下坂地水利樞紐工程導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)

摘要：導(dǎo)流洞是水利樞紐工程中重要的泄洪建筑物之一，而且其泄洪流速一般都很高，很容易產(chǎn)生混凝土的空蝕破壞，從而影響建筑物的正常使用，選擇合適的體型是導(dǎo)流洞防止空蝕破壞的首要環(huán)節(jié)，而防空蝕破壞的關(guān)鍵是導(dǎo)流洞高速流速段洞內(nèi)過(guò)流面壓力分布不能產(chǎn)生超過(guò)混凝土允許的負(fù)壓力。本文就下坂地水利樞紐工程導(dǎo)流洞水力設(shè)計(jì)及所采取防空蝕破壞的措施進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞： 水利樞紐； 導(dǎo)流洞；設(shè)計(jì)

Abstract:：The diversion tunnel is one of important flood discharge structures in water conservancy engineering, and the discharge flow rate is generally high, it is easy to produce the cavitation erosion of concrete damage, thus affecting the normal use of buildings, choose the right size is the first step of diversion tunnel to prevent cavitation erosion damage, and anti-cavitation destruction of high-speed flow velocity is the key to the diversion tunnel flow surface pressure distribution over the hole does not produce more than allow the negative pressure of concrete. In this paper, the sitting under ground water conservancy hub project diversion tunnel hydraulic design and anti-cavitation damage taken measures are introduced.

Keywords: water conservancy hub. The diversion tunnel; design

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中圖分類(lèi)號(hào)：TV6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

1.導(dǎo)流洞工程概況

導(dǎo)流泄洪洞肩負(fù)導(dǎo)流、泄洪以及水庫(kù)放空的綜合功能，洞線(xiàn)為直線(xiàn)布置，方位角為NE85°，導(dǎo)流洞進(jìn)口位于河道轉(zhuǎn)彎處的上游，下游出口距大壩約800m。導(dǎo)流洞全長(zhǎng)1425.85m，由明渠段、進(jìn)口段、洞身段、出口段組成。隧洞進(jìn)口采用豎井式，進(jìn)口高程2902m，出口高程2881.23m，采用挑流消能。導(dǎo)流洞在工程導(dǎo)流期結(jié)束后，改為泄洪放空洞?？卓诔叽缬?×8.5m（寬×高）導(dǎo)流孔口改造為5×6m泄洪孔口。

1.1工程地質(zhì)條件

底洞進(jìn)口段主要位于元古界第二巖性段的角閃片麻巖中，圍巖以Ⅳ類(lèi)為主，部分卸荷巖石為Ⅴ類(lèi)。樁號(hào)?0+038~0+044m（地質(zhì)樁號(hào)0+88~0+094m）段為卸荷巖體，張性裂隙發(fā)育，削坡時(shí)，將其清除。樁號(hào)0+044m后為弱風(fēng)化巖體，巖體較完整。豎井位于第三巖性段角閃片麻巖中，巖體較完整，Vp小于2350m/s，為Ⅳ類(lèi)巖體，豎井基礎(chǔ)位于第二巖性段的角閃片麻巖弱風(fēng)化巖體上，基巖承載力為9MPa。

洞身穿越元古界第二巖性及第一巖性段，洞室圍巖為弱~微風(fēng)化，巖體較完整，洞頂圍巖40~300m，以Ⅲ類(lèi)圍巖為主，巖層走向與洞線(xiàn)夾角50o，對(duì)洞室穩(wěn)定性較有利。洞線(xiàn)共穿越F39、F40、F41、F42、F43、F100、F101、F104等8條斷層，斷層寬度小于4m，受其影響，斷層及斷層影響帶為極不穩(wěn)定的Ⅴ圍巖類(lèi)。

出口段自然邊坡坡角45°，受裂隙切割影響，邊坡巖體表層風(fēng)化破碎，需清坡噴護(hù)。出口段洞室?guī)r體較完整，為Ⅲ類(lèi)圍巖。

出口采用挑流消能，消能區(qū)現(xiàn)代河床寬約90m，左岸漫灘高出河床7~10m，岸坡平緩，臺(tái)地寬約300m，地形平坦，微向河谷方向傾斜。組成物質(zhì)主要為沖積及冰磧的塊石，漂卵礫石，夾雜砂或碎石，多呈松散~半松散狀，堆積厚度200多米。

