谈谈泄水旁多泄水建筑物最优设计案例比选

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围有限，总体布置方案比选实际上也是泄洪建筑物布置的选择，经枢纽布置比选，确定泄洪设备由泄洪洞+泄洪兼导流洞共同组成。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。工程主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组成。工程规模为大（1）型，工程等别为Ⅰ等，大坝为建筑物，地震基本烈度Ⅷ度。工程总投资45.69亿元。

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异，围岩的稳定性不同，施难易程度不同，隧洞施工对环境的影响不同，致使隧洞施工造价也尽相同。那么选取哪种设计泄水方案，作为最终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，并从结构性能、工程成本、施工难易、环境因素等方面比选方案。

2.1 洞线比选方法

2.

1.1洞线拟定及布置

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围十分有限。根据枢纽总布置比选结果，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，下游侧顺水流方向靠近右岸山体；如出口向上游移动将增加滑坡体处理工程量，向下游移动不利于消能设施布置， 泄洪时将形成较大回流，增加边坡开挖与处理工程量。
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，隧洞全长740.8m，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75

6.8m。

2.

1.2洞线比选原则及条件

⑴ 依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情况下最大泄量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。
2.

1.3方案比选及结论

两方案布置基本相同，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，进口开挖及边坡处理工程量大；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，进口开挖及边坡处理工程量小，工程投资比直线方案少280万元，确定采用折线方案。

2.2 规模比选结果

2.1方案拟定

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。

2.2各方案技术特性

比选时，水库起调水位409

3.5m（汛限水位），各方案技术经济特性见表2。

2.3

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方案比选结论

经调洪演算可知，随泄洪洞控制段堰顶高程的降低，泄洪能力逐渐增加，相应校核水位依次降低，所要求的坝高及泄洪尺寸均有所不同。从技术特性表4可分析，校核情况最大泄量大于2880m3/s时，坝顶高程均由正常蓄水位+地震工况控制，坝高不再改变，总投资随泄水建筑物尺寸加大而增加。
校核情况最大泄量小于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，坝高依次增加，泄水建筑物尺寸移次减小，但大坝增加的投资远大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：校核情况下泄水建筑物最大泄量2880m3/s。

2.3 孔口尺寸比选

2.3.1方案拟定

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，最终选定导流洞洞径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同，隧洞高度按水面计算成果和净空要求确定。根据泄量要求，确定堰宽的同时，隧洞断面尺寸也基本确定，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，导流洞利用的越充分，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行的灵活性，本工程泄水建筑物由两条泄洪隧洞组成，并对泄洪建筑物孔口尺寸方案进行以下四个比选方案。

2.

3.2 各方案技术经济特性

孔口尺寸比选方案技术经济特性见表4。

2.

3.3 方案比选

⑴运行可靠性 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，能够提高特殊情况下的运用可靠性，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调度运行
一般情况下，工作闸门开度为20%～80%时，其工作状态较好。按此原则，当单独利用泄洪洞或单独利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要求。
⑶结构受力条件
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，其闸墩结构强度、支铰牛腿、闸室稳定及工作闸门的结构处理越简单。
⑷经济比较
从表3可以看出，各方案泄流能力基本相当，库水位差别较小，坝顶高程相同，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加，泄洪洞增加的投资远大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，导流洞的利用越充分，投资越省。从经济比较上看，方案一最优。

2.3.4 孔口尺寸比选结论

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、当地运行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情况下泄量分配比例大，超泄能力强，运行相对可靠；同时，方案四泄洪兼导流洞出口工作闸门水推力较小，闸室结构处理相对简单，故本工程选定采用方案四。
选定方案孔口尺寸为：泄洪洞堰顶高程4079.0m，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5

1.6%，两洞校核情况下，泄量分配比例为5.7：4.3。

2.4 洞内压力状态比选

2.4.1 方案拟定

⑴水库放空要求
考虑旁多工程的重要性，本水库需设置放空洞，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要求
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工作闸室位置要求
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以下几种：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，闸室结构改造和工作闸门安装调试均较困难；另外，同设在一个闸室，出现问题的可能性高，布置不当将危及整个泄水建筑物的安全，因此，工作闸室不适宜布置在进口，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以下两种方案。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。

2.

