貴州下壩水庫取水兼放空隧洞優(yōu)化設(shè)計

張丹，李偉

貴州下壩水庫取水兼放空隧洞優(yōu)化設(shè)計

張丹1，李偉2

（1.貴州省遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州遵義563000；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西楊凌712100）

針對下壩水庫地形地貌、地質(zhì)條件較復(fù)雜，受裂隙切割巖體較破碎，巖體強(qiáng)風(fēng)化帶完整性較差，易形成滑坡、崩塌、偏壓、泥石流等問題，經(jīng)現(xiàn)場踏勘，結(jié)合《水工隧洞建筑物設(shè)計規(guī)范》（SL386－2007），（SL279－2002）等，綜合考慮工程占地、施工難度及工程投資等因素，優(yōu)選“利用導(dǎo)流隧洞改為有壓取水／放空隧洞”的一洞三用取放水方案。經(jīng)水力計算、隧洞襯砌計算、應(yīng)力穩(wěn)定性復(fù)核等論證分析，隧洞建筑物結(jié)構(gòu)、過流能力、襯砌裂縫寬度和穩(wěn)定性等均滿足規(guī)范要求，優(yōu)化設(shè)計方案具有較高的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性。

貴州省；下壩水庫；隧洞建筑物；取放水；穩(wěn)定復(fù)核

1　工程概況及地質(zhì)條件

1.1工程概況

貴州下壩水庫位于桐梓河左岸二級支流混子河支流三岔水，屬于長江流域赤水河水系。壩址以上流域面積為32.0 km2，多年平均徑流量為1730萬m3，多年平均降水量為1 083.4mm。水庫正常蓄水位為1000.00m，死水位為978.00m，正常庫容為923萬m3，總庫容為1 236萬m3，年供水能力為1 063萬m3，為Ⅲ等中型水庫。該水庫工程的任務(wù)為城市供水、農(nóng)村人飲和農(nóng)田灌溉。

水庫樞紐主要由攔河大壩、溢洪道和取水兼放空隧洞等建筑物組成。大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高為48.0m。水庫無重大防洪對象，故大壩、泄水建筑物、取水兼放空隧洞建筑物按3級建筑物設(shè)計；永久性次要建筑物按4級建筑物設(shè)計，臨時性建筑物按5級建筑物設(shè)計。

1.2取水兼放空隧洞工程地質(zhì)條件

下壩水庫取水兼放空隧洞布置于左岸，沿線地面高程為958.00～1 042.00m，一般埋深30～50m，最大埋深75m。沿線穿越地層依次為：奧陶系下統(tǒng)湄潭組第一段（O1m1）以沙質(zhì)頁巖為主，夾粉沙巖、灰?guī)r；湄潭組第二段（O1m2）為中厚層灰?guī)r夾粉沙巖；湄潭組第三段（O1m3）為沙質(zhì)頁巖夾粉沙巖。巖層產(chǎn)狀為N54°W／SW∠12°，基巖強(qiáng)風(fēng)化深5～8m，區(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造不發(fā)育，構(gòu)造以裂隙為主，主要發(fā)育有：N75°E／NW∠80°，N25° W／SW∠60°，SN⊥。受裂隙切割，巖體較破碎，巖體強(qiáng)風(fēng)化帶完整性較差。洞身多處于碎屑巖地層內(nèi)，地下水主要為基巖裂隙水，發(fā)生巖溶涌水的可能性較小。

隧洞進(jìn)口閘井段多被第四系殘坡黏沙質(zhì)黏土層覆蓋，厚1.5m左右，局部基礎(chǔ)出露，基巖巖性為O1m1沙質(zhì)頁巖、粉沙巖。在清除覆蓋層后，閘井基礎(chǔ)置于O1m1強(qiáng)風(fēng)化層中下部相對完整巖體上。對局部裂隙進(jìn)行適當(dāng)工程處理后，其承載力能滿足上部建筑物要求。

