SETH水利枢纽泄水建筑物设计

翟 政

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

SETH工程位于新疆阿勒泰地区青河县乌伦古河上游流域，是乌伦古河流域规划确定的唯一具有多年调节能力的水库。拦河坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高75.5 m，坝顶高程为1032.0 m。坝体布置引水、门库、电梯井等功能坝段，泄水建筑物亦布置于坝体，电站厂房为坝后式。工程任务以供水及防洪为主，兼顾灌溉和发电，并为加强流域水资源管理和水生态保护创造条件。水库总库容2.94亿m3，防洪库容0.21亿m3。工程建成后，可使下游沿线乡镇防洪标准由10 a一遇提高到20 a一遇，县城防洪标准由20 a一遇提高到30 a一遇。

一般而言，泄水建筑物服务于主体工程，满足工程开发任务，适应水文及地形地质等条件，确保工程安全发挥功效[1]。本工程泄水建筑物的布置及型式选择需考虑水库供水和防洪任务的调度运行、地形地质限制条件以及枢纽整体布置的协调。

2.1 水库供水及防洪调度运行方式

水库来水量首先满足生态基流要求，其次满足流域生活和工业用水要求，最后满足农业灌溉和河谷林生态用水要求，当出现枯水年时，首先影响的是河谷林生态用水，其次是农业灌溉用水。在水库死水位986.0 m时（枯水时段），需要向下游提供工业及农业用水，水量约55 m3/s[2]。

水库防洪调度在30 a一遇洪水标准以下均需要控制泄流量。当库水位达到20 a一遇防洪高水位之前，控制下泄流量为20 a一遇水库安全控泄量395 m3/s[2]；
若库水位继续升高，则控制下泄流量为水库30 a一遇控泄流量479 m3/s[2]，直至达到水库30 a一遇防洪高水位；
在库水位达到30 a一遇防洪高水位时，若入库流量小于库水位最大泄量，则控制出库流量不得大于入库流量以防止形成人造洪峰，反之水库敞泄；
工程泥沙含量较少，考虑生态放水一般下放表层水的要求，本工程30 a一遇洪水以下需高位通道泄上层水。

2.2 地形地质条件

枢纽坝址处松散堆积物厚度不大，易于处理，坝址岸坡整体稳定，坝基岩体以弱透水为主，岩体渗透稳定性好。坝址处主河槽宽度较小，偏向右岸，左岸为滩地，坡度较为平缓，地形相对开阔；
右岸为凹岸，水流通道不够顺直。坝址左岸有单薄山体，可作为溢洪道天然垭口，垭口处表层为厚度0.3～4 m的坡洪积含土碎石，岩体中断层及结构面发育，抗冲性能差，岩体透水性较强。

2.3 枢纽布置整体协调

枢纽中的永久建筑物包括拦河坝、泄水建筑物、引水建筑物、电站厂房以及过鱼建筑物。对于以重力坝为拦河坝的枢纽，往往发挥重力坝结构优势，将枢纽功能集中于坝体实现。本工程采用坝后式厂房，引水建筑物置于坝身，其后尾水渠不宜偏离主河床，过鱼建筑物一般与尾水渠同侧。因主河床宽度较窄，如泄水建筑物布置于坝身，需充分考虑其与引水建筑物在主河床中的位置关系。

2.4 泄水建筑物型式及布置方案

从地形地质条件方面考虑，虽然有天然垭口可布置坝外溢洪道，但单独修建溢洪道作为泄洪通道不仅增加土石方开挖量，还增加钢筋混凝土投资，经济性较差，故泄水建筑物布置方案以坝内布置为宜。坝内布置泄水建筑物，需协调其与引水坝段的位置，右岸为凹岸，水库泄水水流不平顺，且电站出线在右岸，如将电站布置于左岸，出线不便，经整体考虑，泄水建筑物布置于主河床靠左岸位置。根据规划30 a一遇以下洪水通过高位通道泄水的要求，宜布置溢流表孔，且需要表孔具有较好的超泄能力，这是重力坝设计泄洪方式的首选。坝址区地震烈度为8度，需考虑必要情况下的水库降低水位和放空运行，同时考虑死水位986.0 m时需要为下游提供工业及农业用水，所以坝体布置底孔是必要的。通过调洪计算，表孔和底孔联合泄洪，初拟布置1孔10 m净宽的表孔和1孔3 m净宽的底孔可满足泄洪和供水要求。考虑泄水坝段与引水坝段之间的隔墩坝段布置表孔门库，为运行管理方便，表孔布置于右侧，底孔布置于左侧。

本工程坝基岩体较好，消能型式应优先采用挑流消能。但经初步计算，采用常规18.0°挑角的连续挑坎时，设计洪水工况的表孔泄流挑距为85 m，冲坑深度为15 m，冲坑位置位于鱼道诱鱼进口附近，对过鱼建筑物、电站厂房、下游岸坡等均产生影响。挑流消能在冬季运行时，建筑物边壁容易产生冰凌，会对建筑物产生危害，影响建筑物发挥正常功能。本工程挡水坝段最大坝高75.5 m，介于高坝和中坝分界部位，采用底流消能可使下游水流流态稳定，减小对下游诱鱼口的影响，泄洪雾化的雨区、雨强比挑流消能工程小得多[3]，可减少冬季泄水雾化结冰对建筑物产生的危害，故本工程泄水建筑物采用底流消能方式。