4.2方案布置

⑴方案一（有压与无压洞相结合） 为增加抗震稳定性，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置曲线段，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情况，隧洞全长778m，工作闸室如布置在中间洞段，需设置交通洞，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″，全长756.8m，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组成。

2.4.3工程量及投资

通过对洞内压力状态比选（主要工程量），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。

2.4.4方案比选及结论

由表5可知，方案二（出口方案）在水力学条件、结构设计、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要求较高，工作闸室处理相对复杂，但通过工程措施均可以解决，从结构性能、便于运行管理、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。

2.5 进口闸门井型式比选

2.5.1方案拟定及布置

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以下比选：
方案一：半压力墙式
半压力墙式闸门井，高程4072m以下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。

2.5.2方案比选及结论

从表6方案比选优缺点表可以看出，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组成。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：

3.1 泄洪洞

选定方案泄洪洞为表孔无压隧洞，校核最大泄量1644m3/s，洞内流速26.7 m/s，隧洞全长778.9m，由进水渠、控制段、斜井段、洞身段、泄槽段及挑流鼻坎组成。
⑴进水渠
进水渠长15m，为梯形渠槽，渠底高程4073.5m，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
控制段长30.25m，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结构，墩顶检修平台高程4100m。
⑶斜井段
长23.2m，由直线段和反弧段组成，为10m×11.5m圆拱直

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墙断面，衬砌砼厚2m。
⑷洞身段
洞身段长725.45m，底坡3%，为10m×11.5m的圆拱直墙断面，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4030.5m。隧洞采用不同厚度的钢筋砼衬砌支护，其中Ⅳ围岩在开挖中增加锚杆、顶拱挂网和喷砼等支护措施。⑸泄槽段及挑流鼻坎
泄槽段全长66.3m，由直槽段和扩散段组成，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结构。

3.2 泄洪兼导流洞

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13 m/s，隧洞全长75

6.8m，由进水渠、井前压力洞段、进水口、洞身段、出口闸室、泄槽段及挑流鼻坎组成。

⑴进水渠
进水渠长53m，底板高程403

1.5m，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，内外水压力相近，为减小体型变化，洞身采用10m×11m矩形断面，衬砌厚度1.5～3m。在特殊条件方便检修，在进口设一道备用检修门槽，当库水位降至死水位4066m高程以下时，可下叠梁门对该段进行检修。
⑶进水口
因进水口围岩稳定性较差，属Ⅳ类围岩，为增加抗震稳定性，闸门井采用竖井式，井高71m，底板高程403

1.5m，内部各设一道10m×11m—67m检修及事故闸门。

⑷洞身段
洞身段长672.8m，底坡4‰，为直径11m的圆形断面，两端分别由渐变段与进水口和出口闸室相接，末端由洞顶压坡渐变为矩形断面。
⑸工作闸室
工作闸室设在隧洞出口，长30m，孔口净宽7m，底板高程4029m，内设一扇弧形闸门（7m×7m—80m），闸室边墙与底板为整体结构，采用重力式预应力闸墩，弧门支撑采用跨越孔口，并与两侧闸墩整体连接的深梁式梯形截面结构。
⑹明槽段及挑流鼻坎
泄槽段及挑流鼻坎长8

3.3m，均为向左侧扩散的扭曲矩形渠槽，边墙与底板均为半重力式整体式结构。

参考文献：
《水工隧洞设计规范（SL279—2002）》中国水利水电出版社，
《河南水利与南水北调》2010年12期 引黄入洛工程设计方案比选（霍香丽、赵珊）
[3]《山西水利科技》2012年第02期 作者：张伟； 水库放水隧洞的不良地质情况的处理
作者

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简介：朱田胜姓别：男（1964年6月出生）行政职务：总工职称：高工 研究方向：从事水利水电工程施工与管理