洞身段出露地層為O1m1～O1m3沙質(zhì)頁巖、粉沙巖、灰?guī)r等。洞身段位于弱風(fēng)化、微風(fēng)化和新鮮巖體中，巖體完整性總體較好。洞身段多為沙質(zhì)頁巖、粉沙巖等軟質(zhì)巖分布，多呈薄層狀分布，以Ⅳ類圍巖為主。進(jìn)出口段裂隙發(fā)育，由層面與節(jié)理裂隙組合，可能產(chǎn)生局部不穩(wěn)定塊體，局部巖體穩(wěn)定性較差，為Ⅴ類圍巖。隧洞開挖后，沙質(zhì)頁巖遇水易軟化。因此，建議對隧洞進(jìn)行全斷面襯砌，且應(yīng)及時進(jìn)行封閉及支護(hù)處理［1］。進(jìn)出口洞臉邊坡為巖質(zhì)邊坡，進(jìn)口邊坡為逆向邊坡。出口以斜向邊坡為主。邊坡結(jié)構(gòu)對邊坡穩(wěn)定有利，但邊坡基礎(chǔ)多處于強(qiáng)風(fēng)化巖體，受裂隙切割，巖體較破碎，邊坡穩(wěn)定性較差。因此，進(jìn)出口洞臉需進(jìn)行鎖口襯砌后方可進(jìn)行洞挖。同時，隧洞進(jìn)口段局部存在危巖體分布，應(yīng)進(jìn)行清除處理［2］。

出口段基礎(chǔ)出露，基巖巖性為O1m3沙質(zhì)頁巖夾粉沙巖。引渠開挖后，將形成2～12m巖質(zhì)邊坡?；鶐r邊坡以斜向坡為主。邊坡結(jié)構(gòu)對邊坡有利，但邊坡多位于強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)，受裂隙切割，巖體較破碎，應(yīng)進(jìn)行支護(hù)處理。

2　取水兼放空隧洞布置方案設(shè)計

2.1方案比選

根據(jù)壩址的地形、地質(zhì)條件和輸水管線的布置情況，推薦3種取放水方案。方案1為左岸單獨新建取水隧洞，方案2是將導(dǎo)流隧洞改造成有壓取水／放空隧洞（“龍?zhí)ь^”岸塔式取水口＋有壓洞身＋出口接?。潘埽?，方案3是將導(dǎo)流隧洞改造成無壓取水／放空隧洞（“龍?zhí)ь^”岸塔式取水口＋無壓洞身＋洞內(nèi)穿?。潘埽?。對這3種方案從布置、施工、工程投資等方面進(jìn)行綜合對比，其成果如表1所示。

表1　3種取放水方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表Tab.1 Technical and econom ic comparison of three kinds of water intake and drainage schemes

由表1可知：新建有壓取水隧洞方案在布置上與其他樞紐建筑物分散布置，施工條件和工期上均有優(yōu)勢，但投資最大；利用導(dǎo)流隧洞改為無壓取放水方案，壓力管線增長較多，投資較大，且進(jìn)口“龍?zhí)ь^”段及洞內(nèi)管道安裝的施工處理難度相對較大。利用導(dǎo)流隧洞改為有壓取放水方案隧洞建筑物區(qū)為Ⅲ～Ⅳ類圍巖，局部溶蝕段為Ⅴ，地質(zhì)條件不太好，但對其采取全斷面襯砌措施進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固處理后，能夠滿足工程安全穩(wěn)定性要求。同時，一洞三用方案在滿足工程要求的基礎(chǔ)上，能充分利用臨時建筑物，也比較經(jīng)濟(jì)。對各方案進(jìn)行綜合比較后，本工程采用了方案3。

2.2取水兼放空隧洞整體布置

方案3是采取“龍?zhí)ь^”的方式將導(dǎo)流隧洞進(jìn)口改造成取水兼放空隧洞進(jìn)口，經(jīng)豎向轉(zhuǎn)彎后至導(dǎo)流隧洞洞身（與導(dǎo)流隧洞共用）。導(dǎo)流隧洞出口改造后，成為放空兼取水隧洞。該方案由取水口＋“龍?zhí)ь^”改造段＋有壓隧洞＋放空和取水壓力管道組成。經(jīng)布置和計算，取放水隧洞總長308.0m，其中取水口閘井段長6.60m，首端壓力管道改造段長7.90m，與導(dǎo)流隧洞共用段長282.8m，出口放空閘室段長10.0 m。DN800取水管由放空閘室首部豎向取水引至隧洞出口左側(cè)閘閥房，壓力鋼管段長20m。取水口設(shè)在導(dǎo)流隧洞進(jìn)口，采取有壓取水。取水口進(jìn)口設(shè)3.0 m×2.0m（寬×高）的攔污柵1道和2.0m×2.0m（寬×高）的平板事故檢修閘門1扇。進(jìn)口閘井底板高程為975.50m，進(jìn)口段經(jīng)水平和豎向轉(zhuǎn)彎后（樁號取0＋000.00～0＋014.50），接至導(dǎo)流隧洞內(nèi)。中段與導(dǎo)流隧洞共用（樁號取0＋014.50～0＋297.30）。在導(dǎo)流隧洞出口左側(cè)，采用φ800鋼管接至閘閥室，并在之前設(shè)置φ400mm生態(tài)兼灌溉放水管。導(dǎo)流洞出口改造后，用作水庫放空設(shè)施。出口設(shè)1.5m×1.5m（寬×高）的弧形工作閘門1道，出口底板高程為958.14m。

