某水利樞紐工程中導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)分析

魏 勇，陳業(yè)芹，鮑 磊

（上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 浦東 200120）

導(dǎo)流洞作為水利樞紐工程中臨時(shí)性導(dǎo)流建筑物，在整個(gè)工程施工中承擔(dān)著非常重要的角色，導(dǎo)流結(jié)束后可與輸水洞、泄洪洞、放空洞等永久性建筑物相結(jié)合使用，因此，導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)中進(jìn)出口底板高程確定、流量系數(shù)、導(dǎo)流斷面洞徑大小比選及施工方法以及導(dǎo)流洞封堵等，對(duì)整個(gè)樞紐工程施工進(jìn)度、質(zhì)量及投資影響很大，合理的導(dǎo)流斷面不僅關(guān)系著抬頭壩的填筑高度、填筑量，還影響著整個(gè)工程投資，而導(dǎo)流洞封堵體長(zhǎng)度設(shè)計(jì)合理不僅節(jié)省工程量，而且能保證結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定。本文結(jié)合某在建中型水庫(kù)工程，融入新的設(shè)計(jì)方法與思路進(jìn)行導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)。

1 工程概況

在建中型水庫(kù)樞紐工程主要由攔河壩、導(dǎo)流輸水隧洞和溢洪道組成，攔河壩為粘土心墻風(fēng)化料壩。導(dǎo)流洞全長(zhǎng)448.1m，主要由導(dǎo)流進(jìn)口段、專用段和結(jié)合段組成，導(dǎo)流洞前期配合抬頭壩參與導(dǎo)流，后期改建成輸水隧洞。導(dǎo)流洞洞徑設(shè)計(jì)按照汛期抬頭壩填筑高度對(duì)應(yīng)的最高水位確定，抬頭壩按一期填筑時(shí)施工強(qiáng)度大，工期和質(zhì)量很難保證，因此將攔河壩導(dǎo)流分兩期填筑，枯期導(dǎo)流方式為圍堰一次攔斷河床，導(dǎo)流隧洞泄洪，汛期導(dǎo)流采用度汛壩體攔洪，導(dǎo)流隧洞導(dǎo)流的導(dǎo)流方式。導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為汛期洪水20年一遇洪水（P=5%），設(shè)計(jì)洪峰流量124 m3/s[1,2]，調(diào)洪成果見(jiàn)表1。

表1 在建中型水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水成果表

2 進(jìn)出口底板高程確定

2.1 進(jìn)口底板高程

為滿足施工期間導(dǎo)流洞洞口不受河道洪水影響及施工出碴需要，要求導(dǎo)流隧洞進(jìn)口底板高于河道足夠高度，但為了方便導(dǎo)流，降低一期圍堰高程，要求導(dǎo)流隧洞進(jìn)口底板盡量低[3,4]。導(dǎo)流洞進(jìn)口段原河床寬49 m，河床高程2094.00 m，為滿足枯期導(dǎo)流洞進(jìn)口施工需要，防止洪水影響進(jìn)口施工，導(dǎo)流洞底板高程應(yīng)高于河床3 m～4 m，故導(dǎo)流洞底板高程定為2097.60 m，高于河床3.6 m。原河道可過(guò)流寬度13 m，河床坡度1.23%，糙率取0.04，5年一遇汛期洪峰流量77.2 m3/s對(duì)應(yīng)的水深1.8 m，低于導(dǎo)流洞進(jìn)口底板高程，滿足導(dǎo)流洞施工期的度汛要求。

2.2 出口底板高程

根據(jù)施工安排，導(dǎo)流洞施工需要度汛，隧洞度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，隧洞出口20年一遇洪峰流量為123 m3/s，根據(jù)隧洞出口水位-流量結(jié)果，采用插值法計(jì)算得到隧洞出口20年一遇度汛水位為2077.96 m，考慮波浪影響[5,6]，取隧洞出口底板高程2078.50 m，出口水位-流量結(jié)果表見(jiàn)表2。

表2 在建中型水庫(kù)出口水位-流量結(jié)果表

3 洞徑比選研究

在建中型水庫(kù)壩高74.8 m，水庫(kù)壩址以上控制徑流面積42.1 km2，河道平均坡降47.7‰，壩軸線處清基面高程2076.3 m，攔河壩壩頂高程2151.10 m，導(dǎo)流洞進(jìn)口底板高程2097.60 m，洞身設(shè)計(jì)斷面為城門(mén)洞型，斷面尺寸分別選取1.8 m×2.2 m、2.2 m×2.5 m和2.5 m×3.0 m三種斷面形式，按汛期20年一遇洪水（P=5%）進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，最終根據(jù)度汛抬頭壩高程對(duì)應(yīng)抬頭壩填筑量、施工周期及強(qiáng)度、工程投資等綜合考慮，選擇合理的斷面尺寸[7]。

