水利枢纽工程布置的原则和方案选定

　　1、 水利枢纽工程布置的原则

　　在对水利工程进行枢纽布置时，应遵循以下 3项原则:

　　1) 为使工程能发挥最大的经济效益，枢纽布置应综合考虑防洪、灌溉、发电、航运、渔业、林业、交通、生态及环境等各方面的要求。应确保枢纽中各主要建筑物，在任何工作条件下都能协调地、无干扰地进行正常工作。

　　2) 为方便施工、缩短工期和能使工程提前发挥效益，枢纽布置应同时对工程施工的导流方式、导流标准和导流程序、主要建筑物的施工方法及施工进度计划等进行综合分析研究。工程实践证明，统筹得当不仅能方便施工，还能使部分建筑物提前发挥效益。枢纽布置应做到在满足安全和运用管理要求的前提下，尽量降低枢纽总造价和年运行费用; 如有可能，应考虑使一个建筑物能发挥多种作用。例如，使一条隧洞做到灌溉和发电相结合; 施工导流与泄洪、排沙、放空水库相结合等。

　　3) 在不过多增加工程投资的前提下，枢纽布置应与周围自然环境相协调，应注意建筑艺术、力求造型美观，加强绿化环保，因地制宜地将人工环境和自然环境有机地结合起来，创造出一个完美的、多功能的宜人环境。

　　2、水利枢纽布置方案的选定

　　水利枢纽设计需通过论证比较，从多项枢纽布置方案中选出一项最优方案。最优方案应该是技术上先进、经济上合理、施工期短、运行可靠以及管理维修方便的方案。需论证比较的内容有以下 6 个方面:

　　2. 1 主要工程量

　　如土石方、混凝土和钢筋混凝土、砌石、金属结构、机电安装、帷幕和固结灌浆等工程量。

　　2. 2 主要建筑材料数量

　　如木材、水泥、钢筋、钢材、砂石和炸药等用量。

　　2. 3 施工条件

　　如施工工期、发电日期、施工难易程度、所需劳动力和施工机械化水平等。

　　2. 4 运行管理条件

　　如泄洪、发电、通航是否相互干扰、建筑物及设备的运用操作和检修是否方便，对外交通是否便利等。

　　2. 5 经济指标

　　指总投资、总造价、年运行费用、电站单位千瓦投资、发电成本、单位灌溉面积投资、通航能力、防洪以及供水等综合利用效益等。

　　2. 6 根据枢纽具体情况，需专门进行比较的项目

　　如在多泥沙河流上兴建水利枢纽时，应注重泄水和取水建筑物的布置对水库淤积、水电站引水防沙和对不游河床冲刷的影响等。上述项目有些可定量计算，有些则难以定量计算，这就给枢纽布置方案的选定增加了复杂性，因而，必须以国家研究制定的技术政策为指导，在充分掌握基本资料的基础上，以科学的态度，实事求是地全面论证，通过综合分析和技术经济比较选出最优方案。

　　3、 案例分析

　　案例分析主要包括以下 2 个方面:

　　3. 1 工程概况

　　某水利工程枢纽是为解决工程来水与用水在时间和水量分配上存在的矛盾，而修建的以挡水建筑物为主体的建筑物综合运用体，工程枢纽由挡水、泄水、放水及某些专门性建筑物组成。

　　在进行枢纽布置时，主要是研究和确定枢纽中各个水工建筑物的相互位置。该项工作涉及泄洪、发电、通航、导流等各项任务，并与坝址、坝型密切相关，需统筹兼顾，全面安排，认真分析，全面论证，最后通过综合比较，从多个比较方案中选出最优的枢纽布置方案。

　　3. 2 枢纽建筑物的布置枢纽建筑物的布置主要包括: 挡水建筑物———土石坝、泄水建筑物———泄洪隧洞和水电站建筑物。

　　3. 2. 1 挡水建筑物———土石坝

　　经过比较选择地形图所示河弯地段作为坝址，并选择Ⅰ － Ⅰ、Ⅱ － Ⅱ两条较有利的坝轴线作为备用坝址的两个方案通过以下几个方面定性地加以比较，最终确定坝轴线位置。

　　3. 2. 1. 1 地质条件

　　Ⅰ － Ⅰ坝轴线方案和Ⅱ － Ⅱ坝轴线方案均处在以玄武岩为主，间有少量火山角砾岩和凝灰岩穿过的地层中，地质条件较为相似，但Ⅰ － Ⅰ剖面，河床覆盖层厚平均20 m，河床中部最大34 m，坝肩除了10 m左右范围的风化岩外，其余为坚硬玄武岩，地质构造总体良好。Ⅱ － Ⅱ剖面出与Ⅰ － Ⅰ剖面具有大致相同厚度的覆盖层及风化岩外，然而底部玄武破碎带纵横交错，渗流比较严重，需要进行的地基处理工程量大，从而增加了总体工期和造价。

　　因此从地质条件来比较Ⅰ － Ⅰ坝轴线方案优于Ⅱ － Ⅱ坝轴线方案。

　　3. 2. 1. 2 地形条件

　　Ⅰ － Ⅰ坝轴线方案和Ⅱ － Ⅱ坝轴线方案都位于该江中游地段的峡谷地带，河床平缓，坡降不大是其主要地形条件。但此枢纽具有过木要求，所以必须在枢纽布置中考虑到是否对过木有利。Ⅰ － Ⅰ坝轴线方案水流较为平顺，坝趾附近无较明显河道弯曲出现; 而Ⅱ － Ⅱ坝轴线方案坝趾以下不远处紧接河道拐弯处，水流不利于过木。