3　取水兼放空隧洞設(shè)計計算

3.1隧洞的水力計算

（1）水頭損失。沿程水頭損失按曼寧公式計算。計算時，鋼筋混凝土襯砌的糙率系數(shù)n取0.014，鋼管的糙率系數(shù)n取0.012。具體計算成果如表2所示。

表2　取水設(shè)施水頭損失計算成果Tab.2 Head loss calculation results of water intake facility

（2）泄流能力計算。泄流能力是決定泄水建筑物尺寸大小的關(guān)鍵指標(biāo)，按照《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（SL279－2002）推薦公式進(jìn)行隧洞泄流能力計算［3］，如式（1）所示。

式中：A為出口處面積，m2；μ為流量系數(shù)，計算隧洞沿程及局部水頭損失后，μ＝0.431；HZ為管道出口中心作用水頭，m。

經(jīng)計算，水庫水位處于死水位978.00m時，取水隧洞最大泄流量（閘閥全開工況時［3～4］）為1.15m3／s，遠(yuǎn)大于引用流量0.503m3／s（其中供水流量0.436m3／s，生態(tài)流量0.055m3／s，灌溉流量0.012m3／s）。因此，設(shè)計建筑物的結(jié)構(gòu)尺寸滿足要求。

（3）最小淹沒深度計算。運(yùn)用公式（2）所示的戈登公式計算進(jìn)水口最小淹沒水深［5］。

式中：S為閘孔頂板高程以上最小淹沒水深，m；c為進(jìn)水口形狀系數(shù)，取＝0.73；v為閘孔斷面流速，計算得v＝0.126m／s；d為閘孔高度，d＝2.0m。

3.2隧洞襯砌計算

3.2.1計算方法

取水兼放空隧洞采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌段長度為290m，側(cè)墻和頂拱襯砌厚度為50 cm，底板襯砌厚度為30 cm，襯砌后尺寸為3.5m×4.5m。襯砌按限裂要求設(shè)計，采用北京理正軟件設(shè)計研究院編制的《理正水工隧洞襯砌計算軟件》進(jìn)行內(nèi)力計算及配筋計算，并結(jié)合水工隧洞的洞型和荷載特點，以計算水工隧洞襯砌在各主動荷載及其組合作用下的內(nèi)力、位移及抗力分布［5］。

3.2.2計算工況及荷載組合

計算工況分為正常運(yùn)行工況（工況1）、檢修工況（工況2）、施工工況（工況3）和非常運(yùn)行工況（工況4）4種。工況1為基本荷載組合。荷載組合為：圍巖壓力＋襯砌自重＋設(shè)計洪水時的內(nèi)水壓力＋外水壓力，允許裂縫寬度為0.25mm。工況2為特殊荷載組合。荷載組合為：圍巖壓力＋襯砌自重＋可能出現(xiàn)的最大外水壓力，允許裂縫寬度為0.30mm。工況3為特殊荷載組合。荷載組合為：圍巖壓力＋灌漿壓力＋襯砌自重＋溫度應(yīng)力＋可能出現(xiàn)的最大外水壓力，允許裂縫寬度為0.30mm。工況4為特殊荷載組合。荷載組合為：圍巖壓力＋襯砌自重＋最大水擊壓力＋校核洪水時的內(nèi)水壓力＋外水壓力，允許裂縫寬度為0.30mm。

3.2.3基本參數(shù)取值

基本參數(shù)取值為：襯砌容重γ＝25 kN／m3；混凝土彈性模量Eh＝2.55×104N／mm2；C20混凝土抗壓極限強(qiáng)度fc＝9.6N／mm2；環(huán)向筋及縱向筋均按Ⅱ級鋼筋考慮，fy＝300N／mm2。隧洞洞身段的圍巖類別主要為Ⅲ～Ⅳ類圍巖，局部溶蝕段為Ⅴ類，進(jìn)出口段為Ⅳ類圍巖。巖石堅固系數(shù)f＝1～4，彈性抗力系數(shù)K0＝1～20MPa／cm。

