前坪水庫(kù)導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)

馮 帥

（國(guó)家投資項(xiàng)目評(píng)審中心 北京 100037）

1 工程概況

前坪水庫(kù)位于淮河流域沙潁河支流北汝河上游，距河南省汝陽(yáng)縣城9 公里，控制流域面積1325km2，水庫(kù)總庫(kù)容5.84 億m3，是一座以防洪為主，結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)供水，兼顧發(fā)電效益的大（2）型水庫(kù)。前坪水庫(kù)可灌溉面積約50.80 萬(wàn)畝，每年可向下游城鎮(zhèn)提供生活及工業(yè)用水約6300 萬(wàn)m3，水電站裝機(jī)容量6000kW，多年平均發(fā)電量約1881 萬(wàn)kW·h。

2 建筑物級(jí)別及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

前坪水庫(kù)主壩建筑物級(jí)別為1 級(jí)，副壩、溢洪道、泄洪洞、輸水洞等建筑物級(jí)別為2 級(jí)，電站廠房建筑物級(jí)別為3 級(jí)。根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL303-2017），該水庫(kù)導(dǎo)流建筑物級(jí)別為4 級(jí)，相應(yīng)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。綜合考慮主壩結(jié)構(gòu)形式及現(xiàn)場(chǎng)地形條件，本次采用一次攔斷河床，導(dǎo)流洞和泄洪洞聯(lián)合泄洪的導(dǎo)流方式。

3 地質(zhì)條件

導(dǎo)流洞控制段底板基礎(chǔ)位于弱風(fēng)化安山玢巖上，巖體傾角裂隙發(fā)育，裂隙走向以北西向、北東向?yàn)橹?，受?gòu)造影響，巖體多呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，一組裂隙對(duì)洞臉右岸邊坡穩(wěn)定影響較大，存在洞臉和邊坡穩(wěn)定問(wèn)題。洞身段位于弱風(fēng)化安山玢巖中，巖體裂隙較發(fā)育，裂隙走向以北西向?yàn)橹?，主裂隙走向與洞身段軸線夾角大于50°，巖體完整性差，圍巖類別為Ⅲ類；斷層破碎帶位置巖體強(qiáng)度較低，穩(wěn)定性差，圍巖類別為Ⅳ類，建議采取支護(hù)措施。消能工段位于北汝河二級(jí)階地上，上部為壤土、粉質(zhì)粘土，厚度2.0～7.5m，中部為卵石層，厚度為5.0～14.5m，呈中密～密實(shí)狀，下伏礫巖，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)差。

4 導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)

4.1 平面布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程總體布局，前坪水庫(kù)導(dǎo)流洞位于大壩右岸山體內(nèi)，平面上呈直線型布置，主要分為上游明渠段、進(jìn)口控制段、洞身段、消能防沖段、出水渠段五部分，其中上游明渠段和進(jìn)口控制段位于主壩上游圍堰與右岸山體之間，明渠段總長(zhǎng)403.7m，底寬11.0m，由兩個(gè)直線段和一個(gè)圓弧段組成，通過(guò)扭坡和衡重式擋土墻與進(jìn)口控制段連接，進(jìn)口控制段順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度為10.0m。洞身段總長(zhǎng)323.3m，底坡比降為0.304%，前面漸變段部分底高程343.0m，隧洞出口底高程342.0m。消能防沖段和出水渠段位于主壩下游圍堰及電站之間，主要由一級(jí)消力池、二級(jí)消力池及海漫組成。

4.2 斷面尺寸確定

導(dǎo)流洞斷面型式和斷面尺寸的選擇主要考慮因素有滿足渡汛要求，不影響基坑工期，地質(zhì)條件允許，費(fèi)用相對(duì)較低，便于施工等。根據(jù)施工期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)流流量，并考慮導(dǎo)流洞地質(zhì)條件等因素，斷面型式選擇城門洞型，擬定方案一 （寬5.0m×高7.5m）、方案二（寬7.0m×高9.8m）及方案三（寬7.5m×高11.5m）進(jìn)行調(diào)洪演算，成果見表1。

