山口水電站導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)糙率選擇與過流能力分析

李 江,王 健

(1.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局,烏魯木齊市 830000;2.新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,烏魯木齊市 830000)

1 工程概況

山口水電站工程規(guī)模為大(2)型，工程等別為Ⅱ等，具有供水、發(fā)電等綜合效益。壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度。水庫正常蓄水位646.00 m，總庫容2.22億m3，主壩最大壩高94 m。電站裝機(jī)220 MW，多年平均發(fā)電量6.64億kWh，保證出力14.4 MW。

山口水電站工程主要由常態(tài)混凝土拱壩、開敞式溢洪道、放水深孔、引水式岸邊廠房等組成。發(fā)電引水系統(tǒng)采用1管4機(jī)布置型式，電站布置2臺單機(jī)80 MW和2臺單機(jī)30 MW的水輪發(fā)電機(jī)組。

2 施工導(dǎo)流方式

2.1 導(dǎo)流方式

主河道呈“V”形河谷，主河床比較狹窄，河道呈轉(zhuǎn)彎狀，便于布置導(dǎo)流洞，所以推薦拱壩方案施工導(dǎo)流采用河床一次斷流，上下游圍堰擋水，左岸導(dǎo)流隧洞全年導(dǎo)流的方式。導(dǎo)流洞后期封堵。

2.2 導(dǎo)流時(shí)段

考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件，施工時(shí)段主要為4—10月，而汛期為5—8月，根據(jù)壩址區(qū)氣象及水文條件，經(jīng)分析，一個(gè)枯水期內(nèi)永久建筑物不能修筑至汛期洪水位以上，因此考慮圍堰采用全年擋水，導(dǎo)流建筑物可研階段確定為土石圍堰。初步設(shè)計(jì)階段結(jié)合氣候特點(diǎn)、圍堰擋水風(fēng)險(xiǎn)分析，對導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇的土石圍堰和采用10年一遇的混凝土圍堰進(jìn)行了綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，推薦采用堆石混凝土圍堰，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇。堰身按遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水可泄水方式進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)施。

根據(jù)工程施工總進(jìn)度計(jì)劃，施工總工期為4.5年，在整個(gè)施工期內(nèi)，壩體共經(jīng)歷3個(gè)汛期。綜合考慮樞紐水文、氣象條件、度汛標(biāo)準(zhǔn)、大壩混凝土澆筑強(qiáng)度等因素，大壩施工導(dǎo)流及壩體施工期臨時(shí)度汛采用圍堰及壩體臨時(shí)斷面擋水、導(dǎo)流洞泄洪方式。① 初期圍堰擋水時(shí)段為第3年5月—第4年8月，導(dǎo)流洪水標(biāo)準(zhǔn)采用10年一遇，施工導(dǎo)流由圍堰擋水，導(dǎo)流洞泄流；② 主體工程施工期壩體臨時(shí)度汛階段為第4年8月—第5年10月，當(dāng)壩體澆筑高度超過圍堰頂高程后，度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇，此時(shí)壩體度汛期壩前最高水位602.29 m，圍堰為混凝土結(jié)構(gòu)可過水，壩體臨時(shí)斷面擋水、導(dǎo)流洞泄流；③ 第5年10月—年底為蓄水完建階段，圍堰拆除，導(dǎo)流洞下閘封堵，由壩體擋水，深孔泄流。

施工導(dǎo)流度汛特性見表1。

3 導(dǎo)流隧洞設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.1 導(dǎo)流建筑物布置

導(dǎo)流洞布置在河道左岸，由進(jìn)口引渠段、閘井段、洞身段和出口明渠段組成。導(dǎo)流洞進(jìn)口處地面高程596.00 m，洞底板高程570.00 m，埋深26 m。進(jìn)口引渠為梯形斷面，底寬13.5 m。進(jìn)口閘井采用岸塔式，進(jìn)口閘井設(shè)1道封堵鋼閘門，孔口尺寸9.5 m ×10.0 m，閘井底板高程570.00 m，閘井平臺高程604.00 m，閘井段長13 m。

導(dǎo)流洞洞身長574.0 m，城門洞形，設(shè)計(jì)洞徑11.5 m×13.5 m，中心角120°，縱坡1/125，為明滿流交替隧洞。洞身段一般埋深為41 m。導(dǎo)流洞出口明渠坐落在巖基上，長40 m。導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，洪峰流量為1 594 m3/s，相應(yīng)導(dǎo)流洞泄流為1 423 m3/s。