2導(dǎo)流泄洪洞工程布置及分段設(shè)計(jì)

泄洪洞位于河道右岸，底洞由進(jìn)口壓力段、豎井、洞身、出口挑流鼻坎組成。隧洞進(jìn)口底高程2902m，出口挑坎底高程2881.25m，建筑物全長(zhǎng)1425.847m。

壓力進(jìn)口段由喇叭口及壓頂段組成。進(jìn)口底板高程2902m，樁號(hào)0+000～0+045m為引渠段，縱坡降i=0。樁號(hào)0+027.3～0+045m段為洞進(jìn)口前的扭曲面段。樁號(hào)0+045～0+052段為進(jìn)口喇叭口，采用頂部和兩側(cè)墻三面收縮的橢圓曲線(xiàn)。喇叭口進(jìn)口斷面為11.0×11.0m的矩形斷面。0+052～0+100m段為7×8.5m的矩形斷面。

樁號(hào)0+100～0+126為豎井閘室段。0+112.74m前洞底高程為2902m，其后底坡i為為0.0163，頂部高程為2966m。豎井內(nèi)設(shè)事故檢修閘門(mén)和工作閘門(mén)各一扇。事故檢修閘門(mén)位于0+103.6m處，孔口尺寸為7×8.5m，為平板鋼閘門(mén)。導(dǎo)流結(jié)束后泄洪洞工作弧門(mén)前采用橢圓壓頂和側(cè)收縮形式，孔口尺寸為5×6.3m。

樁號(hào)0+126～1+385.847m為洞身段，底坡i為0.0163。其中0+126～0+418.19m段為底洞洞身段，0+418.19～1+385.847m為底洞、表孔共用段。

樁號(hào)1+385.847～1+425.847m為出口明槽及挑流鼻坎段，采用矩形擴(kuò)散鼻坎，底寬從7m擴(kuò)散為10m。鼻坎反弧半徑r=45m，挑射角26°17′2″，鼻坎中心線(xiàn)坎頂高程2885.25m。

3高速流區(qū)抗空蝕設(shè)計(jì)

根據(jù)水工模型試驗(yàn)結(jié)果可知，導(dǎo)流洞洞內(nèi)最大流速為30m/s，所以在抗空蝕和抗沖磨方面采取如下措施：

3.１選擇合適的體形

選擇合適的體形是導(dǎo)流洞防止空蝕破壞的首要環(huán)節(jié)，而防空蝕破壞的關(guān)鍵是導(dǎo)流洞高流速段洞內(nèi)過(guò)流面壓力分布正常而且不能產(chǎn)生超過(guò)混凝土允許的負(fù)壓力，對(duì)此問(wèn)題經(jīng)過(guò)分析、計(jì)算及比較并參照流速和泄量相近同類(lèi)工程的經(jīng)驗(yàn)選確定了擇導(dǎo)流洞體形尺寸，經(jīng)過(guò)水工模型試驗(yàn)表明導(dǎo)流洞在宣泄各種工況泄量時(shí)導(dǎo)流洞壓力分布正常，無(wú)負(fù)壓產(chǎn)生說(shuō)明導(dǎo)流洞體形選擇是合理的。

3.２控制水流邊壁局部不平整度

由于導(dǎo)流洞內(nèi)高流速，混凝土表面任何凸凹不平體都可能造成混凝土表面的空蝕破壞，因此嚴(yán)格控制導(dǎo)流洞高流速段過(guò)流面的不平整度，要求混凝土施工時(shí)留下來(lái)的接縫錯(cuò)臺(tái)、模板印痕、混凝土殘?jiān)蚓植炕炷撩撈ず蛣兟鋾r(shí)留下來(lái)的坑穴、局部放線(xiàn)不準(zhǔn)或模板走樣造成的凹凸面，以及其它凸體、跌坎等其突起高度不得超過(guò)3mm，并在允許的高度范圍內(nèi)一律按順?biāo)鞣较?/50、垂直水流方向1/30進(jìn)行緩坡處理。

