可靠性、安全性及运行费用等方面考虑，采用无闸门泄洪方案更为稳妥。经综合分析比较后，本阶段初步选择采用开敞式泄洪方案。
4.2 消能防冲方案选择
消力池段覆盖层为冲洪积含泥漂卵砾石，松散，厚1.5～4.5 m，下伏基岩为中厚层粉细砂岩夹粉砂质泥岩，局部为粉砂质泥岩与含钙泥岩互层。强风化层厚1 m，弱风化层厚2～3 m，冲坑系数取1.1。经计算，在下泄校核流量时，水舌抛距为38.05 m，最大冲坑水垫厚度为5.94 m，最大冲刷坑深度为4.15 m。冲坑上游侧影响范围按4倍冲坑深度考虑为16.6 m，小于水舌抛距，不会危及坝基稳定。
从下游河床地质条件分析，能同时满足底流消能和挑流消能方案，但是，采用挑流消能会造成雾化，容易造成输电线路短路等后果，影响坝址下游鳌狮屯村民的日常生活。同时，挑流消能还会造成下游河床流态紊乱，使下游防护费用高于底流消能方案。
综上所述，底流消能方案比挑流消能方案更安全可靠。因此，本阶段推荐采用底流消能方案。
5 工程总体布置
拦河坝工程主要是修建大黄冲主坝和副坝，形成大黄冲水库。主坝坝轴线位于2条河流汇合往下游50 m处，坝型为混凝土重力坝，由左、右岸非溢流坝段、河床溢流坝段组成，溢流坝上设交通桥，坝顶宽4.5 m。坝顶总长216 m，坝顶高程为257.5 m，最大坝高49.5 m，溢流坝段布置2个开敞式表孔泄洪，溢流堰采用WES型实用堰，堰顶高程为254 m，每孔净宽8 m；坝下游消能采用底流消能，在溢流坝下游末端设置消力池，消力池底板高程为213 m，池长30 m，宽18 m，池深1.5 m，坎高1.5 m，消力池与大坝间用半径为15 m的圆弧段连接。根据地形高程，在右岸库周一个地势较低的山坳处需修建副坝挡水，副坝距离主坝右坝肩245.8 m，坝型为混凝土重力坝，坝顶宽4.5 m，坝顶长42 m，坝顶高程为257 m，最大坝高13 m。
6 结语
经过上述比选，大黄冲水库建设场址采用混凝土重力坝方案，溢流坝段采用开敞式表孔泄洪方案，消能采用底流消能方案。
参 考 文 献
[1]SL 252—2017，水利水电工程等级划分及洪水标准[S].
[2]SL 319—2005，混凝土重力坝设计规范[S].
[3]SL 253—2000，溢洪道设计规范[S].
[4]SL 191—2008，水工混凝土结构设计规范[S].
[责任编辑：陈泽琦]
【关键词】水库工程；工程建设；方案；比选；总体布置
【中图分类号】TV632 【文獻标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）07-0101-02
1 工程概况
大黄冲水库位于昭平县凤凰乡营盘村，水库附近有黄姚到贺州二级公路、贺州至梧州高速高速公路经过，坝址距凤凰乡政府所在地约8 km，距贺州市约50 km，距昭平县城约85 km。坝址位于西江水系桂江支流富群水支流的大黄冲支流上，流域地理为北高南低，河流发源于海拔644.6 m的将军岭，流域海拔高程为215～644 m，属山区性河流。大黄冲水库控制集雨面积6.88 km2，坝址以上主河道长4.80 km，河流平均坡降为38.7‰。
大黄冲水库坝址位于昭平县凤凰乡鳌狮屯西北面1.0 km处，工程任务规划为供水为主的水利工程，即大黄冲水库承担凤凰乡政府驻地及营盘村等10个村共3.38万人的生活、工业及第三产业用水任务。水库枢纽建筑物主要由挡水建筑物、泄水建筑物、供水建筑物、交通工程及附属建筑物等组成。水库正常蓄水位为254 m，总库容为320万m3，兴利（有效）库容为264万m3。大黄冲水库供水流量为0.15m3/s，放入原河道的生态基流量为0.02m3/s。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2017）的规定，大黄冲水库为小（1）型水库，工程等别为IV等。拦河大坝、泄水建筑物、供水建筑物进口及副坝等主要建筑物，按4级建筑物设计；其余为次要建筑物，按5级建筑物设计。大黄冲水库混凝土主坝及副坝设计洪水标准为30年一遇，校核洪水标准为200年一遇，相应设计洪水位为255.29 m，校核洪水位为255.69 m。土石坝设计洪水标准为30年一遇，校核洪水标准为300年一遇，相应设计洪水位为255.09 m，校核洪水位为255.83 m。消能防冲建筑物为5级建筑物，设计洪水标准为20年一遇。