3.2 導(dǎo)流隧洞地質(zhì)條件

(1) 進(jìn)口明渠及閘井段

(2) 洞身段

(3) 出口段

3.3 導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)

3.3.1 導(dǎo)流建筑物

(1) 導(dǎo)流洞進(jìn)口引渠段

引水渠段長度52.223 m，為梯形斷面，底寬13.5 m，巖石開挖邊坡1∶0.3，表層覆蓋層開挖邊坡1∶1.5，每10 m高設(shè)1層馬道。

(2) 閘井段

閘井采用岸塔式，設(shè)封堵鋼閘門1道，孔口尺寸9.5 m×10 m，綜合導(dǎo)流洞進(jìn)出口河床高程和截流難度要求等因素，閘井底板高程570.00 m，閘井平臺頂高程604.00 m。閘井段長13 m。

(3) 洞身段

洞身段為城門洞形，底寬11.5 m，直墻高10.180 m，拱高為3.320 m，圓心角120°，洞身長574.0 m，縱坡為8‰。

(4) 出口明渠段

出口明渠段全長60 m，底寬13.5 m，采用現(xiàn)澆混凝土矩形槽斷面。巖石開挖邊坡1∶0.3，表層覆蓋層開挖邊坡1∶1.5，每10 m高設(shè)1層馬道。

3.3.2 導(dǎo)流洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)為明滿流交替隧洞，洞身段為城門洞形，底寬11.5 m，直墻高10.18 m，拱高為3.320 m，圓心角120°。依據(jù)導(dǎo)流洞的地質(zhì)條件和施工總進(jìn)度計(jì)劃，采用不襯砌型式，隧洞頂拱及邊墻采用錨桿+掛網(wǎng)噴15 cm厚C25混凝土，底板采用厚30 cm C25素混凝土襯砌。其余特殊部位如進(jìn)口漸變段、鎖口段、堵頭段及破碎帶采用全斷面C25鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為0.8 m。出口明渠坐落在巖基上，出口明渠長60 m，設(shè)有消力消能輔助建筑物，設(shè)計(jì)為矩形槽斷面，底寬13.5 m，底板及邊墻采用厚1 m鋼筋混凝土。導(dǎo)流洞典型斷面見圖1。

3.3.3 水力學(xué)計(jì)算及糙率選取

導(dǎo)流洞按進(jìn)口段設(shè)置有壓短管的無壓泄流隧洞設(shè)計(jì)，其泄流能力計(jì)算公式：

(1)

式中：H為由有壓短洞出口的閘孔底板高程起算的上游庫水深；ε為有壓短洞出口的工作閘門垂直收縮系數(shù)；e、B分別為閘孔開啟高度和水流收縮斷面處的底寬；μ為短管的有壓段的流量系數(shù)。

圖1 導(dǎo)流洞典型斷面圖 單位：mm

(2)

式中：ω為隧洞出口斷面面積；ξi、ωi分別為某一局部能量損失系數(shù)及相應(yīng)的斷面面積；li為隧洞某段長度，與之相應(yīng)的斷面面積ωi;Ri為水力半徑；Ci為謝才系數(shù)。

根據(jù)美國陸軍工程兵團(tuán)水利設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中尼古拉茲試驗(yàn)的相關(guān)資料，糙率可采用簡化公式計(jì)算，即與粗糙度△相關(guān)的糙率估算公式n[1]。

(3)

根據(jù)上述公式，經(jīng)過計(jì)算不襯砌導(dǎo)流洞糙率n1=0.031，底板糙率n2=0.014，經(jīng)過加權(quán)平均，噴錨段糙率n′=0.027，綜合襯砌段與非襯砌段按長度加權(quán)后綜合糙率n=0.024。國內(nèi)外噴錨混凝土隧洞糙率系數(shù)一般都在0.038以下，如DL5058—1996《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》根據(jù)不同的施工方法，給出糙率系數(shù)n=0.022～0.03(光面爆破)，n=0.028～0.037(鉆爆法), 加拿大n=0.020～0.025，前蘇聯(lián)n=0.020～0.025[3]。因此，本工程選擇n=0.031較為合適。

