貴州省納壩水庫小流量引水隧洞優(yōu)化設(shè)計(jì)

（中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東廣州 510610）

1 工程概述

我國西南地區(qū)受地形限制，人口及灌面布置較分散，一般采用分散水源進(jìn)行供水和灌溉，引水規(guī)模較小。當(dāng)這些小流量引水工程取水建筑物采用隧洞型式時(shí)，隧洞的設(shè)計(jì)尺寸一般受最小施工斷面控制。按最小施工斷面控制的隧洞施工難度大，實(shí)際施工單價(jià)高，工程竣工決算容易超出初設(shè)概算。如何優(yōu)化小流量引水隧洞的結(jié)構(gòu)和布置，是關(guān)系到工程工期和投資的重要問題。本文依托貴州納壩水庫開展引水隧洞優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

納壩水庫工程位于貴州省黔西南州望謨縣望謨河的一級(jí)支流納壩河上，壩址位于納壩河與望謨河匯合口上游約1 km河段上，距望謨縣城約12 km。納壩水庫工程的主要任務(wù)是防洪、供水和農(nóng)田灌溉。工程規(guī)模為中型，大壩為2級(jí)建筑物，取水和泄洪等建筑物為3級(jí)建筑物。水庫正常蓄水位790 m，死水位759 m。年城鎮(zhèn)供水量679萬m3，年灌溉供水量52.3萬m3。引水隧洞最大引水流量為0.425 m3/s，其中供水灌溉流量0.356 m3/s，生態(tài)流量0.069 m3/s。該工程于2013年6月開工建設(shè)，2017年3月下閘蓄水，2019年完成竣工驗(yàn)收。

2 工程基本地質(zhì)條件

工程總體布置示意見圖1。原引水隧洞布置于右岸，泄洪放空兼導(dǎo)流洞布置于左岸，兩條隧洞地質(zhì)條件類似。洞室圍巖依次為三疊系中統(tǒng)邊陽組第二段（T2b2）青灰色中至厚層狀細(xì)砂巖、粉砂巖夾泥頁巖，三疊系中統(tǒng)邊陽組第一段（T2b1）泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖夾鈣質(zhì)砂巖，三疊系下統(tǒng)羅樓組（T1ll）淺灰、青灰色薄～中厚層狀頁巖夾少量粉砂質(zhì)頁巖。洞室除進(jìn)出口段處于強(qiáng)、弱風(fēng)化外，其余洞段處于新鮮巖體內(nèi)。洞段基本位于地下水位之下，圍巖透水性小，施工中地下水干擾較弱。

圖1 工程總體布置示意

3 初步設(shè)計(jì)方案

3.1 方案布置

初步設(shè)計(jì)水庫樞紐工程總體布置推薦方案為：河床布置混凝土面板堆石壩，左岸布置溢洪道及泄洪放空洞，右岸布置引水隧洞。

（1）引水隧洞工程布置。引水隧洞布置在大壩右岸，由進(jìn)口段、閘門井段、洞身段和高位水池組成，總長305.5 m，如圖2所示。根據(jù)環(huán)評(píng)對(duì)取水水溫的要求，進(jìn)口采用分層取水方式，分兩層取水，進(jìn)口底板高程分別為773 m和756 m。高程773 m以上閘門井段采用明挖方式，以下部分采用豎井開挖。高程756 m進(jìn)口前設(shè)有壓圓型引水隧洞，長28.0 m，洞徑2.5 m。兩層進(jìn)水口垂直水流方向平行布置，各設(shè)一扇攔污柵和平板事故閘門。閘門井與岸邊用交通橋連接。洞身段總長243.00 m，進(jìn)口底板高程756.00 m，出口底板高程753.57 m，底坡i=0.01。洞身段為有壓取水隧洞，洞徑1.5 m，隧洞出口接錐形閥室，后設(shè)300 m3高位水池，池后接生態(tài)環(huán)境水管和輸水管。

