花甲水庫工程施工導(dǎo)流建筑物設(shè)計

何 迎 奇

1 工程概況

花甲水庫位于貴州省黔南州貴定縣盤江鎮(zhèn)馬場河社區(qū)新沿村馬場河上，壩址以上流域面積63.6 km2，水庫距貴定縣城約16 km?？値烊? 635 萬m3，興利庫容2 064 萬m3，工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，其永久性主要水工建筑物級別為3 級。水庫工程任務(wù)是以縣城供水為主，兼有人飲及農(nóng)田灌溉。大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高67 m，壩體填筑量約57 萬m3。

2 壩址處地質(zhì)條件

壩址處河谷為不對稱U 形橫向谷，左岸坡地形下陡上緩，右岸坡地形上陡下緩，上部為陡巖，河床寬20 m左右。壩區(qū)兩岸基巖多裸露，僅在兩岸緩坡地帶、坡腳及河床一帶有覆蓋層分布。壩區(qū)地層為二疊系下統(tǒng)梁山組（P1l）、石炭系中統(tǒng)黃龍組（C2h）、下統(tǒng)擺佐組（C1b）、大塘組（C1d）及第四系（Q）。壩基巖體主要為C1d1淺灰至深灰色薄層至中厚層細(xì)粒石英砂巖，間夾薄層砂巖、頁巖及炭質(zhì)頁巖；壩肩巖體主要由C1d1、C1d2、C1b、C2h 的中厚層至厚層白云巖、灰質(zhì)白云巖及石英砂巖夾頁巖組成。壩基、壩肩巖體為中硬-硬質(zhì)巖夾軟質(zhì)巖類，巖體質(zhì)量總體為AⅢ2-CⅣ類，力學(xué)指標(biāo)一般。

3 導(dǎo)流建筑物級別及導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》和《水利水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，結(jié)合本工程實際情況，確定相應(yīng)導(dǎo)流建筑物為5 級。大壩為混凝土面板堆石壩，工程規(guī)模不大，導(dǎo)流流量較小，大壩堆石體全斷面同時填筑上升最為經(jīng)濟(jì)，施工最為簡單方便，工期最短。根據(jù)施工洪水、大壩工程規(guī)模和工程實際情況，設(shè)計考慮壩體在第1 個枯水期填筑至度汛高程以上，第2個枯水期時填筑完成，結(jié)合壩址地形地質(zhì)條件，設(shè)計采用全斷面圍堰法隧洞導(dǎo)流方案。上、下游圍堰枯水期擋水，汛期壩體臨時斷面攔洪度汛，隧洞全年導(dǎo)流。

導(dǎo)流建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)為：（1）為保證1 個枯水期將大壩填筑至攔洪度汛高程，導(dǎo)流擋水建筑物和導(dǎo)流泄水建筑物按枯水期（10 月—翌年5 月）5 年一遇（P=20%）洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，Q=65.0 m3∕s；下游圍堰堰頂高程根據(jù)度汛下泄洪水流量確定，Q=133 m3∕s。（2）大壩施工度汛標(biāo)準(zhǔn)采用20 年一遇（P=5%）全年洪水，洪峰流量Q=259 m3∕s。

4 導(dǎo)流建筑物工程布置

導(dǎo)流建筑物包括導(dǎo)流隧洞、上游圍堰和下游圍堰。

導(dǎo)流隧洞布置于左岸，由進(jìn)口引渠段、閘井段、洞身段和出口明渠段組成。進(jìn)口引渠段長21.61 m，底板高程993.50 m；閘井段長4.0 m，閘井設(shè)封堵鋼閘門1扇，孔口尺寸為3.50 m×4.34 m，閘井底板高程取為994.00 m；洞身段采用城門洞型斷面，隧洞進(jìn)口底板高程設(shè)計為994.00 m，出口底板高程設(shè)計為990.90 m，洞身段長307 m，底坡設(shè)計為1%，隧洞布置有兩處轉(zhuǎn)彎，第1 處轉(zhuǎn)彎位于隧洞0+034.09—0+057.56 處，轉(zhuǎn)彎半徑為25 m，角度為54°；第2 處轉(zhuǎn)彎位于隧洞0+264.49—0+283.51 處，轉(zhuǎn)彎半徑為25 m，角度為44°；出口明渠段長21.24 m，底坡設(shè)計為1%。