3.4 導(dǎo)流洞實(shí)施情況

導(dǎo)流洞開挖斷面為城門洞形，開挖斷面(寬×高)為12.3 m×14.64 m，開挖面積約165 m2，屬Ⅱ、Ⅲ類圍巖。采用流水作業(yè)施工方式臺階法施工。上臺階開挖斷面(面積約100 m2)為城門洞形，由三臂鑿巖臺車鑿孔，光面爆破，側(cè)卸式裝載機(jī)裝自卸汽車運(yùn)至利用料堆放場和棄碴場；下臺階開挖斷面(面積約65 m2)為矩形斷面，由潛孔鉆或手風(fēng)鉆鉆孔爆破，側(cè)卸式裝載機(jī)裝自卸汽車運(yùn)輸。噴護(hù)混凝土采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌料，混凝土噴射機(jī)噴護(hù)。錨桿采用錨桿臺車鉆孔，自動(dòng)注漿器壓漿。全斷面混凝土襯砌采用鋼模臺車支模，30 m3/h型混凝土泵入倉澆筑；底板混凝土采用混凝土攪拌車運(yùn)輸，皮帶機(jī)入倉澆筑，機(jī)械振搗，人工灑水養(yǎng)護(hù)。

根據(jù)圍巖類別情況，樁號0+000.00 m～0+020.00 m與0+554.00 m～0+574.00 m段為進(jìn)出口鎖口段，全斷面鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為80 cm，襯砌段長度40.0 m；樁號0+020.00 m～0+072.32 m與0+190.00 m～0+220.00 m段穿越斷層，巖體破碎，采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為50 cm，襯砌段長度為82.32 m。其余段底板采用混凝土襯砌、邊頂拱采用噴錨支護(hù)，采用工程類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)，基本設(shè)計(jì)參數(shù)為：邊墻及頂拱Φ25砂漿錨桿，掛Φ8@200鋼筋網(wǎng), 噴護(hù)C25混凝土8～10 cm。合計(jì)導(dǎo)流洞全斷面襯砌段長度為124.32 m，占總長的21.65%，其余噴錨支護(hù)段長度449.68 m，占總長的78.35%。

導(dǎo)流洞工程施工歷時(shí)2 a，洞身段施工完成后，經(jīng)檢查，噴錨支護(hù)及混凝土襯砌段均滿足設(shè)計(jì)要求，但洞身綜合斷面過流能力如何，還需要進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

4 導(dǎo)流洞過流能力復(fù)核

4.1 導(dǎo)流洞糙率復(fù)核

4.1.1 洞壁平整度檢測

導(dǎo)流洞施工過程中及完工后驗(yàn)收時(shí)對全洞噴錨支護(hù)段、混凝土襯砌段進(jìn)行了全面檢查，檢測結(jié)果為：① 隧洞無欠挖，最大平均徑向超挖值230 mm，最小平均徑向超挖值130 mm，平均徑向超挖值190 mm，相當(dāng)于隧洞徑向尺寸擴(kuò)大了190 mm；② 隧洞開挖壁面平整度偏差值，開挖面平整度2～39 cm，平均5.9 cm，大于10 cm所占比例為14.3%，滿足合格等級；③ 噴射混凝土厚度有2種，分別為150 mm和100 mm，共檢測948個(gè)點(diǎn)，其中150 mm平均噴護(hù)厚度164 mm，小于設(shè)計(jì)厚度的占8.15%；100 mm平均噴護(hù)厚度125 mm，小于設(shè)計(jì)厚度的占6.14%；④ 襯砌施工后對外形輪廓尺寸進(jìn)行了檢測，每5 m一個(gè)檢測斷面，邊頂拱輪廓線尺寸誤差范圍，均為本區(qū)段內(nèi)的極值。邊頂拱襯砌輪廓線尺寸誤差0～+62 mm，均值+35 mm；底板襯砌高程誤差-12～+39 mm，結(jié)構(gòu)縫部位誤差范圍-10～+69 mm；以上驗(yàn)收結(jié)果說明導(dǎo)流洞開挖、噴護(hù)、混凝土襯砌施工質(zhì)量良好。