2 工程选址
在选择坝址时应根据枢纽附近的地形地质条件、水流河势条件、建筑材料、施工条件、枢纽布置等综合研究决定。本工程属新建水库工程，工程坝址的选择及选线应遵循以下几条基本原则。
（1）大黄冲水库的主要任务是为凤凰乡政府驻地及营盘村等10个村提供生活、工业和第三产业用水，与黄砂冲水库、底冲水库联合运行，满足正常供水需求，因此应选择水量充沛、供水保证率高、水质较好的水源点。
（2）选择距离本工程受水区较近的水源点。
（3）选择地质条件好，在适合工程主要建筑物布置的前提下工程量和投资较省的坝址。
（4）选择施工条件较好、淹没影响较少的坝址。
（5）选择在满足供水要求的情况下，投资较省的供水线路方案。
（6）选择便于运行、管理的工程地址和线路。
根据规模要求和需水量分析，大黄冲水库承担凤凰乡政府驻地及营盘村等10个村共3.38万人的生活、工业及第三产业用水任务。大黄冲坝址干流上游1.95 km处建有黄沙冲水库，支流汇入口以上2.91 km处建有底冲水库，2座已建水库均为多年调节水库，且下游区间河道集雨面积较小、来水量小，河段内不适宜建设具有调节功能的水利工程。经综合分析，在2条河流汇合口以上任何单条河流断面建设水库均不能满足供水需求，因此本次新建水库工程坝址只能选择在底冲支流汇入口下游。而根据现场的地形条件，河流汇合口往下只有150 m左右是高山峡谷地带，再往下是开阔的农田和村庄，已无建坝条件。因此，坝址只能在河流汇合口往下的150 m范围内选择，根据布置，坝轴线选在河流汇合往下游50 m处。
3 主要建筑物形式选择
根据选定的坝址方案，设计拟选择混凝土重力坝和沥青混凝土心墙堆石坝2个方案。2个方案比较如下。
（1）地形地质条件：在选定的坝址处比较沥青混凝土心墙堆石坝和混凝土重力坝2种坝型。从地形、地质条件看，均能满足要求。
（2）基础处理难易程度：重力坝方案两岸山体不对称，呈“V”字形。左岸岸坡覆盖层较薄，厚0～1.5 m，下伏基岩风化程度不深，岩体透水率5 Lu界线埋深10.0～20.0 m；河床岩体透水率5 Lu界线埋深7～10.0 m；右岸岸坡覆盖层较薄，厚0～1.5 m，但下伏基岩岩体透水率5 Lu界线埋深33～51.0 m。左岸及河床透水率5 Lu界线埋深较浅，右岸透水率5 Lu界线埋深较大。因此，重力坝方案左岸和河床基础处理相对简单，右岸基础处理难度较大。
而布置沥青心墙堆石坝方案由于上游坝脚受两条河流汇合的限制，坝轴线与混凝土重力坝轴线在右岸基本重合，左岸在重力坝轴线下游40～100 m，根据地质资料，左岸岩体透水率5 Lu界线埋深为20.0～40.0 m，河床岩体透水率5 Lu界线埋深约45 m，右岸岩体透水率5 Lu界线埋深为26～32 m。左岸透水率5Lu界线埋深较浅，右岸及河床透水率5 Lu界线埋深较大。故堆石坝方案左岸基础处理相对简单，右岸和河床基础处理难度较大。
从基础处理难易程度看，混凝土重力坝优于沥青心墙堆石坝。
（3）枢纽建筑物布置条件：混凝土坝由左、右岸非溢流坝和中间溢流坝组成，溢流坝下游设置消力池，右岸布置上坝公路连接下游现有公路，整体工程布置紧凑。堆石坝方案溢洪道需劈山形成，开挖工程量大，且形成大范围的高边坡。从枢纽建筑物布置条件看，混凝土重力坝方案更优。
（4）工程占地：混凝土重力坝方案各建筑物布置紧凑，堆石坝方案建筑物布置相对分散，因此坝区永久占地混凝土重力坝方案较堆石坝方案少约7.2 hm2。从工程占地投资及征地实施难易程度上看，混凝土重力坝方案更优。 （5）施工条件及施工工期：2个方案施工场地布置基本相同，施工导流布置存在很大区别。混凝土重力坝采用分期导流的施工方案，一期采用明渠导流、二期采用底孔导流，导流工程简单，施工总工期为26个月。堆石坝方案采用一次拦断河床，利用隧洞导流，导流工程量大，施工总工期为24个月。从施工条件及施工工期看，两者相當，但隧洞施工工期存在较大的不确定性。