3.1 流量系數(shù)確定

導(dǎo)流洞在進(jìn)行斷面尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，汛期導(dǎo)流按有壓滿流考慮，根據(jù)水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)（第二版）隧洞有壓流基本計(jì)算公式[8～10]，流量系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：μ為流量系數(shù)，ζi為隧洞第i段上的局部能量損失系數(shù)，其它符號(hào)代表含義見(jiàn)水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)。

每一不同的設(shè)計(jì)斷面可計(jì)算得到一個(gè)流量系數(shù)，本文以2.2 m×2.5 m導(dǎo)流斷面為例，進(jìn)行流量系數(shù)計(jì)算，計(jì)算得到的結(jié)果見(jiàn)表3，同理1.8 m×2.2 m和2.5 m×3.0 m計(jì)算得到的流量系數(shù)分別為0.384、0.476。

表3 導(dǎo)流隧洞流量系數(shù)計(jì)算表（2.2m×2.5m斷面）

3.2 調(diào)洪計(jì)算

流量系數(shù)得到后，采用《水利水電工程設(shè)計(jì)計(jì)算程序集》軟件（簡(jiǎn)稱PC1500）進(jìn)行調(diào)洪演算[11]，得到不同時(shí)段的水位與泄流量結(jié)果，并繪出水位-泄流量曲線圖。

3.2.1 原始數(shù)據(jù)

對(duì)原始數(shù)據(jù)包括水位-水面面積關(guān)系曲線節(jié)點(diǎn)數(shù)，導(dǎo)流洞尺寸及進(jìn)口高程、閘門(mén)尺寸及閘底高程、洪水時(shí)段、洪水過(guò)程、起調(diào)水位等輸入PC1500軟件，具體數(shù)值見(jiàn)表4～表6。

表4 水位-水面面積關(guān)系曲線節(jié)點(diǎn)數(shù)（k=37）

表5 洪水過(guò)程時(shí)段及水位情況

表6 導(dǎo)流洞尺寸及高程表

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

進(jìn)行PC1500進(jìn)行調(diào)洪的結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 調(diào)洪計(jì)算結(jié)果表 單位：m3/s

經(jīng)過(guò)計(jì)算，導(dǎo)流洞汛期最大下泄流量為58.84 m3/s，所對(duì)應(yīng)的最高水位為2115.29 m，調(diào)洪度汛曲線見(jiàn)圖1。

圖1 調(diào)洪度汛曲線

3.3 洞涇比選結(jié)果

采用水力計(jì)算軟件PC1500，將洞身斷面尺寸分別為1.8 m×2.2 m、2.2 m×2.5 m和2.5 m×3.0 m三種洞身斷面進(jìn)行調(diào)洪（見(jiàn)圖2），根據(jù)最大下泄流量對(duì)應(yīng)的水庫(kù)最高水位，分別得到度汛抬頭壩高程和抬頭壩填筑量，見(jiàn)表8。

圖2 PC1500計(jì)算結(jié)果示意圖

經(jīng)過(guò)施工組織安排，大壩的填筑在兩個(gè)枯水期內(nèi)完成，第一個(gè)枯水期填筑時(shí)間為3.5個(gè)月，第二個(gè)枯水期填筑時(shí)間為5個(gè)月，洞徑2.2 m×2.5 m所計(jì)算的抬頭壩填筑量大約為總量的44.32%，兩期月填筑強(qiáng)度相對(duì)較均衡（第一期強(qiáng)度9.98萬(wàn)m3/月，第二期強(qiáng)度8.77萬(wàn)m3/月），且導(dǎo)流洞洞徑相對(duì)較小，投資較小。1.8 m×2.2 m洞徑對(duì)應(yīng)的一期抬頭壩填筑量較大，施工強(qiáng)度大，工期難保證。2.5 m×3.0 m洞徑對(duì)應(yīng)的度汛抬頭壩填筑量小，但洞徑增大將導(dǎo)致投資增大，不經(jīng)濟(jì)，并且第二期施工強(qiáng)度大，工期很難保證。綜合考慮導(dǎo)流洞洞徑為2.2 m×2.5 m的城門(mén)洞型較為合適[12,13]。

表8 不同斷面洞身尺寸比選結(jié)果表

3.4 導(dǎo)流洞水力計(jì)算

導(dǎo)流隧洞在施工期導(dǎo)流運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)口流態(tài)隨上游水位的變化，分為進(jìn)口無(wú)壓、半有壓和有壓泄流三種工況。根據(jù)《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》（第二版）（武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)流體力學(xué)教研室李煒主編，中國(guó)水利水電出版社）第七篇水工隧洞的水力計(jì)算，結(jié)算結(jié)果見(jiàn)表9。各流態(tài)計(jì)算公式為：