3. 3設(shè)置摻氣槽

根據(jù)其它工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)高流速隧洞設(shè)置摻氣槽向水流中摻氣是解決空蝕破壞的有效手段之一，結(jié)合導(dǎo)流洞洞內(nèi)高流速特點(diǎn)，為了防止高速水流在跌落段、反弧段及平洞段交接部位附近產(chǎn)生空蝕破壞，分別在反弧段上、下游端設(shè)置摻氣槽，以向水流中摻氣減少過(guò)流面的負(fù)壓力，而達(dá)到防止空蝕破壞的目的。上、下?lián)綒獠鄣捏w形是經(jīng)過(guò)水工模型試驗(yàn)反復(fù)優(yōu)化后確定的，而且經(jīng)過(guò)水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證在導(dǎo)流洞在渲泄不同工況泄量時(shí)均能形成穩(wěn)定的空腔，摻氣充分、連續(xù)，通氣良好，導(dǎo)流洞過(guò)流面壓力分布正常，無(wú)負(fù)壓產(chǎn)生。

3. 4選用高強(qiáng)抗蝕耐磨混凝土

為了防止導(dǎo)流洞過(guò)流面空蝕破壞，一方面采取措施減少負(fù)壓防止空蝕破壞的發(fā)生，另一方面要采區(qū)相應(yīng)的措施提高導(dǎo)流洞抗空蝕能力?？箾_耐磨混凝土種類(lèi)很多，通過(guò)價(jià)格、施工可操作性、施工后混凝土出現(xiàn)裂縫情況、以及國(guó)內(nèi)、外已建水利水電工程高流速水工遂洞抗空耐磨材料應(yīng)用實(shí)例，參照《水工混凝土抗沖磨防空蝕技術(shù)規(guī)范》并在水工試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)導(dǎo)流洞高流速區(qū)選用HF高強(qiáng)抗蝕耐磨混凝土。試驗(yàn)結(jié)果表明在水泥用量增加很小（約10%）的情況下，即可將C30普通混凝土提升為抗空耐磨C45特種混凝土，與普通混凝土相比抗空蝕耐磨性能得到很大提高。

3.５挑流消能

根據(jù)隧洞出口段的地形地質(zhì)條件，隧洞出口選用挑流式消能工。出口消能區(qū)要以保證下游邊坡及挑流鼻坎穩(wěn)定為主要目的，合理控制水舌落點(diǎn)，盡量分散射流入水點(diǎn)能量，防止回流產(chǎn)生大的淘刷。通過(guò)降低局部水域入水能量的集中程度，減少單位面積沖刷能量，進(jìn)而減小沖刷坑深度，達(dá)到消能防沖的效果。泄洪洞出口渲泄設(shè)計(jì)洪水時(shí)Fr=1.8，表孔單獨(dú)下泄校核洪水時(shí)Fr=2.1；洞身末端底高程為2991.086m，下游水位為2879.2m~2880.2m。由于水流佛氏數(shù)低，出口與下游河道落差又小，因此消能工不具備高挑角大挑距的縱向分散消能的條件，宜采用橫向擴(kuò)散消能的型式，使水流與下游河床平緩銜接。

根據(jù)出口右側(cè)地形比左側(cè)遠(yuǎn)地形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用左短右長(zhǎng)、左低右高的鼻坎形式，隧洞出口樁號(hào)為1+395.847m，采用矩形過(guò)水?dāng)嗝?，底?m，水流流速16~20m/s。樁號(hào)1+402.847~1+425.847m為出口挑流鼻坎，根據(jù)水工模型試驗(yàn)，采用矩形等原弧擴(kuò)散鼻坎，底寬從7擴(kuò)散為16.17m（斜長(zhǎng)）。鼻坎坎頂高程2883.27~2885.971m。反弧半徑R=51.54m，挑射角25.46°校核洪水情況下，最大挑距46m，河床最大沖坑深度9.4m。由于回流的影響，河床右岸最大沖刷深13.5m。根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況，對(duì)出口采取防沖齒墻和基礎(chǔ)錨桿對(duì)鼻坎基礎(chǔ)進(jìn)行抗沖加固。

4.結(jié)束語(yǔ)

下坂地水利樞紐已安全運(yùn)行近六年，經(jīng)過(guò)多次泄洪證明下坂地水利樞紐工程導(dǎo)流洞水力設(shè)計(jì)是合理的。[ 馬建衛(wèi)，男，漢族，1980年1月出生于陜西眉縣，工學(xué)學(xué)士，工程師。]