3.2.4計算結(jié)果

隧洞襯砌裂縫寬度計算成果如表3所示。

表3　隧洞襯砌裂縫寬度計算Tab.3 Tunnel lining crack width calculation

從表3可知，在各種運(yùn)行工況下，計算的裂縫寬度均小于《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》的限裂要求。

3.3放空隧洞出口閘室穩(wěn)定計算

出口工作閘室總長10.7m，寬5.5m，總基底面積為58.85m2，閘墩高8.4m，厚1.4～2.0m，基礎(chǔ)坐落于O1m3沙質(zhì)頁巖夾粉沙巖上。

3.3.1抗滑穩(wěn)定計算

取水兼放空隧洞出口閘室受到鉛直力和水平力的共同作用，要求沿閘室底面的抗滑力必須大于作用在閘室結(jié)構(gòu)水平向的滑動力，并有一定的安全系數(shù)［6］，其計算式為式（3）。

式中：K1c為抗剪斷強(qiáng)度計算相應(yīng)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f1、C1分別為建基面的抗剪斷摩擦系數(shù)和黏結(jié)力，分別采用0.43和0.20；ΣW、ΣP分別為建基面上作用力的法向分量總和與切向分量總和；A為建基面面積。

放空隧洞出口閘室抗滑穩(wěn)定計算荷載組合分為基本組合和特殊組合?；窘M合1為設(shè)計洪水位＋自重＋靜水壓力＋揚(yáng)壓力＋雪荷載＋風(fēng)壓力＋活荷載；基本組合2為正常蓄水位＋自重＋靜水壓力＋揚(yáng)壓力＋雪荷載＋風(fēng)壓力＋活荷載；特殊組合1為施工期擋水＋自重＋靜水壓力＋揚(yáng)壓力＋雪荷載＋風(fēng)壓力＋活荷載；特殊組合2為校核洪水位＋自重＋靜水壓力＋活荷載。

取水兼放空隧洞出口閘室抗滑穩(wěn)定計算成果如表4所示。

表4　抗滑穩(wěn)定計算成果表Tab.4 Anti-sliding stability calculation results

由表4可知，在基本組合工況設(shè)計洪水位和正常蓄水位條件下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為3.15、3.27，均大于安全標(biāo)準(zhǔn)3.0；在特殊組合工況下，施工期擋水和校核洪水位條件下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.83、2.77，均大于安全標(biāo)準(zhǔn)2.5。所以，出口閘室抗滑穩(wěn)定性較好。

3.3.2抗傾覆穩(wěn)定計算

為確保隧道閘室具有較高的安全可靠性，需要復(fù)核垂直于閘室基礎(chǔ)的抗傾覆穩(wěn)定性，其計算式為式（4）。

式中：K0為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；為建基面上穩(wěn)定力矩總和；為建基面上傾覆力矩總和。

放空隧洞出口閘室抗傾覆穩(wěn)定計算荷載組合同上。經(jīng)計算，放空隧洞出口閘室抗傾覆穩(wěn)定計算成果如表5所示。

表5　抗傾覆穩(wěn)定計算成果表Tab.5 Anti-dumping stability calculation results

由表5可知，在基本組合工況設(shè)計洪水位條件下和正常蓄水位條件下的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.36和1.42；特殊組合工況在施工期擋水條件下和校核洪水位條件下的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.26和1.18?；窘M合和特殊組合工況下，出口閘室抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)均大于安全標(biāo)準(zhǔn)，抗傾覆穩(wěn)定性較好。

3.3.3抗浮穩(wěn)定計算

為了評價取水兼放空隧洞出口閘室抗浮力抗拔穩(wěn)定性［7］，進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性計算，計算式為式（5）。

式中：Kf為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；ΣV為建基面上垂直力總和（不含設(shè)備重量）；ΣU為建基面上揚(yáng)壓力總和。

取水兼放空隧洞出口閘室抗浮穩(wěn)定計算荷載組合同上。經(jīng)計算，取水兼放空隧洞出口閘室抗浮穩(wěn)定計算成果如表6所示。

由表6可知，在基本組合工況的設(shè)計洪水位條件下和正常蓄水位條件下的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.38和1.49，均大于安全標(biāo)準(zhǔn)1.10；在特殊組合工況的施工期擋水條件下和校核洪水位條件下的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.33和1.24，均大于安全標(biāo)準(zhǔn)1.05。所以，出口閘室抗浮穩(wěn)定性較好。