4.1.2 糙率復(fù)核

4.2 導(dǎo)流洞過流能力復(fù)核

若按無壓隧洞洞身段的過流能力，按明渠均勻流公式計(jì)算：

(4)

式中：Q為流量；ω為過水?dāng)嗝婷娣e；C為謝才系數(shù),C=R1/6/n；R為斷面水力半徑,R=ω/x；i為水道底面坡降。

導(dǎo)流洞L/D0=574/13.54=42.4，洞長與洞徑之比在100以下是大直徑導(dǎo)流洞常見的，文獻(xiàn)[4]對部分工程L/D0進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。如二灘水電站為51.8、建溪水電站為30.4、龍灘水電站為98.8、劉家峽水電站為77.7等。

導(dǎo)流洞已于2009年9月底完工，本導(dǎo)流洞為局部襯砌，設(shè)計(jì)泄流能力為10年一遇，相應(yīng)的泄流流量為1 445 m3/s，最大流速為18.034 m/s，此時(shí)對導(dǎo)流洞的沖刷影響不大。當(dāng)洪水頻率為20年一遇、50年一遇時(shí)的相應(yīng)泄流流量為1 690 m3/s 和2 006 m3/s，相應(yīng)的最大流速為22.012 m/s和26.605 m/s。綜上所述，當(dāng)洪水頻率大于10年一遇時(shí)，原設(shè)計(jì)混凝土圍堰過水，此時(shí)水流流速較高，含砂水流對導(dǎo)流洞底板可能會(huì)有一定磨蝕。

4.3 實(shí)測值與計(jì)算值對比分析

根據(jù)2012年在導(dǎo)流洞進(jìn)出口的實(shí)際觀測，測得了部分導(dǎo)流洞進(jìn)出口的水流數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)的分析計(jì)算后，計(jì)算出相應(yīng)的糙率，詳見表2。

表2 糙率n量測及計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)表2實(shí)測數(shù)據(jù)反算糙率可以看出，隨著流量的增大糙率值逐漸減小，符合水力學(xué)規(guī)律，但和計(jì)算數(shù)據(jù)存在差異，分析原因如下：

(1) 導(dǎo)流洞出口明渠為解決小流量消能問題，增加了1.5 m高的消力墩，當(dāng)流量較小時(shí)，消力效果較為明顯，從而使導(dǎo)流洞出口形成了淹沒出流，導(dǎo)致導(dǎo)流洞出口實(shí)際測量的數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)偏差較大。

(2) 2009年導(dǎo)流洞出口施工完畢后，施工導(dǎo)流洞出口的預(yù)留巖坎未完全爆破，因此導(dǎo)致小流量時(shí)導(dǎo)流洞出口形成回水，致使實(shí)際測量數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)偏差較大。

(3) 由于現(xiàn)場地形條件及儀器限制，現(xiàn)場未能對導(dǎo)流洞內(nèi)多個(gè)典型斷面進(jìn)行量測，可能導(dǎo)致實(shí)測糙率存在一定的誤差。

5 結(jié) 語

(1) 從目前的研究水平看，凡位于完整、堅(jiān)硬、滲透性小的巖體中的隧洞，當(dāng)洞內(nèi)水流沖刷不致破壞巖石，且內(nèi)水外滲不致影響相鄰建筑物、圍巖和山坡穩(wěn)定時(shí)，尤其是導(dǎo)流隧洞，只要條件許可，不襯砌隧洞方案常是隧洞設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮的方案。但不襯砌隧洞對圍巖條件要求較高，它的范圍受一定限制，較長的水工隧洞穿過不同地層，圍巖條件各段不一，部分洞段不進(jìn)行襯砌通常是可行的。如能設(shè)計(jì)成不襯砌隧洞，不僅可省去造價(jià)較高的混凝土襯砌，更能顯著縮短隧洞施工期。工程可提前發(fā)揮效益，其經(jīng)濟(jì)效益尤為可觀。

(2) 山口水電站導(dǎo)流洞歷經(jīng)2次超標(biāo)準(zhǔn)洪水考驗(yàn)，但洪水歷時(shí)較短。導(dǎo)流洞封堵后，經(jīng)檢查洞內(nèi)邊頂拱噴護(hù)混凝土及底板混凝土局部均存在沖刷，但絕大部分保存完整，說明設(shè)計(jì)參數(shù)較為合理，可供其他工程借鑒。

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