张国兰      梁时飞            原喜琴  李亚军

（水工设计处）   (工程经营处)   （河南省水利厅）

〔摘要〕根据小浪底南岸引水口区域的地形地质条件，以及引水建筑物总布置的基本要求，研究了引水建筑物总的布置方案，引水隧洞体型，取水口底坎高程及取水方式等。

〔关键词〕小浪底  建筑物  总布置  方案研究

1  概述

小浪底水利枢纽南岸引水口工程地处洛阳市孟津县境内，位于小浪底水利枢纽工程南岸，是为小浪底水库南岸灌区和洛阳市城市供水的大（2）型引水工程，工程等别为Ⅱ等。主要建筑物进水塔、引水隧洞及出口分水枢纽为2级，其它建筑物为3级，临时建筑物为4级。引水口工程全长3.355km，最低设计引水位243m ，设计引水流量28.6m³/s，加大引水流量35.0m³/s，其中灌溉引水流量19.6m³/s，城市引水流量9.0m³/s，灌溉面积52.91万亩，年引水量4.23亿m³。

主要工程由进水口、引水隧洞、出口分水枢纽等组成。其中进水口由引渠、进水塔、交通桥、上塔公路组成；引水隧洞由洞身段、明埋段组成；出口分水枢纽由控制闸、自流闸、提灌闸、供水闸、冲沙闸、退水渠等组成。工程范围界定从小浪底水库南岸引水送至小浪底坝下游西河清沟。

在可行性研究设计中，对坝址上游5km河段进行了查勘分析，曾选木底沟、小清河、青石嘴三个进口方案，经比较小清河进口方案作为选定方案。见图1引水口工程总体布置。

图1 小浪底南岸引水口工程总布置图

2  区域工程地质条件

    工程区域在地貌单元上属于低山丘陵区，地形起伏变化较大，沟谷切割剧烈。大部分地区被第四系松散地层覆盖，部分地区有二迭系上统、三迭系地层出露。一般山岭高程300m～500m，相对高差在150m～350 m。进水口位于小浪底坝址区，小清河口上游约１km处的右岸坡处。地貌上属于低山丘陵区坡岭地面高程278m～290m，高出小清河漫滩120m ～140m。进水口处于小清河河道凹岸，河谷是一不对称河谷，左岸有漫滩阶地分布，右岸是岸坡坡角60°～70°较陡的坡。进水塔处于一底宽110m～160m、顶宽20m～40m、高120m～140m走向NW—SE向鱼脊状单薄低山梁，山梁与其后雄浑山体相连。引水口工程区域出露的基岩地层主要为古生界二迭系上统和中生界三迭系下统地层。

3  引水口总布置的基本要求

（1）  进水口尽量靠近主河槽，线路布置尽可能为直线，以使线路较短。

（2）  进水塔基础尽量避开大的构造，座落在较新鲜完整坚硬的岩基上，以保证塔体稳定。

（3）   线路尽量避开大的构造、滑坡、岩石破碎或强风化带。

（4）   出口分水建筑物基础座落于弱风化地层上。

4  引水口建筑物布置

4.1      进水口底坎高程确定

规划阶段曾考虑小浪底南岸引水口工程全年发挥效益，提出对进水口底坎高程不能定得过高，要求保证全年引水，根据高滩深槽形成后的河底高程226.3m，底坎高程应为228m。由于黄河为多泥沙河流，主汛期7～9月份水库运用水位低，且此时入库含沙量较大，按运用过程将50年系列划分为5个时段，统计坝前含沙量小于15～20 kg/m³的天数和机遇见表1示。在4～10、11～14、15～28年运用期间，此阶段为水库逐步抬高主汛期水位运用，水库调水调沙，水流含沙量逐渐增大。29～50年时段水库进入正常运用期，主汛期限制水位254m，水位在230m～254m之间变化，调水调沙运用。当根据入库的水沙条件，水库降低水位敞泄排沙运用时，主汛期水位最低降至230m，此时坝前水流含沙量大，统计结果表明这一时段含沙量小于15 kg/m³出现的天数在汛期中仅22天，出现机遇降低至29.3%。

 表1   7月1日～9月30日坝前含沙量出现天数及机遇

    根据灌溉及供水对泥沙的要求，一般灌溉引水含沙量易控制在15kg/m³以下，又根据主汛期水位低于240m而引不到水。就此原因，保证全年引水是不太现实，因此，提出 “保证非汛期引水，主汛期相机引水”的原则。主汛期“相机”引水的含义是：城市用水不引水，由洛河供水，灌溉用水根据作物需要在水位满足的条件下，视含沙量的大小进行“相机”引水。取水口进口底坎高程应遵循这个原则， 确定进口底坎高程，必须取决于小浪底水库不同运用时期各阶段库水位的变化，其次，要考虑灌区渠首引水高程的要求。经综合分析，以灌区渠首引水水位高程236.0m为控制条件，向上游推得南岸进水口底坎高程240m。