表9 導(dǎo)流隧洞下泄流量～水位關(guān)系表

綜上比較，庫(kù)水位2115.29 m時(shí)導(dǎo)流洞最大流量為60.37 m3/s，大于C-2調(diào)洪演算時(shí)的最大下泄流量，導(dǎo)流隧洞滿足泄流要求。

4 封堵體長(zhǎng)度計(jì)算

4.1 計(jì)算方法

導(dǎo)流洞堵封體計(jì)算方法有經(jīng)驗(yàn)公式、結(jié)構(gòu)計(jì)算以及數(shù)值計(jì)算3種計(jì)算方法，本文在依據(jù)水工規(guī)范，總結(jié)前人工程經(jīng)驗(yàn)等計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，采用《水工隨動(dòng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 279-2016）版中堵封體的計(jì)算方法。計(jì)算方法如下：

（1）封堵體長(zhǎng)度一般取封堵隧洞開(kāi)挖洞徑（或洞寬）的3倍以上，個(gè)別小型工程取2倍洞徑，即L≥（2～3）D，式中L為封堵體長(zhǎng)度，D為封堵洞洞徑（或洞寬）；

（2）挪威經(jīng)驗(yàn)公式：L≥（3～5）H/100，式中H為水頭，L為堵封體長(zhǎng)度；

（3）按經(jīng)驗(yàn)公式：L=HD/50，式中H為水頭，D為洞涇，當(dāng)隧洞為非圓形時(shí)，換算直徑D=(4A/π)(1/2)；

（4）根據(jù)現(xiàn)行水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范（SL 279-2016）中封堵體的抗滑穩(wěn)定公式計(jì)算：

式中：K為按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，K≥3；S為荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值，kN；∑P為封堵體承受的全部荷載效應(yīng)對(duì)滑動(dòng)面的最大切向分值，kN；∑W為封堵體承受的全部荷載效應(yīng)對(duì)滑動(dòng)面的最大法向分值，向下為正，kN；f′為混凝土與巖石或混凝土與混凝土的抗剪斷摩擦系數(shù)；C′為混凝土與巖石或混凝土接觸面的抗剪斷黏聚力，kPa；Ai為除頂拱部位（90°～120°）外，封堵體底面、側(cè)面與圍巖（或砼）接觸面的面積，m2；λi為除頂拱部位（90°～120°）外，封堵體底面、側(cè)面與圍巖（或砼）接觸面的有效面積系數(shù)，底面λ=1，側(cè)面λ=0.7。

4.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)地質(zhì)情況及工程經(jīng)驗(yàn)類比，堵封體位置處圍巖類別為Ⅳ類，計(jì)算圍巖混凝土間的摩擦系數(shù)f=0.6，粘聚力c=400 kPa，混凝土容重γ=2400 kg/cm3，各種方法計(jì)算得到的封堵體長(zhǎng)度見(jiàn)表10。

表10 導(dǎo)流洞封堵體長(zhǎng)度的計(jì)算成果

根據(jù)以上結(jié)果可知，4種計(jì)算方法所得到的封堵體的長(zhǎng)度結(jié)果相差較大，結(jié)果最大相差3.4倍，本工程經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比，最后采用現(xiàn)行《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 297-2016）的計(jì)算方法，導(dǎo)流輸水隧洞封堵體長(zhǎng)度L取4 m。

5 結(jié)論和建議

1）計(jì)選取1.8 m×2.2 m、2.2 m×2.5 m和2.5 m×3.0 m三種斷面形式，從抬頭壩填筑高度、填筑量與施工工期、強(qiáng)度等方面進(jìn)行比選，結(jié)合工程投資，選擇出符合該樞紐工程的導(dǎo)流洞斷面，既保證了施工工期，又節(jié)省了投資。

2）導(dǎo)流洞進(jìn)、出口底板高程確定在導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)中極其重要，不僅關(guān)系到導(dǎo)流洞施工期不受洪水的影響，也直接影響著導(dǎo)流洞調(diào)洪驗(yàn)算結(jié)果的正確性，影響洞徑斷面選擇。

3）導(dǎo)流洞洞徑選擇后，要進(jìn)行水力計(jì)算，復(fù)核選擇導(dǎo)流洞斷面是否滿足過(guò)流能力，若不滿足，應(yīng)重新進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)，也可能進(jìn)行軸線和體型調(diào)整。

4）在計(jì)算封堵體長(zhǎng)度上相差很大，絕不能采用其中一種方法確定其長(zhǎng)度，長(zhǎng)度太長(zhǎng)，會(huì)影響造價(jià)及施工工期，太短容易引起水力擊穿或者封堵體滑動(dòng)。在封堵體體型、受力等確定的前提下，采取幾種方法組合計(jì)算封堵體長(zhǎng)度，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)最終確定封堵體長(zhǎng)度。