柘侖水庫導流隧洞方案的優(yōu)化設計

馮建江

(貴州省黔西南州水利電力勘測設計院，貴州 興義 562400)

1 工程概況

柘侖水庫擴建后總庫容1490萬m3，其壩型為漿砌石重力壩，最大壩高為59.4 m，灌溉面積為4546.67 ha，根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252－2000)及《防洪標準》(GB50201－94)的規(guī)定［1，2］，工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級，臨時工程按5級設計.

水庫大壩樞紐初步設計審批，導流洞布置在大壩右岸，位置在興義市境內(nèi)，大壩樞紐工程于2007年5月開工.原設計中導流隧洞為一洞多用，施工期承擔施工導流作用，運營期作為沖沙放空孔.由于爆破材料手續(xù)辦理不暢等原因，致使該工程遲遲不能施工，使原導流方案推后近5個月，原多功能導流隧洞的施工受工期推遲限制已不可能按期實施，施工導流及安全度汛功能無法正常發(fā)揮.

2 施工階段導流方案優(yōu)化設計

經(jīng)過現(xiàn)場的踏勘和座談，廣泛收集業(yè)主及施工方意見.針對導流隧洞開挖存在的問題，結(jié)合實際放水情況，對導流方案作出優(yōu)化調(diào)整.為保證汛期后圍堰能正常運行，確保第二個汛期后壩體回填至1260 m，為后期施工創(chuàng)造條件，決定將原來的土石圍堰優(yōu)化為混凝土拱圍堰，材料C15混凝土.同時，由于原多功能導流隧洞的施工受工期推遲限制已不可能按期實施，為此對原設計方案進行優(yōu)化，將導流隧洞沖沙放空與導流功能分開，僅承擔施工導流作用.

2.1 工程設計等級

將導流隧洞原設計方案調(diào)整為導流隧洞與壩內(nèi)沖沙放空孔方案，導流隧洞設計等級為5級建筑物，放空沖沙孔為3級建筑物.

2.2 工程總體布置

將原設計方案調(diào)整為導流隧洞與壩內(nèi)放空、沖沙孔.導流隧洞布置由原的右岸布置調(diào)整為左岸布置，放空沖沙空布置在大壩右壩肩與取水口同排布置.

2.3 主要建筑物設計

(1)導流圍堰

導流圍堰布置在壩上游102 m處，由原來的粘土麻袋調(diào)整為C15混凝土剛性圍堰，拱基礎采用鋼筋混凝土板承臺，承臺下部采用混凝土墊層處理增加基礎承載力，按5級建筑物進行設計［3］.其中，壩體及地基彈模均為:E=40000 kg/cm2，壩身線膨脹系數(shù):C=0.00001，拱基礎與拱端地基物理力學指標和拱壩形狀參數(shù)(見表1，表2).

表1 基巖(左右壩肩、壩基)巖石(體)物理力學指標

表2 拱壩形狀參數(shù)

根據(jù)《漿砌石壩設計規(guī)范》(SL25－2006)規(guī)定，計算基本荷載給合(溫降)和特殊荷載組合(溫升)的壩體應力和拱端作用力［4］.壩體采用考慮扭轉(zhuǎn)的拱冠梁法，地震作用采用擬靜力法，該壩體地震8級設防.拱座采用分層穩(wěn)定分析中的剛體極限平衡法［5］，計算結(jié)果(見表3 ～表4).

從表3～表4可知，拱圍堰材料采用C15混凝土，根據(jù)《混凝土拱壩設計規(guī)范》(SL282－2003)規(guī)定:正常情況拉應力不得大于 1.2 MPa，即1200 kN/m2;非常情況拉應力不得大于1.5 MPa，即 1500 kN/m2，應力滿足規(guī)范要求［6］.

拱座抗滑穩(wěn)定分析采用剛體極限平衡法，按照拱端座落基巖上部3 m，下部至少6 m進行，其計算成果(見表5).左、右岸壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求.

表3 應力計算成果表(溫升)

表4 應力計算成果表(溫降)

表5 平面分層穩(wěn)定計算成果表

根據(jù)以上計算復核，拱圍堰頂寬1 m，高程1262.00 m，壩下游坡比 1 ∶0.285，底寬 3.064 m，高8 m(最大壩段)，高程1254.00 m，頂層拱圈中心角 87.390，底層拱圈中心角 42.48°.兩岸為白云質(zhì)灰?guī)r，河床為灰華層，拱圍堰兩端嵌入白云質(zhì)灰?guī)r0.5 m.為調(diào)整兩岸及河床縱、橫向基礎不均勻性，底部采用C20鋼筋混凝土板和C15混凝土墊層處理，基礎鋼筋混凝土板厚1 m，各超出上下游底腳線0.8 m，故底寬4.664 m.下游采用 C15混凝土回填至1254.00 m高程，作為壩腳防沖刷，與開挖線空隙采用鋼筋籠裝塊石護腳，壩基采用灌漿防滲處理.為保證拱圍堰施工，在導流隧洞進口至拱圍堰間建圍堰一座，采用石渣碾壓和粘土防滲，圍堰頂寬4 m，頂高程1260.00 m，上下游邊坡均為1 ∶2.5.