4.2  取水方式确定

根据小浪底水库在主汛期调水调沙运用，库水位主要在230～254m升降变化。因此，进水口取水方式应适应小浪底水库的运用方式，采取灵活的取水方式，以保证引水口在非汛期正常取水和主汛期“相机”取水的需要，为此研究了分级取水的方式。

可研阶段比较了两级取水和叠梁式取水两种方案，初步设计又提出了三级取水方案，经分别论证后认为：三级取水口高程分别为240m、246m、252m，三级取水口方案集中了两级取水和叠梁式取水方案的优点。

4.3 进水口建筑物布置

    当小浪底水库正常蓄水位275m，进水塔底坎高程240m，属深式进水口。深式进水口有多种型式，根据工程特点及地质情况，进水口位居库内，水位变幅大，汛期库水含沙量大，滩面淤积高，要求取表层水，引大流量，并能适应分层多级取水的要求，因此选用岸塔式进水口。

4.4 引水隧洞布置

     引水隧洞为压力流，隧洞平面布置，从距坝轴线0.7km，离主槽约0.8km的小清河右岸坡根村东150m，在3号公路旁建取水建筑物，凿洞向东南经寺院坡、许家岭到西河清沟张胡沟村南出洞，设分水工程向灌区和城市供水，全长3.355km。其中取水口至洞出口3.181km。平面弯道3个，中心角20°34′48″、23°34′48″、28°28′12″，弯曲半径40m。

4.4.1　洞型选择

对洞型选择进行了圆形、马蹄形和城门型等洞型的比较。根据工程地质情况的分析，隧洞通过地层几乎一半为二迭系地层，这种地层主要以泥岩和粘土岩为主，易风化、流变和遇水膨胀，对结构直边和角部受力状态产生不利影响。因此，洞型宜选用圆形，同时有压流态也适宜圆形断面。

4.4.2 洞径选择及洞出口尺寸拟定

依据 “保证非汛期引水，汛期相机引水” 的引水原则，按灌区和供水规划，含沙量在10 kg/m³～20kg/m³。根据规范要求，引水隧洞内不淤积的流速应不小于2m/s。又根据灌区和供水引水隧洞允许流速一般为1 m/s～3m/s，因此，选取流速为2 m/s～3m/s。经计算，洞径为3.48～4.27m，经比较选取经济洞径为3.6m，水头损失适中，此时洞内流速2.81m/s。

隧洞出口是引水隧洞压力流的尾端，为避免由于局部体型选择不当引起的局部气蚀破坏，在出口工作闸门处将断面收缩为3.0m×3.0m。收缩比0.88，满足收缩比0.85～0.90的要求。

4.4.3 隧洞出口高程及纵坡确定

    为保证沿隧洞全线洞顶最小正压力不小于2m水柱，以避免产生气蚀。通过压坡线计算，按隧洞出口布置，底板高程为230.5m、231.0m、232.0m，三种情况计算其最小正压力分别为2.01m、0.49m、0.51m，因此，选定出口底板高程为230.5m。

由进口高程240m到出口高程230.5m，高差9.5m。根据引水隧洞地形地质情况，在隧洞纵向布置中，考虑穿过浅层地层时，洞顶满足覆盖厚度要求。因此，进口布置为龙抬头的型式，在事故门处降为235.0m。相应洞身桩号0+025.8～3+174.0范围，洞底高差4.5m，其纵坡比为1.429‰，满足洞身检修、自流排水要求。

4.5 出口分水枢纽建筑物布置

    出口分水工程由多个建筑物组成，依据地形地质条件及工程布置要求，为方便施工管理，经比较建筑物形式为开敞式。即弧型工作闸门控制引水，消力池消能，池尾设冲沙闸、溢流堰及退水工程，两侧墙作为溢流堰，其后设进水池，池后建分水闸，左侧布置自流灌溉闸，右侧布置供水闸、提水灌溉闸，形成分水枢纽工程。

5 主要技术问题的研究

（1） 进水口边坡岩体以粘土岩为主，开挖边坡岩体暴露后，易风化、遇水软化引起的强度降低，因此要考虑水库水位升降，边坡受干湿交替剥落的影响，研究了边坡永久性保护。

（2） 为适应小浪底水库的运用方式，以保证在非汛期正常取水和主汛期“相机”取水的需要，引水口的取水方式采用三级取水并研究了防淤堵的措施。

（3） 引水隧洞超浅埋洞段、断层带、断层影响带等不良地质洞段及其它特殊洞段等，考虑了加强支护措施。

    通过模型试验研究了出口消力池淹没水跃消能，水流回流形成强剪切带和卷吸层水流，引起涡动和紊动发展，考虑了引起工作闸门振动的防浪措施。

6  结语

    小浪底南岸引水口工程已于1999年8月～2002年3月顺利施工完毕，设计中采取的有关措施经受了施工期的检验。现小浪底水库已蓄水运用，与本文研究的有关技术问题，待南岸灌区二期工程建成后，小浪底南岸引水口工程将在工程实践中全部得到检验。

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