鄧 穩(wěn)

(貴州省盤(pán)縣水利局，貴州盤(pán)縣553500)

水利工程設(shè)計(jì)的重要性

鄧 穩(wěn)

(貴州省盤(pán)縣水利局，貴州盤(pán)縣553500)

水利工程的建設(shè)是人類(lèi)為了調(diào)節(jié)水資源分布情況，改善自然條件，造福人類(lèi)的重要舉措，它的建設(shè)能夠極大的解決水資源時(shí)空不均問(wèn)題，有效的提高人類(lèi)的生活水平以及生活質(zhì)量。不過(guò)，要想使得這些水利工程能夠造福于人類(lèi)，還得對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)。文章以某水電站工程為實(shí)例分析了水利工程設(shè)計(jì)的重要性，說(shuō)明了在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，要結(jié)合工程施工規(guī)模、地理?xiàng)l例、建筑物布置情況、環(huán)境因素等環(huán)節(jié)，這樣才能保證施工的順利進(jìn)行，提高工程的總體效益。

水利工程;設(shè)計(jì);重要性;分析

0 引言

水利工程是利國(guó)利民的基礎(chǔ)工程，它是人們利用一定的工程設(shè)施對(duì)水資源進(jìn)行改造，已達(dá)到除害興利目的的一項(xiàng)工程，是人類(lèi)文明的重要體現(xiàn)。不過(guò)高質(zhì)量的水利工程還得依賴(lài)于前期工程設(shè)計(jì)，只有高質(zhì)量的設(shè)計(jì)才能夠指導(dǎo)后期的工程施工，確保工程竣工后能夠更好地服務(wù)于人類(lèi)。

1 水利工程設(shè)計(jì)的重要性

水利工程的建設(shè)是一項(xiàng)利國(guó)利民的基礎(chǔ)工程，在其投運(yùn)后將會(huì)對(duì)區(qū)域內(nèi)人民的生產(chǎn)、生活產(chǎn)生極大的作用。

但是倘若工程不合格或者設(shè)計(jì)不合理，則會(huì)給人民帶來(lái)嚴(yán)重的災(zāi)難。此外，水利工程建設(shè)具有技術(shù)復(fù)雜、重要性突出且投資高的特點(diǎn)。

因此，要想科學(xué)、合理且低成本的建設(shè)一項(xiàng)水利工程必須依賴(lài)于前期的設(shè)計(jì)，結(jié)合工程實(shí)例設(shè)計(jì)完整且合理的施工方案，方案的擬定一般從方案擬定、方案設(shè)計(jì)、方案比較、方案選擇方面進(jìn)行。在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，要結(jié)合工程施工規(guī)模、地理?xiàng)l件、建筑物布置情況、環(huán)境因素等環(huán)節(jié)［1-3］。

2 實(shí)例分析水利工程設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

本工程為某一水電站工程，屬Ⅲ等中型工程，工程樞紐由混凝土面板堆石壩、左岸岸邊開(kāi)敞式溢洪道、左岸放空洞、右岸引水隧洞、地面廠房及升壓站等組成，電站裝機(jī)2臺(tái)，總裝機(jī)容量30 MW，多年平均發(fā)電量9010萬(wàn)kW·h，保證出力5.1 MW，增加下游梯級(jí)電量850萬(wàn) kW·h。

樞紐主要工程量:土石方開(kāi)挖79.3萬(wàn)m3，土石方填筑230.4萬(wàn) m3，混凝土10.12萬(wàn)m3，帷幕灌漿1.33萬(wàn)m。工程采用左岸隧洞倒流，總工期40個(gè)月。

2.2 水利工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.2.1 導(dǎo)流時(shí)段設(shè)計(jì)

導(dǎo)流時(shí)間段設(shè)計(jì)是本工程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，要依靠該地區(qū)的洪水情況以及水力等進(jìn)行設(shè)計(jì)。水電站所處河流屬山溪性河流，洪枯流量變化較大，流域洪水主要由降雨形成，每年4月進(jìn)入汛期，6-8月為洪水多發(fā)季節(jié)。

對(duì)壩址1960—1998年共39 a洪水系列資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出11月1日—次年3月31日、11月1日—次年4月30日、10月16日—次年4月15日、10月1日—次年4月30日。

此外，還依據(jù)水力計(jì)算等多方面因素的綜合分析，結(jié)合工程實(shí)際情況，在保證施工總進(jìn)度的前提下，為節(jié)省導(dǎo)流工程投資，導(dǎo)流時(shí)段選擇為枯水時(shí)段10月16日—次年4月15日。

