杭州青山水庫新增泄洪能力工程措施方案比選研究

林荷節,汪 杰,何 勇,沈鎮偉

(1.杭州市水庫管理服務中心,浙江 杭州 310002;2.浙江省水利水電勘測設計院有限責任公司,浙江 杭州 310002)

杭州市青山水庫在東苕溪流域歷年洪水中都發揮著至關重要的作用[1],其洪水調度既要兼顧上游不同防洪保護對象的設防要求,又要盡量避免南苕溪洪水與中北苕溪洪水遭遇,洪水調度有一定限制[2]。如何更好地利用日趨成熟的氣象預報及洪水預報,利用逐年完善的水雨情監測網,通過工程措施擴增調度手段,實現對洪水的精細化調控,最大程度地發揮水庫防洪效益,是水庫防洪能力提升的重要任務[3]。

1 水庫概況

青山水庫位于東苕溪主干流南苕溪上,是流域上游防洪骨干工程,對杭嘉湖平原以及杭州西部防洪屏障西險大塘的防洪安全起著直接保障作用。

水庫工程規模屬大(2)型,工程等別為Ⅱ等。水庫汛限水位為23.16 m,非汛期正常蓄水位25.0 m,總庫容2.13×108m3。水庫主要建筑物主壩、泄洪閘、泄洪放空洞、副壩為2級[4]。

2 問題提出

泄洪閘和泄洪放空洞為水庫主要泄洪建筑物,當水庫水位為23.16 m(汛限水位)時,泄洪閘無法下泄,泄洪放空洞下泄流量為136 m3/s,合計僅136 m3/s;當水庫水位為24.16 m時,合計泄洪能力不足300 m3/s;當水庫水位為25 m時,合計下泄能力不足500 m3/s。由此可知,水庫前期泄洪能力有所欠缺,導致有效防洪庫容被前期洪水擠占,削弱了水庫在洪峰期的攔蓄能力,洪水調度也不夠靈活。

通過對水庫前期洪水泄洪能力進行分析,對預泄能力分別提升至300,400,500,600 m3/s進行論證比選,綜合考慮防洪效益、工程投資和對下游影響等因素,推薦工程設計前期泄洪能力為500 m3/s,工程方案須重點研究如何實現上述目標。

3 工程方案擬定

3.1 基本資料

水庫現有泄洪建筑物有泄洪放空洞和10孔泄洪閘。泄洪放空洞進口底高程為14.66 m,隧洞直徑為4 m。10孔泄洪閘分別為5孔老閘和5孔新閘,老泄洪閘1#-5#孔泄洪閘堰頂高程為23.16 m,每孔寬度為7.7 m,6#-10#孔泄洪閘堰頂高程為23.16 m,每孔凈寬為8 m。

根據任務要求,在洪水初期,水庫視下游兩岸排澇情況,應盡量保持入庫水量與出庫水量平衡,來多少泄多少,使水庫水位維持在23.16 m,最大下泄流量不超過500 m3/s[5]。

在水庫水位為23.16 m的條件下,泄洪閘堰頂高程為23.16 m,無法泄洪,而泄洪放空洞最大下泄能力僅為136 m3/s,遠不能滿足規劃500 m3/s的要求,必須采取相應的工程措施增加364 m3/s的下泄流量。

3.2 方案擬定

根據水庫現狀泄洪設施的情況和防洪調度的要求,擬定四個工程方案,分別為方案1(改建現狀泄洪放空洞)、方案2(改建現狀泄洪閘)、方案3(左岸新建泄洪洞)、方案4(右岸新建泄洪洞)。

3.2.1 方 案 1

本方案須擴挖現狀泄洪洞,重建泄洪洞進水口,移位重建發電站,新建泄洪洞出口和加固現狀發電尾水渠(圖1),將現狀直徑4 m的泄洪洞擴大至直徑9 m的有壓隧洞。因泄洪洞緊鄰左岸壩頭,擴挖爆破施工會對大壩造成不利影響,同時,現狀泄洪洞軸線與出口呈“L”型,下泄為500 m3/s流量時,需要直角轉彎,流態不利,故轉彎角不能滿足規范要求。另外,水庫承擔著向下游提供生態用水和農業灌溉的任務,而水庫只能通過現狀泄洪洞末端的電站發電向下游供水,如改建現狀泄洪洞,施工期將無法向下游供水。