圖2 引水隧洞縱剖面示意

（2）泄洪放空隧洞工程布置。泄洪放空隧洞由導(dǎo)流洞改建而成，布置在大壩左岸，型式為進(jìn)口段設(shè)置有壓短洞的無壓泄洪隧洞，由進(jìn)口有壓洞段、閘門井段、“龍?zhí)ь^”段和導(dǎo)流洞段組成。進(jìn)口有壓洞段長75 m，為圓形斷面，洞徑3.0 m。閘門井為矩形井筒式結(jié)構(gòu)，高46.7 m，設(shè)一扇事故閘門和一扇工作門?！褒?zhí)ь^”段長80 m，斷面尺寸從1.5 m×2.5 m漸變到4.6 m×5.5 m。龍?zhí)ь^段后利用導(dǎo)流洞段總長220 m，底坡i=0.03，為無壓泄水隧洞，斷面尺寸4.6 m×5.5 m，出口采用底流消能。泄洪放空洞下泄洪水時(shí)，設(shè)計(jì)洪水位最大泄量64 m3/s，校核洪水位最大泄量67 m3/s。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)原因

主要從工期、投資及安全3個(gè)方面考慮對(duì)小直徑隧洞進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的原因。

（1）根據(jù)當(dāng)?shù)匾话闫髽I(yè)的施工能力，如此小的施工尺寸，施工通風(fēng)及出渣等均較難布置，機(jī)械化施工難度較大，工期得不到保障，引水隧洞的施工工期存在由非關(guān)鍵線路變成制約工程進(jìn)度的關(guān)鍵線路的較大風(fēng)險(xiǎn)。

（2）隨著人工工資的上漲，小斷面隧洞石方開挖、鋼筋制安和混凝土澆筑等的實(shí)際發(fā)生單價(jià)均較概算定額[1]的標(biāo)準(zhǔn)要高，若不進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，工程竣工決算勢(shì)必會(huì)超出初設(shè)概算。

（3）原設(shè)計(jì)的引水隧洞的洞徑僅1.5 m，一般施工人員都無法直立工作，安全隱患很大，且與規(guī)范要求不符。SL 279-2002《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]規(guī)定的圓形斷面內(nèi)徑不宜小于1.8 m，而SL 279-2016《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]考慮我國生活水平的提高、人們的健康水平改善以及整體身高水平增加等因素，最小施工內(nèi)徑提高為2.0 m。

4 方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)化原則

方案優(yōu)化后不能改變工程的功能和規(guī)模，因此工程優(yōu)化基本原則為：保持引水的規(guī)模和功能不變，滿足引水流量和供水灌溉高程；滿足環(huán)評(píng)對(duì)取水水溫的要求，保持分層取水的結(jié)構(gòu)布置不變；不能影響泄洪建筑物的功能。

4.2 優(yōu)化思路

工程最大引水流量僅0.425 m3/s，流量較小，優(yōu)化總體思路是用一根引水管代替引水隧洞引水，引水管結(jié)合現(xiàn)有泄洪放空洞進(jìn)行布置。現(xiàn)從分層取水、泄洪規(guī)模和運(yùn)管等方面分析優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。

（1）泄洪洞有壓洞段頂高程與引水隧洞2號(hào)進(jìn)水口的底高程均為756 m，分層取水方面具備優(yōu)化條件。

（2）導(dǎo)流洞段斷面型式為4.6 m×5.5 m的城門洞型，下泄最大洪水時(shí)，水面線最大摻氣水深約1.5 m，低于高3.2 m的直墻，適當(dāng)縮窄后不會(huì)影響泄洪功能，泄洪規(guī)模方面具有優(yōu)化條件。

（3）若取消右岸引水隧洞、閘門井和交通橋，由左岸鋼管代替，引、泄水建筑物均集中在左岸，更加緊湊和順暢，有利于后期運(yùn)行維護(hù)，運(yùn)管方面具有優(yōu)化條件。

4.3 優(yōu)化方案

優(yōu)化方案取消右岸引水隧洞，增設(shè)引水管道與左岸泄洪放空洞相結(jié)合。

4.3.1 管徑設(shè)計(jì)