2.2.2 導(dǎo)流流量確定

對(duì)于選定導(dǎo)流時(shí)段10月16日—次年4月15日，其10 a一遇洪峰流量為141 m3/s，5 a一遇洪峰流量為107 m3/s，流量相差34 m3/s，當(dāng)導(dǎo)流隧洞洞徑為7.0 m×9.0 m(寬×高)時(shí)，兩者上游圍堰高度相差僅1 m，為了保障，導(dǎo)流流量采用時(shí)段10 a一遇洪峰流量141 m3/s。

由于本工程攔河壩為混凝土面板堆石壩，攔洪庫(kù)容介于1 000萬(wàn)～1億m3，考慮壩體臨時(shí)攔洪渡汛時(shí)，下游7.6 km的二級(jí)電站及下游11 km的縣城防洪安全，壩體臨時(shí)渡汛洪水標(biāo)準(zhǔn)采用全年100 a一遇，洪峰流量2 500 m3/s。

2.2.3 導(dǎo)流方式選擇

本工程壩址河谷形狀系數(shù)為2.53，屬狹窄形河谷。根據(jù)壩址區(qū)地形地質(zhì)條件和工程樞紐布置特點(diǎn)，為導(dǎo)流方式設(shè)計(jì)了一套方案。此方案為枯水期圍堰擋水，隧洞導(dǎo)流，第一個(gè)汛期壩體臨時(shí)斷面攔洪渡汛［4-6］。

該方案導(dǎo)流隧洞布置在左岸，全長(zhǎng)688.896 m，隧洞采用城門(mén)洞型，斷面尺寸7.0 m×9.0 m(寬×高)，進(jìn)口底板高程546.00 m，出口底板高程542.50 m，縱坡 i=0.005217。

第一個(gè)枯水期由圍堰擋水，經(jīng)水力學(xué)計(jì)算，當(dāng)Q=141 m3/s時(shí)，上游水位552.08 m，相應(yīng)的上游圍堰堰頂高程553.1 m;汛期由壩體臨時(shí)斷面攔洪渡汛，渡汛標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇，經(jīng)調(diào)洪演算，求得攔洪水位為613.43 m，攔洪庫(kù)容0.29億m3，壩體攔洪高程615.3 m，水力學(xué)計(jì)算成果見(jiàn)表1。

經(jīng)施工總進(jìn)度安排，壩體全斷面施工，填筑總方量169.49萬(wàn)m3，一個(gè)枯水期難以完成;采用經(jīng)濟(jì)斷面攔洪，壩體填筑總方量97.78萬(wàn)m3，5月底達(dá)到607.3 m，6月中旬達(dá)到615.3 m，月平均填筑強(qiáng)度14.26萬(wàn)m3，經(jīng)對(duì)施工布置，施工道路、料場(chǎng)開(kāi)采條件及施工方法進(jìn)行研究，這一強(qiáng)度完全可以做到。

2.2.4 導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)

2.2.4.1 導(dǎo)流隧洞

依據(jù)壩址地形地質(zhì)條件及工程樞紐布置特點(diǎn)，導(dǎo)流隧洞只能布置在左岸，分進(jìn)口明渠擴(kuò)散段、洞身段及出口明渠擴(kuò)散段3部分。

進(jìn)口明渠擴(kuò)散段軸線(xiàn)長(zhǎng)50.3 m，兩側(cè)以6°擴(kuò)散角對(duì)稱(chēng)向上游擴(kuò)散，最小底寬7.0 m，底板高程546.0 m，為一平坡明渠。

洞身段全長(zhǎng)688.896 m，其中進(jìn)口喇叭口段長(zhǎng)12.0 m，頂拱采用橢圓曲線(xiàn)，曲線(xiàn)方程為

其后設(shè)置封堵閘門(mén)井，閘門(mén)井段長(zhǎng)6.0 m，封堵閘門(mén)采用滑動(dòng)平板鋼閘門(mén)，井內(nèi)組裝，閘門(mén)豎井平臺(tái)高程570.00 m。

洞身標(biāo)準(zhǔn)斷面7.0m×9.0m(寬×高)，城門(mén)洞型，過(guò)水面積58.88 m2，隧洞在樁號(hào)0+096.982～0+179.629 m段設(shè)置彎道，轉(zhuǎn)彎半徑105.0 m，轉(zhuǎn)角45°05'54.43″。

出口明渠擴(kuò)散段軸線(xiàn)長(zhǎng)26.1 m，以6°擴(kuò)散角對(duì)稱(chēng)向下游擴(kuò)散，最小底寬7.0 m，底板高程542.50 m，為平坡明渠。

導(dǎo)流隧洞經(jīng)初期導(dǎo)流和壩體渡汛兩個(gè)階段，歷時(shí)兩年零4個(gè)月，最高運(yùn)行水位613.43 m，洞內(nèi)最大流速15.04 m/s。