3.2.2 方 案 2

改建現狀泄洪閘如圖2所示,方案2考慮降低泄洪閘堰頂高程,在泄洪閘原址進行重建。結合現場實際情況,考慮對老泄洪閘進行改造。改造老泄洪閘需要在壩頭進行深基坑保護,并且考慮施工前度汛安全問題。

圖2 改建現狀泄洪閘

3.2.3 方 案 3

方案3是計劃維持現狀泄洪放空洞和泄洪閘不變,在大壩左岸新建一條泄洪洞[6-7](圖3),過流能力在汛限水位為23.16 m的情況下能夠達到364 m3/s。新建泄洪洞長約583 m,采用城門型洞型無壓洞,襯后尺寸為8.0 m×9.0 m(寬×高),進口高程約16.0 m,洞口設事故檢修門和弧形工作門各一道,隧洞出口高程約7.5 m。

圖3 左岸新建泄洪洞

3.2.4 方 案 4

方案4維持現狀泄洪放空洞和泄洪閘不變,在大壩右岸新建一條泄洪洞(圖4)。汛限水位在23.16 m的條件下,泄洪洞的過流能力能達到364 m3/s。新建泄洪洞長約633 m,采用城門型洞型無壓洞,襯后尺寸為8.0 m×9.0 m(寬×高),進口高程約16.0 m,洞口設事故檢修門和弧形工作門各一道,隧洞出口高程約7.5 m。

圖4 右岸新建泄洪洞

4 工程方案比選

工程方案比選主要從工程布置、地質條件、對外交通條件、施工條件、環境影響、政策處理、技術難度、工程運行管理及工程可比投資等方面進行綜合考慮。

4.1 工程布置

方案1 進水口與洞軸線基本與現狀泄洪洞一致,隧洞布置轉彎角和轉彎半徑不滿足規范要求。發電站需移位重建,且需對發電尾水渠進行加固改造。

方案2 布置簡便,水流條件較好,但老閘拆除重建與大壩銜接布置結構復雜,難度較大。

方案3 需新建泄洪洞,進水口水面開闊,進水條件較好,但隧洞出口與現狀電站尾水渠夾角較大,水流條件相對較差,需要對尾水渠進行加固改造。

方案4 需新建泄洪洞,進水口水面開闊,隧洞出口與現狀泄洪渠夾角雖然較小,但水流條件較好,需對出口處橋梁移位重建。

從工程布置角度分析,方案2較優,方案3和方案4次之,方案1最差。

4.2 地質條件

方案1 隧洞洞身圍巖為灰色凝灰質粉砂巖,有兩條斷層通過,節理發育,上覆巖體厚度較薄,受構造影響穩定性差,工程地質條件較差。

方案2 老泄洪閘閘基大部分風化,工程地質條件較差。

方案3 隧洞進口段進洞和成洞條件一般。洞身段圍巖為凝灰質粉砂巖,新鮮巖石巖質較堅硬,圍巖以Ⅲ、Ⅳ類為主,局部Ⅴ類,未見區域性斷層通過,線路有長約55 m的淺埋段。