上游圍堰位于大壩河床趾板上游約40 m 處，該處河床基礎(chǔ)巖石裸露，覆蓋層較薄，為充分利用開挖料，節(jié)約工程投資，圍堰型式考慮采用土石圍堰。

下游圍堰位于大壩下游壩腳處。為節(jié)約工程投資，設(shè)計考慮施工期利用C20混凝土截流墻兼作下游圍堰。

5 導(dǎo)流建筑物設(shè)計

5.1 導(dǎo)流隧洞設(shè)計

5.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

導(dǎo)流隧洞進(jìn)口引渠段和出口明渠段采用梯形斷面，巖石開挖邊坡1∶0.5，表面覆蓋層開挖邊坡1∶1。

洞身段采用城門洞型斷面，在滿足導(dǎo)流要求的情況下，為便于機械化施工，隧洞開挖斷面寬度設(shè)計為4.30 m，直墻段高設(shè)計為3.70 m，頂拱中心角為120°，半徑為2.48 m。樁號0+000.00—0+155.00 洞室周邊圍巖主要為中厚層細(xì)粒石英砂巖夾薄層砂巖及頁巖，總體屬Ⅲ類圍巖，邊墻和頂拱噴5 cm 厚的C20 混凝土，底板采用0.2 m厚C15 混凝土找平；樁號0+155.00—0+175.00 洞室周邊圍巖主要為薄層石英砂巖夾頁巖、炭質(zhì)頁巖及薄至中厚層灰?guī)r，總體屬Ⅳ類圍巖，邊墻和頂拱采用0.4 m 厚、底板采用0.3 m 厚C20 鋼筋混凝土襯砌；樁號0+175.00—0+302.96 洞室周邊圍巖主要為薄至中厚層層灰?guī)r、中厚層細(xì)粒石英砂巖，局部夾薄層砂巖及頁巖，總體屬Ⅲ類圍巖，邊墻和頂拱噴5 cm 厚的C20 混凝土，底板采用0.2 m 厚C15 混凝土找平；樁號0+302.96—0+306.96 洞室周邊圍巖主要為中厚層細(xì)粒石英砂巖，局部夾薄層砂巖及頁巖，總體屬Ⅳ類圍巖，邊墻和頂拱采用0.4 m 、厚底板采用0.3 m 厚C20 鋼筋混凝土襯砌。

5.1.2 水力計算

導(dǎo)流隧洞過5 年一遇（P=20%）10 月—翌年5 月枯期洪水時考慮為無壓過流方式。隧洞底坡為陡坡，泄流能力不受洞長影響，按短洞工作狀態(tài)考慮，進(jìn)口水流為寬頂堰流，采用下列公式計算堰上總水頭：

式中

Q——流量；

b——矩形隧洞過水?dāng)嗝娴膶挾龋?/p>

m——流量系數(shù)；

σs——淹沒系數(shù)；

H0——上游總水頭。

經(jīng)過計算，導(dǎo)流隧洞在過導(dǎo)流設(shè)計流量65 m3∕s 時，堰上總水頭H0為5.36 m。導(dǎo)流隧洞洞身為無壓流，過流能力采用明渠均勻流公式計算：

式中A——水流的斷面面積；

R——水力半徑，等于面積與濕周的比值；i——隧洞的底坡；

C——其值與隧洞的糙率n和水力半徑R有

n——隧洞的糙率，對鋼筋混凝土襯砌斷面取0.015，對噴混凝土斷面取0.021。

經(jīng)計算，噴混凝土斷面底寬為4.2 m，水深為3 m時，其過流能力為69.08 m3∕s；鋼筋混凝土襯砌斷面底寬為3.5 m，水深為3 m 時，其過流能力為74.83 m3∕s，而導(dǎo)流設(shè)計流量為Q=65 m3∕s，設(shè)計隧洞斷面過流能力滿足要求；并且導(dǎo)流洞洞內(nèi)水面線以上凈空面積占隧洞斷面總面積最小值為19.21%，滿足規(guī)范關(guān)于無壓隧洞的規(guī)定，故設(shè)計隧洞斷面滿足導(dǎo)流要求。