(2)導流隧洞

導流隧洞按5級建筑物進行設計，根據(jù)施工導流標準采用10年一遇的枯期導流洪水標準.導流時段選擇在 11月至次年 4月，導流流量 Q=33.6 m3/s.當水位至圍堰頂1265 m高程時，導流洞泄洪量62.1 m3/s.隧洞斷面采用城門洞型，設計斷面 B × H=3.95 m ×4.65 m(R=2.28 m，α =1200)，坡比 18‰，糙率按中等修正取 n=0.035.根據(jù)《水利水電施工組織設計規(guī)范》(SL303－2004)規(guī)定，當壩體填筑超過圍堰高度時，壩前攔洪庫容在1265 m高程對應庫容小于1000萬m3，相應渡汛標準在20～10年一遇的洪水標準，柘侖水庫采取P=10%的全年渡洪水標準，對應流量Q=271 m3/s.

根據(jù)《灌溉與排水工程設計規(guī)范》(GB50288－99)，過水斷面面積 A=3.95 × 3.51m2.洞長 L=267.86 m，屬于長洞，Q=33.1 m3/s，水位 H=1360.25 m.當水位與隧洞直墻段水平時，最大泄流量達 66.2 m3/s，水位 1261.51 m，圍堰頂高程1265.00 m.

計算得L=2.5 m.考慮混凝土的抗?jié)B要求，厚度為總水頭的1/20，即46/20=2.3 m.考慮安全系數(shù)k=2，取封堵長為5 m，同時為了與壩肩防滲帷幕連成整體，將封堵分為2段，進口段按5 m進行封堵，帷幕軸線位置時按10 m封堵長度與帷幕連成整體;出口考慮1 m的封堵長度封閉整個隧洞出口.封堵段均應采取回填灌漿，以保證封堵效果.

(3)放空沖沙底孔

優(yōu)化后的放空沖砂底孔布置在壩體右壩肩，即大壩樁號 0+62.76 m處，進口底板高程1260.00 m，閘門井型式為塔式，進口設一道檢修鋼閘門，閘門井外包尺寸6.0 m×5.05 m，采用C20鋼筋混凝土.底孔斷面型式為矩形，孔口尺寸2.0 m×3.0 m(b× h)，外 C35 鋼筋混凝土，厚 1.0 m，全長49.30 m.在 0+42.62 m處向河流方向轉(zhuǎn)角 450，轉(zhuǎn)角半徑8.5 m，出口斷面尺寸漸變至2 m×2 m.在出口段設弧型工作閘門及啟閉機室，末端樁號0+63.05 m.由于地形較陡，采用C15塊石混凝土回填，沖砂底孔沖砂至下游河床.從正常蓄水位放空水庫至1260.00 m高程時，共需3.94天.設計最大沖沙流量 Q=46.56 m3/s，對應水位 1303.43 m.

3 施工組織優(yōu)化設計

導流標準根據(jù)施工時間選擇在11月至次年2月，導流標準P=20%，導流流量Q=21.6 m3/s，經(jīng)計算水深1.6 m，圍堰取堰頂高程 =1258+1.6+0.4=1260.0 m，0.4 m 為安全超高.

導流圍堰采用土石圍，上游側(cè)采用粘土防滲，頂寬1 m，底寬6 m，后部為寬頂寬4 m，底寬25 m的土石戧堤，圍堰頂高程1260 m.采用C15混凝土拱圍堰.圍堰施工時可利用現(xiàn)階段壩肩開挖的石渣在圍堰的位置進行碾壓成戧堤，待壓縮變形不發(fā)變化時，進行上游面的粘土防滲.完成后進行拱圍堰基礎的開挖、基礎處理及回填，最后進行帷幕灌漿.圍堰施工完后達到設計強度后，進行壩基礎開挖.

導流隧洞施工時應考慮掛口位置，以能提前進洞為前提，做好洞臉的支護.開挖按光面爆破原理進行布孔及裝藥，計算獲得最少單方耗藥量及單孔線裝藥量等參數(shù)，保證施工對洞身圍巖的保護，出渣采用5 T自卸汽車.為保證施工進度采用進出口2個工作面同步施工.

圍堰導流隧洞施工總工期3.5個月，導流隧洞開挖2.5個月，圍堰施工1個月.

4 結(jié)論

柘侖水庫大壩原多功能導流隧洞，受工期推遲限制已不可能按期實施.結(jié)合工程特性，經(jīng)現(xiàn)場的踏勘、座談和應力及穩(wěn)定性計算，獲得投資及施工風險均相對較小的優(yōu)化設計方案.

(1)導游洞進口調(diào)整到安龍地界的左岸位置，成洞條件優(yōu)越.同時保證施工圍堰與上游基坑開挖邊坡有較長的安全距離，對整個工程施工較為有利.

(2)將原導流洞兼后期沖沙放空隧洞功能一分為二，導流隧洞只作施工導流之用，局部地質(zhì)條件較差段采用噴錨支護.

(3)施工時間緊張，汛期壩基已不能回填出河床，故圍堰在汛期應具備過水要求.優(yōu)化設計將圍堰調(diào)整成剛性圍堰，材料采用C15混凝土拱圍堰，按定圓心單曲混凝土拱壩原理進行設計，設計等級為5級建筑物.經(jīng)計算，應力和穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求.

將導流洞兼放空沖沙隧洞調(diào)整為施工導流洞和壩內(nèi)沖沙放空底孔，并將導流洞調(diào)整到安龍地界的左岸，具有節(jié)約投資、土地征用協(xié)調(diào)便利，圍堰和導流隧洞施工干擾小等優(yōu)點.

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