方案4 隧洞進口段有一斷層破碎帶及其影響帶,地質條件較差。洞身段圍巖為青灰、淺綠色凝灰質粉砂巖,新鮮巖石致密堅硬,圍巖以Ⅲ、Ⅳ類為主,局部Ⅴ類。

從地質條件角度分析,方案2的地質條件經處理后可滿足泄洪閘改造的要求,方案3和方案4作為泄洪洞方案比較,方案3的地質條件相對較差,方案1最差。

4.3 對外交通條件

方案1 進洞口段需垂直運輸,交通不便。

方案2 為深基坑施工,場內施工進出場不便,需垂直運輸,且到達泄洪閘基坑作業面需結合新建施工圍堰修建施工便道,交通條件很差。

方案3 進水口、淺埋段和出口段作業面雖然有現成道路可利用,但由于施工圍堰填方量和拆除量大,需要考慮水上交通,交通運輸條件較差。

方案4 進口和出口段作業面有現成道路可利用 ,在出口渠道施工中需臨時對現狀道路進行改造,交通條件也相對較好。

從對外交通條件分析,方案4較優,方案3次之,方案1和方案2相對較差。

4.4 施工條件

4.4.1 施工圍堰布置

方案1 進口現狀庫底地勢較低,圍堰高度達12～14 m,施工不便。出洞口涉及電站改建,圍堰高度雖然相對較低,但長度較長。

方案2 泄洪閘前布置圍堰,需占用泄洪閘前較大范圍湖面,對施工期度汛影響大。同時,施工圍堰需重點考慮與現狀大壩的銜接問題。

方案3 進口現狀庫底地勢較低,圍堰高度達12～14 m,施工不便,出洞口僅需在擋墻施工時作臨時圍堰。

方案4 進口現狀地勢較高,布置圍堰的地質條件及場地條件均較好,出洞口可利用預留土坎作為出水渠施工時的圍堰,工作量較小。

方案4的施工圍堰布置條件最優,方案1和方案3相對較好,方案2較差。

4.4.2 施工場地布置

方案1 進口緊靠左壩肩,地形相對較為狹窄局促,不利于施工場地布置,出洞口較為平坦開闊,施工場地容易布置。

方案2 需拆建現狀泄洪閘,整個施工場地非常局促,布置較為困難。

方案3 進口施工場地可利用北側的山坳平地;淺埋段場地條件較好;出口場地較為平坦開闊,總體布置條件良好,但東側臨近別墅區,需注意邊坡安全。

方案4 進口和出口場地較為開闊,場地布置條件良好。

在4個方案中,施工場地布置條件都很局促,相對而言方案4較好,方案1和方案3較差,方案2最差。

4.4.3 施工度汛

方案1 對現狀泄洪放空洞進行改造,在汛期少了23.16 m水位以下時預泄的136 m3/s,對調度有一定影響,但總體影響較小。

方案2 對老泄洪閘進行改造,汛期只能靠右側的新泄洪閘和泄洪洞泄洪,對度汛影響大。

方案3 和方案4均為新建泄洪洞,不影響水庫度汛。

在4個方案中,方案2度汛風險最大,方案1對度汛影響較小,方案3和4不影響度汛。

4.4.4 施工對周邊的影響

方案1 緊挨壩體,爆破施工對大壩安全影響大,必須采用非爆破開挖。

方案3 緊挨大壩和維持現狀的新泄洪閘,施工對兩側影響較大。

方案4 隧洞距泄洪閘和大壩較近段必須采取機械開挖。

在4個方案中,通過工程措施,方案1施工對周邊影響最大,方案2、方案3和方案4基本相同。

4.4.5 施工工期

方案1 工期約24個月,方案2工期約18個月,方案3 工期約20個月,方案4工期約22個月。

從施工工期分析,方案2工期較短,方案3和方案4次之,方案1工期最長。

4.5 環境影響

方案1 實施時影響下游的生態環境用水,對環境的影響較大。

方案2 實施時不影響下游生態環境用水。

方案3 實施時對下游生態環境用水影響小。

方案4 實施時不影響下游生態環境用水。

從環境影響角度分析,方案2和方案4最優,方案3次之,方案1最差。

4.6 政策處理

方案1、方案2都是在水庫管理范圍內實施建設,政策處理工作量及難度最小。

方案3 涉及到進口永久征用林地的問題,同時需要臨時借用環湖綠道作為施工通道;淺埋段施工涉及到租用房屋的處理;在隧洞爆破施工中,噪聲和震動影響周邊學校和別墅區,可能會帶來一定政策處理問題,處理難度不大。

方案4 進洞口位于臨安區青山湖管理處,需要整體搬遷管理處,處理難度大。

從政策處理角度分析,方案1和方案2最優,方案3較優,方案4最差。

4.7 技術難度

方案1 擴建原泄洪放空洞離壩體很近,施工安全隱患多。同時,涉及發電廠房的拆遷和重建,總體來說,技術難度相對較大。

方案2 老泄洪閘右側為新泄洪閘,左側為大壩,拆除重建時需開挖深基坑,對新閘和大壩結構存在安全威脅,需考慮工程保護措施。同時,改造泄洪閘要處理好新閘和大壩側的防滲問題,技術難度較大。

方案3 進水口處水深約11 m,進水口施工時需設置圍堰;隧洞開挖技術成熟,技術難度較小。

方案4 可利用原有地形布置圍堰,隧洞斷面較大。同時,隧洞開挖技術成熟,技術難度小。

從技術角度來看,方案3和方案4技術難度小,方案1和方案2技術難度相對較大。

4.8 工程運行管理

方案1 工程運行管理基本維持現狀。

方案2 工程運行管理基本維持現狀。

方案3 異地新增泄洪設施,給運行管理帶來不便。

方案4 異地新增泄洪設施,給運行管理帶來不便。

從運行管理角度分析,方案1和2較優,方案3和方案4較為不便。

4.9 工程可比投資

4個方案的工程投資主要包括工程部分投資以及政策及環評水保投資,投資估算見表1。

表1 各方案工程投資表 單位:萬元

從表1可知,方案1工程投資約14 520萬元,方案2工程投資約15 631萬元,方案3工程投資約19 990萬元,方案4工程投資約21 373萬元,方案1投資成本最低。