5.2 上游圍堰設(shè)計

5.2.1 堰頂高程確定

堰頂高程=上游施工洪水靜水位+波浪高+安全超高

（1）上游設(shè)計洪水靜水位為隧洞在10 月—翌年5 月的20%施工洪水時庫區(qū)水位，經(jīng)過計算為5.36 m。

（2）安全超高：根據(jù)圍堰級別，土石圍堰取為0.5 m。

（3）波浪高：對于內(nèi)陸峽谷水庫，當(dāng)W<20 m∕s，D<20 000 m 時，波浪的波高可采用官廳水庫公式計算：

式中h——當(dāng)gD∕W2=20～250 時，為累積頻率5%的波高h(yuǎn)5%，m；當(dāng)gD∕W2=250～1 000 時，為累積頻率10%的波高h(yuǎn)10%，m。

根據(jù)水文資料和地形條件，計算得h5%=0.39 m。土石堰頂高程=994.00+5.36+0.5+0.39=1 000.25（m）。

5.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

上游圍堰采用土石圍堰黏土心墻防滲。計算P=20%的10 月—翌年5 月枯期導(dǎo)流流量65 m3∕s，考慮超高后堰頂高程取為1 000.30 m，堰頂長136 m，堰頂設(shè)計寬為3 m，最大堰高7.3 m，斷面形式為梯形，迎水面坡度為1∶2，背水面坡度為1∶2，迎水面采用塊石護(hù)坡。黏土防滲心墻上下游側(cè)坡度為1∶0.25。

5.3 下游圍堰設(shè)計

下游圍堰堰頂高程根據(jù)度汛最大下泄洪水流量確定。汛期導(dǎo)流洞最大下泄流量為133 m3∕s，相應(yīng)下游水位為994.10 m，不考慮波浪影響，考慮0.5 m 安全加高，則堰頂高程應(yīng)不低于994.60 m。

為滿足運行期大壩壩基、壩體滲流量監(jiān)測需要，本工程下游壩腳處設(shè)計有截流墻及量水堰。截流墻采用C20 混凝土澆筑，墻頂長96 m，墻頂高程為995.19 m，墻頂寬0.4 m，上下游坡度均為1∶0.24，墻底高程989.00 m，墻底寬3 m，最大墻高6.19 m。墻頂高程高于994.60 m，為節(jié)約工程投資，設(shè)計考慮施工期利用截流墻作為下游圍堰，待大壩填筑完成后再對其進(jìn)行改造成量水堰。

截流墻采用C20 混凝土澆筑，需在子堰圍護(hù)下施工，根據(jù)施工進(jìn)度計劃安排，下游圍堰施工時間為9 月中下旬，子堰堰頂高程根據(jù)9 月份5 年一遇洪峰流量確定。根據(jù)水文計算成果，壩址處9 月份5 年一遇洪峰流量為36.70 m3∕s，洪水位為992.80 m，偏安全考慮，設(shè)計子堰堰頂高程為993.00 m，堰頂長62 m，底部高程為990.50 m，最大堰高2.5 m，子堰采用編織袋裝黏土堆筑，迎水面坡度為1∶1，背水面坡度1∶0.5，堰頂寬0.5 m。

5.4 圍堰基礎(chǔ)防滲設(shè)計

由于河床淺部強風(fēng)化及弱風(fēng)化基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，透水性較強，巖體透水率基本都大于20 Lu，局部達(dá)50 Lu 以上，為避免圍堰發(fā)生較大的滲漏，擬沿圍堰軸線布置一排帷幕孔，孔距均為3 m，鉆孔平均伸入基巖5 m。上游圍堰設(shè)計帷幕孔47個，總進(jìn)尺321 m，有效進(jìn)尺235 m，無效進(jìn)尺86 m，下游圍堰利用截流墻，設(shè)計帷幕孔34個，總進(jìn)尺238 m，有效進(jìn)尺170 m，無效進(jìn)尺68 m。

6 結(jié) 語

花甲水庫大壩為混凝土面板堆石壩，導(dǎo)流流量不大，設(shè)計采用全斷面圍堰法隧洞導(dǎo)流，大壩堆石體全斷面同時填筑上升，施工方便，干擾小。目前大壩已順利填筑完成，即將下閘蓄水。全斷面圍堰法隧洞導(dǎo)流在花甲水庫工程施工中取得了較好的效果，為其他類似水利水電工程導(dǎo)流設(shè)計施工提供了寶貴經(jīng)驗，可供借鑒。