　　所以，从地形条件来比较Ⅰ － Ⅰ坝轴线方案优于Ⅱ － Ⅱ坝轴线方案。建筑材料: 因为Ⅰ － Ⅰ坝轴线和Ⅱ － Ⅱ坝轴线附近建筑材料都比较丰富，覆盖层浅，开采条件较好，而且河谷地地形平坦，采运都比较方便，所以，在建筑材料方面不能区分出两种方案的优劣。

　　3. 2. 1. 3 施工条件及工程量

　　从地形图上可以看出: Ⅰ － Ⅰ坝轴线方案和Ⅱ－ Ⅱ坝轴线方案在布置施工场地、内外交通运输和进行施工导流等方面没有明显的区别，两种方案都是比较便于施工的。通过比较两轴线河宽，发现Ⅰ － Ⅰ坝轴线的河宽比Ⅱ － Ⅱ坝轴线河宽窄，这样可以减小工程量，降低工程造价。因此，在在施工条件及工程量方面，Ⅰ－ Ⅰ坝轴线方案稍优于Ⅱ － Ⅱ坝轴线方案。

　　3. 2. 1. 4 综合效应

　　对于不同坝址与相应的坝址选择，不仅要综合考虑防洪、发电、灌溉、航运等部门的经济效益，还要考虑库区的淹没损失和枢纽上下游的生态影响等，要做到综合效益最大，有害影响最小。对于Ⅰ － Ⅰ坝轴线方案和Ⅱ － Ⅱ坝轴线方案，通过多方面比较Ⅰ － Ⅰ坝轴线方案稍优于Ⅱ － Ⅱ坝轴线方案。所以，综合考虑以上因素，坝轴线选在 1 － 1 剖面处。而且挡水建筑物按直线布置，坝轴线布置于河床较窄处，以尽量减少工程量，减低工程造价。

　　3. 2. 2 泄水建筑物———泄洪隧洞

　　经以上分析可知，本工程选用泄洪采用隧洞方案。水工隧洞路线的选定是设计中非常重要的一环，关系到隧洞的造价和运用可靠性。应在地质勘探基础上，拟定不同方案进行技术经济比较优选，争取得到地质条件良好、路线短、水流顺畅以及对水利枢纽其他建筑物无相互影响的洞线方案。此处从以下 3 方面定性地比较隧洞布置在左岸和右岸两种方案:

　　3. 2. 2. 1 地质条件

　　左岸的主要岩石构成主要包括: 大量的凝灰岩，大量的半风化玄武岩和少量的坚硬玄武岩。右岸主要岩石构成主要包括: 大量的坚硬玄武岩和半风化玄武岩。凝灰岩成土状或页片状，岩性软弱，与风化后成为碎屑的混合物近似，遇水崩解，渗透性很小; 半风化玄武岩建议采用的抗压强度为50 MPa，强度不高，力学性质不佳。坚硬玄武岩一般为深灰色、灰色、含有多量气孔，为绿泥石、石英等充填，成为杏仁状构造，并间或有方解石脉，石英脉等贯穿其中，这些小岩脉都是后来沿裂隙充填进来的。

　　坚硬玄武岩强度高，力学性质出众，建议采用抗压强度100 －160 MPa。坝址附近无大的断层，但左右岸露出的岩石，节理特别发育，所以左右岸都常见岩块崩落的现象。因此，就地质条件来比较右岸优于左岸。

　　3. 2. 2. 2 水文地质条件

　　本地区地形高差大，表流占去大半，缺乏强烈透水层，故地下水不是很丰富，对工程比较有利。但左岸多为凝灰岩和半风化玄武岩，而右岸多为坚硬玄武岩和半风化玄武岩，根据压水试验资料，凝灰岩和坚硬玄武岩都是不透水性良好的岩层，而半风化玄武岩则为透水性良好的岩层。

　　所以就水文地质条件不能充分判断左岸方案和右岸方案的优缺点。

　　3. 2. 2. 3 路线相关指标

　　从已给出的地形图可以看出，若在左岸布置泄洪隧洞则需要相当长的路线，而且中间必然会出现弯段，然而尽量避免出现弯段是水工隧洞布置的 1个基本原则。若在右岸布置泄洪隧洞，隧洞可以直接和主河道相连，不出现较大角度的弯段，从而减少了出现水力不利条件的几率，从而减少了衬砌等部位的造价，而且隧洞路线长度大大减小，减少了大量的开挖量，所以无论对于施工量和工程造价来说，右岸方案都优于左岸。

　　因此，为增加隧洞稳定、缩短隧洞长度、减小开挖工程量和降低隧洞的工程造价，泄洪隧洞布置在右岸，这样水流经隧洞流出直接入主河道，对流态也有利。考虑到电站引水隧洞也布置在右岸，泄洪隧洞布置以远离坝脚和厂房为好。为减小泄洪时引起的电站尾水波动，以及防止冲刷坝脚，两者进出口相距 80 ～100 m以上。

　　3. 2. 3 水电站建筑物

　　引水隧洞、电站厂房布置在右岸，在泄洪隧洞与大坝之间; 由于风化岩层较厚，厂房布置在开挖后的坚硬玄武岩上，开关站布置在厂房附近。

　　4、 结 语

　　通过上述分析，可知水利枢纽的布置方案的选择是一项非常复杂的工作，应该根据各个方面的因素，选择合理、经济的布置方案。

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