由表1可知，導(dǎo)流洞洞寬和高度越大，泄流能力越大，相應(yīng)的最高水位越低，施工圍堰工程量越少。在表1中基礎(chǔ)上并考慮風(fēng)浪爬高和安全超高，方案一堰頂高程為379.3m，相應(yīng)圍堰填筑工程量為345萬(wàn)m3；方案二堰頂高程為374.4m，相應(yīng)圍堰填筑工程量為273 萬(wàn)m3；方案三堰頂高程為372.5m，相應(yīng)圍堰填筑工程量為246 萬(wàn)m3。三種方案對(duì)應(yīng)工程量及投資見表2。

表1 施工期調(diào)洪演算成果表

由表2可知，導(dǎo)流洞洞寬和高度越小，導(dǎo)流洞投資越少。經(jīng)計(jì)算，方案一較難滿足第三年汛前達(dá)到設(shè)計(jì)擋水高度的要求，同時(shí)由于圍堰高度增加，上游圍堰不能與壩體完全結(jié)合，造成大壩砂礫石填筑工程量增加約18 萬(wàn)m3，增加投資約682 萬(wàn)元；方案三能滿足第三年汛前達(dá)到設(shè)計(jì)擋水高度的要求，但投資較其他方案增加較多。綜合比較分析，本設(shè)計(jì)推薦方案二，導(dǎo)流洞斷面寬7.0m，高9.8m。

表2 導(dǎo)流洞工程量及投資表

4.3 進(jìn)口控制段設(shè)計(jì)

導(dǎo)流洞進(jìn)口前設(shè)置控制段，總長(zhǎng)10.0m，底板頂高程343.0m，孔口尺寸為7.0m×9.8m，底板厚2.5m，側(cè)墻及頂板均厚1.5～3.0m，封堵閘門前段頂板及側(cè)墻均為四分之一橢圓曲線，長(zhǎng)半軸為5.0m，短半軸為1.5m。

4.4 洞身段設(shè)計(jì)

洞身段總長(zhǎng)323.3m，呈直線布置，洞身比降0.304%，隧洞出口底高程342.0m，襯砌后洞身寬7.0m，高9.8m，其中直墻高7.2m，拱矢高2.6m，拱頂中心角146°。

4.4.1 初期支護(hù)措施

為保證隧洞圍巖穩(wěn)定及施工安全，在隧洞進(jìn)口（樁號(hào)導(dǎo)0+017.3～導(dǎo)0+062）及出口（樁號(hào)導(dǎo)0+332.6～導(dǎo)0+340.6）采用超前注漿管棚加鋼拱架支護(hù)，隧洞進(jìn)口（樁號(hào)導(dǎo)0+062～導(dǎo)0+072）采用鋼拱架支護(hù)，其他段頂拱及側(cè)墻采用掛網(wǎng)噴錨支護(hù)，系統(tǒng)錨桿采用Φ25 鋼筋，間排距3.0m，入巖4.0m，呈梅花形布置，鋼筋網(wǎng)為Φ8@200，噴10cm 厚C25混凝土。為保證襯砌與巖體的可靠連接，在洞頂120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿。為提高洞身周圍巖石的完整性，對(duì)洞身周圍巖體進(jìn)行固結(jié)灌漿，每個(gè)斷面設(shè)12 個(gè)灌漿孔，排距3.0m，孔深5.0m。

4.4.2 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

作用于導(dǎo)流洞襯砌上的荷載分為基本荷載和特殊荷載?；竞奢d主要有外水壓力、設(shè)計(jì)條件下的內(nèi)水壓力、襯砌自重、山巖壓力等，特殊荷載主要有校核水位時(shí)的內(nèi)水壓力和相應(yīng)的地下水壓力、施工時(shí)的灌漿壓力等。采用相關(guān)軟件對(duì)導(dǎo)流洞各種工況、不同部位進(jìn)行組合結(jié)構(gòu)計(jì)算，各種工況包括運(yùn)行期、完建期、施工期、封堵期間以及校核洪水期等，不同部位包括進(jìn)口漸變段、封堵體前段、封堵體后段、出口段等。計(jì)算結(jié)果表明在完成圍巖初期支護(hù)的情況下，建議分段采取不同的襯砌形式，進(jìn)口漸變段、穿越寬度較大的斷層破碎帶等Ⅳ類圍巖區(qū)采用C30 混凝土襯砌，厚度為1.2m，其他段襯砌厚度為0.7m。