導(dǎo)流隧洞穿過(guò)的巖層大部分洞段巖體基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅲ—Ⅱ級(jí)，構(gòu)造簡(jiǎn)單，僅進(jìn)出口段穿越F2、F1斷層，根據(jù)導(dǎo)流隧洞運(yùn)行特點(diǎn)和地質(zhì)條件，進(jìn)口洞身段50 m(含喇叭口段和閘門(mén)井段)和出口洞身段90 m采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度60 cm，其余部位底板澆30 cm厚混凝土，頂拱和側(cè)墻掛網(wǎng)噴15 cm厚混凝土。

出口明渠段巖體較軟弱，崩解性強(qiáng)，為防止表面巖體崩解風(fēng)化失穩(wěn)而堵塞導(dǎo)流洞，運(yùn)行水位以下采用30 cm厚鋼筋混凝土薄襯，運(yùn)行水位以上采用掛網(wǎng)噴15 cm厚混凝土。

導(dǎo)流隧洞出口底板距河底高差6.0 m，水流出洞流速較大，為防止出流對(duì)隧洞出口岸坡造成沖刷破壞，對(duì)該部位的岸坡采用鋼筋籠護(hù)底保護(hù)。壩體經(jīng)濟(jì)斷面及填筑示意圖如圖1所示。

圖1 壩體經(jīng)濟(jì)斷面及填筑示意圖

表1 水力學(xué)計(jì)算成果表

2.2.4.2 上游圍堰

受導(dǎo)流隧洞進(jìn)口布置的制約，上游圍堰的布置空間極為有限，加上隧洞進(jìn)口距河底高差3.5～4.0 m，河床覆蓋層厚2～4 m，工程截流后難以保證漿砌石圍堰的干地施工，施工難度較大，為縮短臨建工程工期，盡快進(jìn)入主體工程的施工，上游圍堰采用土工膜心墻堆石圍堰，堰頂高程553.1 m，最大堰高13.1 m，堰頂寬6.0 m，迎水面邊坡1∶2.0，背水面邊坡1∶1.5。

基礎(chǔ)覆蓋層厚度＜5.0 m，主要由砂卵礫石、洪積巨塊石混合而成，防滲性能較差，對(duì)覆蓋層采用抽槽至基巖回填黏土的方式進(jìn)行處理。由于工程區(qū)土料匱乏，且質(zhì)量較差，為保證圍堰的防滲性能，圍堰采用土工膜心墻防滲［7］。

2.2.4.3 下游圍堰

下游圍堰結(jié)構(gòu)型式與上游圍堰相同。為保證引水隧洞和廠房全年施工，下游圍堰設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用全年10 a一遇，洪峰流量為1 150 m3/s，經(jīng)調(diào)洪演算，并考慮該河流二級(jí)水庫(kù)的壅高，求得下游水位為545.0 m，相應(yīng)的圍堰堰頂高程545.5 m，堰頂寬6.0 m，迎水面邊坡1∶2.0，背水面邊坡1∶1.5，最大堰高11.5 m。

2.2.5 截流

依據(jù)施工總進(jìn)度安排，為保證壩體第2年6月底以前能填筑至100 a一遇攔洪高程，工程截流宜愈早愈好，綜合河流水文特性，最終選定截流時(shí)間為10月中旬，截流流量為10月份10 a一遇月平均流量20 m3/s［8］。

截流方式:根據(jù)壩區(qū)施工道路布置和拋投料堆積場(chǎng)地，采用由左岸向右岸單向立堵進(jìn)占方式，先截上游圍堰，戧堤高程548.10 m，頂寬10 m，上下游邊坡1∶1.3。

2.2.6 下閘蓄水設(shè)計(jì)

為保證順利下閘，在導(dǎo)流隧洞進(jìn)口設(shè)置閘門(mén)豎井，井頂高程滿(mǎn)足閘門(mén)在井內(nèi)組裝要求，定為570.00 m，閘門(mén)設(shè)計(jì)水頭按20 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，流量為1 540 m3/s，水庫(kù)起調(diào)水位為631.5 m，經(jīng)計(jì)算，閘門(mén)設(shè)計(jì)水位為639.54 m，中心水頭89.0 m。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，水利工程的建設(shè)是一項(xiàng)造福于人類(lèi)的重要舉措，是人類(lèi)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。通過(guò)科學(xué)的水利工程建設(shè)能夠有效的控制水流，防止洪澇災(zāi)害，此外還可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能［9］。

不是每一個(gè)水利工程都能夠達(dá)到效果，必須依賴(lài)于科學(xué)的設(shè)計(jì)，有關(guān)人員必須要做好前期規(guī)劃設(shè)計(jì)工作，這樣才可以保證施工的順利進(jìn)行，提高工程的總體效益。

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1007-7596(2014)05-0260-03

2014-03-21

鄧穩(wěn)(1975-)，男，苗族，貴州盤(pán)縣人，工程師，從事水利工程建設(shè)工作。