3.1 表孔结构型式设计

表孔为开敞式溢流孔，承担主要泄洪任务，选择流量系数较大且运用较为广泛的WES实用堰堰型，堰顶高程1019.0 m，堰顶上游曲线采用1/4椭圆曲线，方程为x2/2.782+y2/1.572=1。为便于闸门布置，堰顶设0.716 m水平直线段，下游是WES幂曲线，方程为y=0.0755x1.85，下游坝面同坝体整体坡度为1∶0.75，斜坡末端通过半径为20.0 m的反弧段与消力池底板相切连接。表孔设置1孔，净宽为10.0 m，边墩厚4.0 m，下游导墙厚2.5 m。表孔设平板检修闸门及弧形工作闸门，弧形工作闸门便于控制泄量。表孔堰顶设1跨净跨为10.0 m的预制“T”形梁桥，桥面高程为1032.0 m、宽5 m。

3.2 底孔结构型式设计

因枯水期供水任务及水库降低水位和放空需求，底孔进水口高程控制水位为死水位986.0 m，该水位下下泄流量需大于55 m3/s以满足下游工农业用水。对于碾压混凝土重力坝来说，坝体孔洞规模不宜过大，拟定底孔进水口尺寸为3 m×4 m，在死水位下计算的最小淹没深度为4.26 m，底孔进水口底高程取976.0 m，孔口淹没深度为4.4 m。底孔进口顶部采用椭圆曲线，方程为x2/5.62+y2/1.92=1，侧面采用半径为1.5 m的圆弧曲线，下缘采用半径为1.5 m的圆弧曲线，其后设置一道平板事故检修闸门，门槽处的孔口高度为5.6 m。闸门槽后底部接抛物线段，方程为y=0.025x2，其后采用长约18.3 m的有压斜坡段连接到弧门处，斜坡坡度1∶4；
为消除出口处的负压，顶部采用1∶3.3929全程压坡。检修闸门与工作闸门之间的洞段采用全断面钢板衬护，以降低坝体渗透压力，减少渗透量。出口后底孔宽度由3 m扩散到消力池处变为10 m，与消力池底的连接采用半径为20 m的圆弧曲线。底孔进口检修闸门由坝段门机控制，出口弧形工作闸门采用液压启闭机控制。

消能方式采用底流消能方式，表孔及底孔坝段消力池采用整体U形槽，池底高程959.0 m，池长105.55 m，采用中隔墙分割，宽度分别为13、10 m，尾坎顶高程968.5 m、宽2 m，后以坡度1∶1连接海漫护坦，边墙及中隔墙墙顶高程977.0 m。消力池后接长30 m、厚1 m的钢筋混凝土防冲护坦及长12 m的抛石防护区。为与基础岩石紧密联接，消力池全底板设置系统锚杆，并进行固结灌浆。系统锚杆为Φ28锚筋，入岩7.5 m。固结灌浆孔孔深5 m，间排距3 m。遇有破碎带需挖除，设置混凝土岩塞。为减小浮托力，消力池全基础设置Φ110消力池排水孔，入岩6 m，间排距4 m。底板与基础岩石之间设置横纵排水沟。

3.3 泄流能力计算

根据SL319-2005计算各库水位下表孔泄流量、底孔泄流量和总泄流量，结果详见表1。

表1 泄流能力汇总

由表1可知，正常蓄水位1027.0 m时，泄流能力为761.7 m3/s；
设计水位1028.24 m时，泄流能力为880.1 m3/s；
校核洪水位1029.94 m时，泄流能力为1056.2 m3/s，泄流建筑物的泄流能力满足各频率洪水泄量要求。

3.4 消能工计算

根据相关规范规定，消力池按50 a一遇洪水标准设计，P=2%时需泄流量636 m3/s，相应坝前水位为1028.24 m，相应坝轴线下游160 m处（接近消力池尾端）水位为972.1 m。利用理正岩土软件做消力池消能计算，成果详见表2。消力池底板抗浮稳定计算成果，详见表3。

表2 消能计算成果

表3 消力池底板抗浮稳定计算成果

在未设置锚筋的情况下，各工况消力池底板抗浮稳定安全系数均小于规范允许值。因此，采取锚筋加固的方式对消力池底板进行加固，以满足底板抗浮要求。消力池设置Φ28、间排距2.0 m、入岩长度7.5 m的锚筋底板即可满足抗浮稳定要求[4]。

SETH水利枢纽工程地处新疆严寒且缺水的地区，是山区高坝大库，水资源利用调度原则较为复杂。泄水建筑物的布置需根据枢纽工程的具体工作任务来确定，高水头、窄河谷、大流量以及多目标的水利枢纽适合于表孔、中孔及深孔的形式。本工程泄水建筑物设计结合了运用要求、主体建筑物布置以及地形地质条件等，经过详细的方案比较研究，确定了符合工程特点且经济合理的布置及结构方案，以确保工程供水需求、保障工程具有良好的泄洪防洪效果。

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