4.5 消能防沖設(shè)計(jì)

導(dǎo)流洞中心線與右岸電站邊墻距離約36.5m，與左岸下游圍堰堰頭距離約76.5m，出口至下游河床范圍內(nèi)均為重粉質(zhì)壤土及砂礫石地基，抗沖能力相對(duì)較弱，消能防沖設(shè)施一旦失事或沖坑過(guò)大，將危及主壩、電站及下游圍堰安全。根據(jù)地形地質(zhì)條件，前坪水庫(kù)導(dǎo)流洞消能方式采用底流消能，同時(shí)考慮到導(dǎo)流洞上、下游水位差較大，且河道下切深度大，尾水深度較淺，為消能充分，經(jīng)計(jì)算和模型試驗(yàn)驗(yàn)證，導(dǎo)流洞采用二級(jí)消力池消能。

導(dǎo)流洞消能設(shè)施主要包括一級(jí)消力池、二級(jí)消力池及海漫等。一級(jí)消力池由出口擴(kuò)散段、斜坡段、水平段組成，出口擴(kuò)散段順?biāo)飨蜷L(zhǎng)55.0m，底寬由7.0m 擴(kuò)散至26.25m，底板為1.5m 厚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散段兩側(cè)通過(guò)扭坡與隧洞側(cè)墻及消力池?fù)鯄ι喜窟吰逻B接；斜坡段長(zhǎng)25.0m，寬度由26.25m 漸變至35.0m；水平段長(zhǎng)50.0m，池底高程336.5m，尾檻頂高程342.0m，底寬35.0m，底板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度由2.0m 漸變?yōu)?.85m，兩側(cè)由導(dǎo)堤及直墻構(gòu)成，高程349.0m 至342.0m 為坡比1∶2 的斜坡，采用1.0m 厚的鋼筋混凝土防護(hù)，高程342.0m 至消力池底板為扶臂式擋土墻。二級(jí)消力池順?biāo)飨蚩傞L(zhǎng)25.0m，斜坡段長(zhǎng)10.8m，水平段長(zhǎng)14.2m，底寬35.0m，采用0.8m 厚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板頂高程339.5m，尾檻頂高程340.3m，兩側(cè)邊坡坡比1∶2，采用0.4m 厚的鋼筋混凝土防護(hù)。海漫段順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)30.0m，底寬35.0m，底板頂高程339.5m，采用0.6m 厚的鋼筋混凝土防護(hù)，并設(shè)3 道糙條（高度0.3～0.5m），兩側(cè)導(dǎo)堤邊坡坡比均為1∶2，采用0.4m 厚的鋼筋混凝土護(hù)坡。

5 結(jié)語(yǔ)

導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘探資料和實(shí)施工程中出現(xiàn)的特殊地質(zhì)情況進(jìn)行優(yōu)化。前坪水庫(kù)導(dǎo)流隧洞于2015年10月開工建設(shè)，實(shí)施過(guò)程中結(jié)合地質(zhì)和揭露巖石情況將導(dǎo)流洞口下移17.3m，并對(duì)導(dǎo)流洞進(jìn)口漸變段和出口加強(qiáng)了支護(hù)。前坪水庫(kù)工程現(xiàn)已完成蓄水驗(yàn)收，導(dǎo)流洞經(jīng)歷了施工期、完建期、運(yùn)行期的考驗(yàn)，運(yùn)行情況良好，說(shuō)明設(shè)計(jì)方案基本合理，可供同類工程參考■