4.10 綜合比選

綜合上述分析比選可知,方案1洞軸線與出口呈“L”型,平面布置為直角轉彎,不滿足規范要求;電站需移位重建;施工期間無法保障下游灌溉和生態用水,對環境影響大,因此不予推薦。

方案2雖然工程投資較省,工程布置較優,水流條件最好,對下游生態環境用水無影響,運行管理方便,但施工度汛風險大;另外,涉及深基坑開挖,存在對新閘和大壩結構的安全威脅,同時泄洪閘改造需處理好與新閘和大壩側的防滲問題,技術難度較大,因此也不予推薦。

方案4雖然出口水流條件較好,地質條件較好,對外交通條件較好,對下游生態環境用水無影響,不影響水庫度汛,技術難度也不大,但工程投資最高,政策處理難度大,因此也不予推薦。

方案3雖然水流條件、地質條件和對外交通條件不是很理想,但都能通過工程技術措施應對解決;工程投資比方案2高,但增加不多;加之方案技術難度、政策處理難度均不大,對下游生態環境用水影響小,而且施工不影響水庫度汛,基本不影響水庫的運行調度,因此推薦方案3,即在左岸新建泄洪洞。

5 綜合分析

5.1 層次分析法

層次分析法(Analytic hierarchy process,AHP)由美國運籌學家Saaty于20世紀70年代初提出,是與決策有關的元素分解成目標、準則、方案等層次,進行定性和定量分析的決策方法,該方法具有系統、靈活、簡潔的優點[8]。本案采用層次分析法進行方案優選,按如下3個計算步驟進行:

步驟1建立遞階層次結構模型

應用AHP分析決策問題時,首先構建一個層次結構模型,層次分為三類,包括最高層(目的層)、中間層(準則層)、最底層(方案層),每一層次中各元素所支配的元素個數一般不超過9個。

步驟2構造判斷矩陣,計算權重系數

引用數字1～9對每個層級各個元素的重要性進行賦值,構建判斷矩陣A=(aij)n×n,并計算各個元素的權重系數,采用算術平均法計算權重系數W:

(1)

步驟3層次排序及準則層矩陣一致性檢驗

1)計算準則層矩陣一致性指標CI

(2)

其中λmax為判斷矩陣的最大特征值。

2)計算準則層矩陣一致性比例CR

(3)

其中,一致性指標RI查表可得。當CR<0.1時,說明判斷矩陣的一致性可以接受,否則要對判斷矩陣進行適當修正。

5.2 計算過程

1)構建遞階層次結構模型

目標層:最優方案。

準則層:工程布置B1、地質條件B2、對外交通條件B3、施工條件B4、環境影響B5、政策處理B6、技術難度B7、工程運行管理B8、工程可比投資B9。

2)構建目標層判斷矩陣A和準則層判斷矩陣B

3)計算A層與B層各個指標的權重系數

采用算術平均法計算目標層與準則層各個指標權重系數W,并且計算目標層與準則層矩陣一致性指標CI和一致性比例CR,判斷矩陣是否通過一致性檢驗,CR<0.10則通過一致性檢驗。計算結果見表2、表3。

表2 目標層權重系數與準則層矩陣一致性檢驗系數

表3 準則層權重與準則層矩陣一致性檢驗系數

以上判斷矩陣都通過了一致性檢驗,即CR<0.10。

4) 計算各層對目標層的總權重

B層計算得出的B1—B9權重系數乘以A層權重系數,進行加權求和,得到總權重系數,計算結果見表4。

表4 總權重系數表

由表4可知,方案3總權重最大,為0.280,因此推薦方案3,即左岸新建泄洪洞。

6 結 論

青山水庫作為一個已建水庫,壩區周圍設施條件較難改變。為增加前期預泄能力,相應的工程措施選擇難度較大,在工程實踐中必須對多方案全要素進行綜合分析。初擬方案時,應考慮對既有泄洪設施改造和新建泄洪設施可能造成的不同影響。同時,在進行方案比選時,應綜合考慮工程布置、地質條件、對外交通條件、施工條件、環境影響、政策處理、技術難度、工程運行管理及工程可比投資等因素,確保選定的方案具有較強的可行性。