綜合考慮引水管線和輸水管線的管徑及高位水池水位，要保證供水灌溉規(guī)模不變。引水鋼管分閘門井前后兩段考慮。閘門井之前鋼管長約75 m，鋼管尺寸主要考慮因素是有壓洞段襯砌結(jié)構(gòu)、事故閘門的尺寸和進(jìn)口攔污柵的過柵流速。最終確定進(jìn)口段鋼管尺寸為壁厚8.00 mmDN800鋼管，事故閘門尺寸0.8 m×0.8 m，攔污柵尺寸1.0 m×1.0 m。閘門井之后段鋼管長約300 m，鋼管尺寸主要考慮因素是線路水頭銜接、泄洪洞流態(tài)及鋼管與導(dǎo)流洞段的結(jié)合。鋼管直徑越大占用導(dǎo)流洞段空間越大，鋼管施工布置越難，泄洪流態(tài)越不易控制，出口消力池所需尺寸越大；鋼管直徑越小，水頭損失越大，與下游輸水線路水力銜接越難。最終選擇DN450鋼管，壁厚8 mm，該尺寸布置較容易，泄洪洞剩余尺寸滿足泄洪消能要求，僅水頭損失略大。經(jīng)計(jì)算[4]，總水頭損失達(dá)15.86 m，上游最低庫水位為759.00 m，故高位水池水位需調(diào)整到742.00 m。工程通過擴(kuò)大部分供水管線尺寸以減小線路水頭損失，彌補(bǔ)高位水池調(diào)整帶來的影響，以保持線路供水能力不變。經(jīng)復(fù)核，輸水灌溉管道前1.6 km管線由DN500擴(kuò)大為DN630可滿足要求。

4.3.2 鋼管和隧洞結(jié)合設(shè)計(jì)

鋼管和隧洞結(jié)合設(shè)計(jì)包括進(jìn)口段、“龍?zhí)ь^”段和導(dǎo)流洞段，見圖3。

（1）進(jìn)口段長約75.0 m，DN800壓力鋼管布置在隧洞左上角襯砌內(nèi)，洞口中心線高程756.0 m，可保證進(jìn)水口高程與原方案基本一致；

（2）“龍?zhí)ь^”段長約80 m，為減少對(duì)“龍?zhí)ь^”段的影響，便于與導(dǎo)流洞段銜接，DN450壓力鋼管布置在隧洞左下角襯砌內(nèi)，左下角開挖斷面適當(dāng)加大；

（3）導(dǎo)流洞段長約220 m，DN450壓力鋼管布置在隧洞左側(cè)，外包二期混凝土寬0.8 m，高1～2.5 m。

4.3.3 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泄洪放空洞的進(jìn)口事故閘門和工作閘門、1號(hào)進(jìn)水口的攔污柵和隔水事故閘門以及出口工作閥均維持不變。僅對(duì)2號(hào)進(jìn)水口的攔污柵和事故閘門等配合引水鋼管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2號(hào)進(jìn)水口的攔污柵為粗格直柵，預(yù)埋螺栓固定，不設(shè)專門清污設(shè)備。攔污柵孔口尺寸為1.0 m×1.0 m，設(shè)計(jì)水頭為4.0 m。事故閘門為潛孔平面滑動(dòng)鋼閘門，下游止水，利用水柱動(dòng)水閉門，小開度提門充水平壓啟門，由1臺(tái)250kN固定卷揚(yáng)機(jī)配拉桿操作。事故閘門孔口尺寸為0.8 m×0.8 m，設(shè)計(jì)水頭為40.0 m。在消力池末端管線最低處增設(shè)一個(gè)排污口，排污口設(shè)偏心半球閥作為工作閥。

圖3 鋼管布置（單位：m）

4.3.4 閘門井設(shè)計(jì)

