東莊水利樞紐工程導流洞布置設計

張春生 楊道坡 董京艷

摘要：東莊水利樞紐工程檔水建筑物為高230 m的混凝土雙曲拱壩，工程規(guī)模巨大。工程采用一次攔斷、圍堰檔水、隧洞導流的導流方式。導流洞規(guī)模大，涇河超高含沙量、洞內(nèi)水流高流速及復雜地形條件給導流洞布置設計帶來很大困難。為了合理確定導流洞布置方案，從技術、經(jīng)濟、運用風險等方面，分別進行了導流洞單、雙洞布置和左、右岸布置等多方案比較，最終確定采用右岸單洞大洞徑導流洞布置方案，并對推薦方案的導流洞進行了泄流能力計算。

關鍵詞：導流隧洞；一次攔斷；水力計算；東莊水利樞紐工程

中圖分類號：TV554 文獻標志碼：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.023

1 工程概況

東莊水利樞紐工程位于徑河峽谷下段出口以上29km處，工程主要由混凝土雙曲拱壩、壩后消力塘、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)、引水灌溉洞及庫區(qū)防滲工程等組成。壩高230m，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大（1）型。

在壩址下游650m處河道向左60°拐彎，平水期水位590m，水面寬20～30m。壩址上游左岸存在1#崩塌堆積體，最下游出露點距壩線約125m，順河向長160m，分布寬10～30m，出露高程592～709m。

壩址區(qū)河谷為窄V形，河谷底寬30m左右，兩岸基巖裸露，岸坡陡峻，具有良好的成洞條件，故初期導流選擇一次斷流、圍堰擋水、隧洞導流的導流方式。經(jīng)經(jīng)濟、風險控制綜合分析比較，同時參考國內(nèi)類似工程經(jīng)驗，初期導流標準采用10a一遇洪水，相應設計流量為5300m3/s。

2 布置原則

根據(jù)該工程的具體條件，導流洞布置遵循以下原則：①導流洞進、出口位置滿足河道進流及出口與下游河道的水流平順銜接要求，同時滿足導流洞施工布置要求；②洞身轉(zhuǎn)彎段轉(zhuǎn)彎半徑大于5倍洞寬，轉(zhuǎn)彎角度小于60°，進口轉(zhuǎn)彎段前和出口轉(zhuǎn)彎段后直線段長度不小于3倍洞寬；③導流洞進、出口上覆巖體厚度滿足進出口洞身結構及巖體穩(wěn)定要求，同時盡量避開不利地質(zhì)構造影響，以減少進口邊坡開挖工程量和邊坡支護處理工程量；④導流洞洞線布置盡量避開不利地質(zhì)構造影響，上覆巖體厚度滿足洞身開挖穩(wěn)定及襯砌結構要求；⑤盡量提高圍堰高度，但圍堰應在一個枯水期完建并具備擋水的條件；⑥在現(xiàn)有工程經(jīng)驗基礎上確定導流洞規(guī)模，確保導流洞施工和運行安全。

3 導流洞布置設計

3.1 導流洞單、雙洞布置方案比較

根據(jù)初擬的圍堰高度、導流標準和流量、壩址區(qū)地質(zhì)條件等，對單洞和雙洞布置方案進行了技術、經(jīng)濟及運用風險綜合比較。單洞和雙洞均采用10a一遇洪水標準設計，相應設計流量為5300m3/s。導流洞均布置在右岸，布置條件相當。因截流流量（為115m3/s）不大，故截流條件差別不大。初期導流運用條件相同，圍堰規(guī)模相當。導流洞進、出口風化卸荷洞段、斷層等構造破碎帶圍巖類別主要為Ⅲ類，灰?guī)r洞段圍巖類別主要為n類，成洞條件較好。兩條導流洞布置方案跨度相對較小，巖體穩(wěn)定性好，結構可靠性高。一條導流洞布置方案隧洞規(guī)模大，且存在f56斷層穿過導流洞問題，施工難度較大，安全性差；兩條導流洞布置方案施工工期較一條導流洞布置方案緊張，雖然存在f5、f56斷層，但洞徑較小，施工難度較小。導流洞單雙洞布置方案綜合比較見表1。

單洞與雙洞布置方案的布置條件、截流條件差別不大，中期導流運用方式相似，后期導流封堵條件相似。

單洞布置方案優(yōu)點：直接投資上，單洞方案較雙洞方案少約5600萬元，占單洞導流工程直接投資的23.2%，相對經(jīng)濟。壩址處地形陡峻、河道狹窄，單洞布置方案施工條件優(yōu)于雙洞布置方案。