4　結(jié)語

下壩水庫屬峽谷型水庫，工程區(qū)地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，受裂隙切割巖體較破碎，巖體強(qiáng)風(fēng)化帶完整性較差。為確保隧洞的安全穩(wěn)定性，提高項目投資經(jīng)濟(jì)效益，在規(guī)劃設(shè)計階段，進(jìn)行了方案比選及設(shè)計優(yōu)化。

（1）下壩水庫取放水隧洞工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，邊坡穩(wěn)定性較差，易形成滑坡、崩塌、偏壓、泥石流等問題，經(jīng)隧洞進(jìn)口段危巖體清除、洞身全斷面襯砌、出口段破碎巖體支護(hù)等處理，可滿足工程安全穩(wěn)定要求。

表6　抗浮穩(wěn)定計算成果Tab.6 Anti-floating stability calculation results

（2）在充分考慮工程區(qū)地形地質(zhì)、大壩樞紐布置、施工臨時建筑物及取水兼放空隧洞平順連接等條件的基礎(chǔ)上，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行了綜合比較，優(yōu)選了具有布置緊湊合理、易于施工和工程量小等優(yōu)點的“利用導(dǎo)流隧洞改為有壓取水兼放空隧洞”放水方案。

（3）取水兼放空隧洞整體由取水口＋“龍?zhí)ь^”改造段＋有壓隧洞＋放空和取水壓力管道組成。取水口設(shè)在導(dǎo)流隧洞進(jìn)口，采取有壓取水。導(dǎo)流隧洞出口左側(cè)采用φ800鋼管接至閘閥室，并再設(shè)φ400mm生態(tài)兼灌溉放水管。

（4）水力計算、隧洞襯砌計算及出口閘室穩(wěn)定計算結(jié)果表明：隧洞水頭損失較小，泄流能力和最小淹沒深度滿足要求。各種運(yùn)行工況下的裂縫寬度，抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定和抗浮穩(wěn)定等安全系數(shù)，均滿足規(guī)范要求。

［1］張偉.水庫放水隧洞的不良地質(zhì)情況的處理［J］.山西水利科技，2012（2）：75－76.

［2］SL386－2007，水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］SL285－2003，水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］SL279－2002，水工隧洞設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］李建偉.水工深埋隧洞固結(jié)灌漿應(yīng)力變形分析［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2015（01）：15－17.

［6］薛超，鄭源.有壓管道過渡過程的數(shù)值計算［J］.人民黃河，2011（10）：113－115.

［7］李文君，張文友.南拒馬河倒虹吸進(jìn)出口漸變段抗浮穩(wěn)定措施研究［J］.水科學(xué)與工程技術(shù)，2010（03）：60－62.

[責(zé)任編輯楊明慶]

On W ater Intake and Drainage Tunnel Optim ization Design of Xiaba Reservoir of Guizhou Province

Z HANG Dan1，L I Wei2
（1.Zunyi Water Conservancy and Hydropower Survey Design Institute，Zunyi 563000，Guizhou，China；2.Northwest Agriculture and Forestry University，Yangling 712100，Shanxi，China）

Aiming at the complex topography and geological conditions，the mass fractured rock by fissures cutting，the poor integrity of strong weathering zone which is easy to form landslides，collapse，unsymmetrical pressure，debris flow and other problems in Xiaba reservoir，after the reconnaissance trip，combined with＜Specification for design of hydraulic tunnel building＞（SL386－2007），（SL279－2002），this paper takes overall consideration the engineering land occupation，the construction difficulty and the engineering investment and other factors，optimal chooses the water intake and drainage scheme of reconstruction the diversion tunnel as the pressurized water taking／venting tunnel which can realize three function by one tunnel.From the hydraulic calculation，the tunnel lining calculation，the stress stability check and others analysis，the results showed that the structure，flow capacity，crack width and stress stability of the tunnel buildings can meet the standards requirements and the optimization design scheme has higher technical feasibility and economic rationality.

Guizhou Province；Xiaba Reservoir；tunnel building；water intake and drainage；stability check

TV697

A

1008-486X（2016）01-0006-05

2015－11－28

張丹（1987－），女，貴州遵義人，回族，助理工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計工作；李偉（1974－），男，陜西渭南人，高級工程師，碩士，主要從事水利工程教學(xué)及管理工作。