引水洞和泄洪洞兩閘門井功能合并到泄洪洞閘門井內(nèi)，閘門井采用上大下小的結(jié)構(gòu)型式，閘門井結(jié)構(gòu)圖見圖4。高程771.0 m以下尺寸受2號(hào)進(jìn)水口和泄洪洞的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備影響，斷面尺寸為14.5 m×9.3 m；高程771.0 m以上的尺寸受1號(hào)進(jìn)水口、2號(hào)進(jìn)水口和泄洪洞的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備影響，斷面尺寸為14.5 m×12.5 m。閘門井內(nèi)1號(hào)進(jìn)水口在事故門之后漸變到DN450壓力鋼管，壓力鋼管沿閘門井側(cè)墻向下布置，在高程756.0 m與2號(hào)進(jìn)水壓力鋼管通過三通管連接。

4.3.5 泄洪放空洞優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖4 閘門井結(jié)構(gòu)（單位：m）

泄洪放空洞進(jìn)口段、事故門和工作門的布置和尺寸均維持不變，僅龍?zhí)ь^段末端及導(dǎo)流洞段的過流寬度由原來的4.6 m變?yōu)?.8 m，泄洪放空洞的泄流能力不變，變窄后水深增加，最大摻氣水深由1.49 m增加到1.92 m，滿足規(guī)范[3]要求。

4.3.6 方案優(yōu)化前后對(duì)比

方案優(yōu)化前后，工程結(jié)構(gòu)主要變化對(duì)比詳見表1。

工程優(yōu)化后，節(jié)省投資約53萬元，泄洪放空系統(tǒng)和引水系統(tǒng)互相獨(dú)立，不影響各自的功能和使用，泄洪放空系統(tǒng)泄流規(guī)模不變，引水系統(tǒng)的引水能力不變，分層取水功能不變。

4.3.7 優(yōu)化方案總體布置

引水系統(tǒng)由高程773.0 m的1號(hào)引水隧洞、高程756.0 m的2號(hào)引水壓力鋼管、龍?zhí)ь^段壓力鋼管、導(dǎo)流洞段壓力鋼管、出口消力池段壓力鋼管和高位水池組成。總體布置見圖5。1號(hào)引水隧洞斷面為直徑2.0 m圓形洞，在閘門井內(nèi)布置攔污柵和檢修門，檢修門之后隧洞漸變到DN450壓力鋼管，壓力鋼管沿閘門井側(cè)墻向下布置，在高程756 m與2號(hào)引水壓力鋼管通過三通管連接。2號(hào)引水壓力鋼管進(jìn)口布置在高程756 m有壓洞襯砌的外側(cè)，長75 m；在閘門井內(nèi)布置檢修門，檢修門之后漸變到DN450壓力鋼管，之后和1號(hào)洞的引水管通過三通管連接，龍?zhí)ь^段壓力鋼管布置在隧洞襯砌的底部，長80 m；到導(dǎo)流洞段，鋼管布置在隧洞左側(cè)，外包混凝土，長220 m；出口消力池段，鋼管依然采用外包混凝土布置，長50 m，在消力池尾部布置鎮(zhèn)墩，壓力鋼管從鎮(zhèn)墩處轉(zhuǎn)彎向上接到高位水池，鎮(zhèn)墩處設(shè)排污閥1個(gè)。壓力鋼管出口高程設(shè)置錐形閥，錐形閥后接高位水池。

表1 方案優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)變化對(duì)比

圖5 三洞合一縱剖面示意

5 結(jié)論

（1）當(dāng)引水流量較小時(shí)，采用鋼管代替隧洞是一種可選的設(shè)計(jì)方案。充分利用其他隧洞的支護(hù)結(jié)構(gòu)和多余空間布置鋼管，使各建筑物功能互不干擾，是優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

（2）納壩水庫通過把引水、泄洪放空和導(dǎo)流3種功能合而為一，優(yōu)化了工程布置，能降低了施工難度和安全隱患，節(jié)省了工程投資，保障了施工工期。

（3）引水隧洞優(yōu)化后對(duì)工程的規(guī)模、功能、運(yùn)行和生態(tài)環(huán)境等無不利影響，運(yùn)行至今，工程防洪度汛、供水和灌溉等運(yùn)行狀況良好。