雙洞布置方案優(yōu)點：①導流洞運用期間，洞內(nèi)最大流速達21m/s，屬于高流速隧洞；同時，徑河屬超高含沙量河流，多年平均含沙量144kg/m3，汛期平均含沙量212kg/m3。導流洞過流期間，洞子磨損較常規(guī)情況要嚴重得多，雙洞布置方案后期應急檢修條件優(yōu)于單洞布置方案，導流洞運行期間安全性相對較高。②由于地質(zhì)條件具有不確定性，因此當施工期間出現(xiàn)嚴重不利地質(zhì)條件時，雙洞布置方案洞徑屬較小的常規(guī)洞徑，相對容易處理。③雙洞方案洞徑較小，洞身支護結構設計難度較小，結構安全相對更有保證。

按照目前的施工技術，單洞、雙洞布置方案技術上均可行，無明顯優(yōu)缺差異。充分考慮工程地質(zhì)條件較好這一因素，從相對經(jīng)濟角度考慮，推薦采用單洞大洞徑布置方案。

3.2 導流洞左、右岸布置方案比較

對于導流洞左岸與右岸布置方案，其導流標準、洞徑相同，圍堰規(guī)模差別不大，重點從導流洞規(guī)模、施工條件和廠房布置條件三方面進行比較，見表2。導流洞左、右岸布置方案優(yōu)劣明顯，右岸布置方案明顯優(yōu)于左岸布置方案。

3.3 導流洞具體布置

（1）導流洞進口。經(jīng)計算分析，導流洞出口為淹沒流，導流洞進、出口高程抬高，基本不影響其泄流能力，但導流洞的進、出口邊坡開挖工程量明顯減少，從而減少了導流臨建工程量。經(jīng)綜合考慮河床水位、地形條件、截流條件等，最終確定導流洞進口高程為593m。

導流洞進口設置封堵閘門，考慮封堵閘門水頭高，尺寸大，在進口閘室設置分流墩，左、右孔口分別設置封堵閘門，孔口尺寸8m×19m。進水塔塔頂高程650m，為了防止塔頂進水影響泄流能力，惡化水流條件，頂部設蓋板，導流洞下閘封堵前再打開蓋板補氣。

（2）底坡。導流洞底坡與進出口高程、洞內(nèi)流速有關，常取0.1%～0.4%?？紤]徑河超高含沙量特點，為了避免洞內(nèi)淤積，在考慮進出口高程的同時，盡可能增大低水位時導流洞洞內(nèi)流速，同時參考國內(nèi)已建工程經(jīng)驗，導流洞底坡坡比取0.35%。

（3）斷面形式及尺寸。根據(jù)圍堰規(guī)模、施工期設計洪水、水工樞紐布置條件和國內(nèi)已建工程經(jīng)驗，經(jīng)調(diào)洪演算，導流洞成洞尺寸為17m×19m（寬×高），城門洞形，頂拱角度120°。

導流洞洞內(nèi)水流最大平均流速達21m/s，洞身擬采用全斷面襯砌形式。導流洞洞身圍巖類別主要分為Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類，根據(jù)導流洞運行方式及洞身各段不同荷載受力情況，洞身沿程采取不同襯砌厚度，導流洞綜合襯砌厚度為1.1m。

（4）導流洞出口。由于導流洞出口地質(zhì)條件較好、巖石出露，為巨厚層灰?guī)r，且導流洞出口無其他水工建筑物，因此導流洞出口未設置專門的消能防沖措施，僅設置20m長混凝土明渠，防止水流的反向淘刷影響導流洞洞身安全。

4 導流洞泄流能力計算

4.1 隧洞水流流態(tài)判別

（1）對iH/a≥1.2為半有壓流，H/a≥K2m為有壓流。式中：K2m為半有壓流至有壓流的界限值；∑ξ為自進口上游漸變流斷面到隧洞出口斷面間的局部能量損失系數(shù)之和；C為舍齊系數(shù)；l為洞長；R為滿流時的水力半徑；i為隧洞底坡；v2/ga為出口斷面弗勞德數(shù)的平方。當出口斷面周邊為大氣時，由試驗得v/ga=1.62；當出口斷面下游有底板時，認為界限狀態(tài)下的出口斷面水深為臨界水深hk，即a=hk，則有v2/ga=1。

（2）對i>ik的陡坡隧洞，H/a<1.2為無壓流，1.2≤H/a<1.5為半有壓流，H/a≥1.5為有壓流。

4.2 無壓隧洞泄流能力計算

（1）長、短洞判別。①當?shù)灼掠删徠纶呌谄狡拢╥=0）時，長短洞的界限長度為lk=（5～12） H，洞長l>lk為長洞、l