（6）天然建筑材料供应条件：根据地质调查情况，混凝土重力坝所需砂料和混凝土粗骨料可到公会镇建新灰岩石料场购买，运距为15 km。堆石坝方案坝体任意料堆石区除采用溢洪道开挖的石料填筑外，还需从公会镇建新灰岩石料场购买，运距为15 km。从天然建筑材料供应条件看，2个方案相当。
（7）工程投资：混凝土实体重力坝方案比沥青混凝土心墙堆石坝方案投资节省1 149.01万元，2个方案投资相差较大，从工程投资角度看，混凝土重力坝方案明显占优。坝型比选主要工程量及投资比较表见表1。
从以上分析结果可知，2种坝型布置方案在地形地质条件、施工条件、天然建筑材料供应条件及施工工期上相当，混凝土重力坝方案在枢纽建筑物布置、工程占地、基础处理难易程度、工程投资方面占据明显优势。综合各因素分析成果，本阶段推荐采用混凝土重力坝方案。
4 泄洪方案选择
4.1 泄流方案及选择
根据选定的混凝土重力坝坝型，可采取闸控式溢洪或开敞式溢洪方案。开敞式泄洪方案运行、管理简单，堰顶高程与正常蓄水位齐平为254 m；而闸控式泄洪方案是通过闸门挡正常蓄水，可以降低堰顶高程和坝顶高程，比开敞式泄洪方案节省一部分混凝土工程量和淹没征地投资，但增加了金属结构投资，且本工程水库地处山区，洪水来得快，去得也快，若采用有闸门方案对运行调度要求较高，对运行人员的要求亦较高，从而造成后期运行管理比较麻烦，还需经常检修维护。因此，从工程运行管理的可靠性、安全性及运行费用等方面考虑，采用无闸门泄洪方案更为稳妥。经综合分析比较后，本阶段初步选择采用开敞式泄洪方案。
4.2 消能防冲方案选择
消力池段覆盖层为冲洪积含泥漂卵砾石，松散，厚1.5～4.5 m，下伏基岩为中厚层粉细砂岩夹粉砂质泥岩，局部为粉砂质泥岩与含钙泥岩互层。强风化层厚1 m，弱风化层厚2～3 m，冲坑系数取1.1。经计算，在下泄校核流量时，水舌抛距为38.05 m，最大冲坑水垫厚度为5.94 m，最大冲刷坑深度为4.15 m。冲坑上游侧影响范围按4倍冲坑深度考虑为16.6 m，小于水舌抛距，不会危及坝基稳定。
从下游河床地质条件分析，能同时满足底流消能和挑流消能方案，但是，采用挑流消能会造成雾化，容易造成输电线路短路等后果，影响坝址下游鳌狮屯村民的日常生活。同时，挑流消能还会造成下游河床流态紊乱，使下游防护费用高于底流消能方案。
综上所述，底流消能方案比挑流消能方案更安全可靠。因此，本阶段推荐采用底流消能方案。
5 工程总体布置
拦河坝工程主要是修建大黄冲主坝和副坝，形成大黄冲水库。主坝坝轴线位于2条河流汇合往下游50 m处，坝型为混凝土重力坝，由左、右岸非溢流坝段、河床溢流坝段组成，溢流坝上设交通桥，坝顶宽4.5 m。坝顶总长216 m，坝顶高程为257.5 m，最大坝高49.5 m，溢流坝段布置2个开敞式表孔泄洪，溢流堰采用WES型实用堰，堰顶高程为254 m，每孔净宽8 m；坝下游消能采用底流消能，在溢流坝下游末端设置消力池，消力池底板高程为213 m，池长30 m，宽18 m，池深1.5 m，坎高1.5 m，消力池与大坝间用半径为15 m的圆弧段连接。根据地形高程，在右岸库周一个地势较低的山坳处需修建副坝挡水，副坝距离主坝右坝肩245.8 m，坝型为混凝土重力坝，坝顶宽4.5 m，坝顶长42 m，坝顶高程为257 m，最大坝高13 m。
6 结语
经过上述比选，大黄冲水库建设场址采用混凝土重力坝方案，溢流坝段采用开敞式表孔泄洪方案，消能采用底流消能方案。
参 考 文 献
[1]SL 252—2017，水利水电工程等级划分及洪水标准[S].
[2]SL 319—2005，混凝土重力坝设计规范[S].
[3]SL 253—2000，溢洪道设计规范[S].
[4]SL 191—2008，水工混凝土结构设计规范[S].
[责任编辑：陈泽琦]