張磊房剛

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院 陜西 西安 710001）

1 工程概況

下坂地水利樞紐工程泄洪洞位于水庫大壩右岸，是下坂地水利樞紐重要泄洪建筑物，其主要任務(wù)是：施工期導(dǎo)流，運行期泄洪及水庫放空。因此泄洪洞采用一洞三用的型式布置，洞身橫斷面型式為圓拱直墻，尺寸由進口段7m×17.05m漸變過渡為7m×10.25m。泄洪底洞進口設(shè)計高程為2902m，進口位置河道底高程2897.88m，出口設(shè)計高程為2880m，出口位置河底高程為2886m,水流落差22m。泄洪洞采用鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，洞壁厚度按地質(zhì)條件不同分0.7m和1.0m兩種。在設(shè)計洪水位2960m下泄流量為825m3/s，校核洪水位2963.2m時下泄流量為850m3/s。泄洪洞最大流量920m3/s，最大流速30.9m/s。

2 地質(zhì)條件

泄洪洞進口段圍巖為角閃片巖及角閃片麻巖，以Ⅳ類圍巖為主，部分位置卸荷巖體為Ⅴ類。進口豎井四周巖性為角閃片麻巖，巖體較為完整，巖體類別為Ⅳ類，豎井基礎(chǔ)處為弱風(fēng)化的角閃片麻巖，其承載力為3.0MPa。

洞身段圍巖以Ⅲ類為主，弱～微風(fēng)化，巖體較完整，洞頂圍巖厚40m～300m，洞線方向85°13′，圍巖片麻理走向為312°，傾角62°，巖層走向與洞軸線夾角為47°左右，較有利于洞室穩(wěn)定。主應(yīng)力方向NE48°～NE52°，與洞線夾角33°～37°左右。洞身穿越6條寬度小于1.0m斷層帶，2條寬2m～3.5m的斷層帶，斷層及斷層影響帶位置隧洞圍巖類別為極不穩(wěn)定的Ⅴ類。

出口邊坡坡角為45°，邊坡表層巖體破碎，出口段洞室圍巖較完整，類別為穩(wěn)定性差的Ⅲ類或不穩(wěn)定的Ⅳ類。

出口消能采用挑流形式，消能區(qū)河床寬90m，岸坡平緩。河床組成物質(zhì)主要為沖積及冰磧的塊石和漂卵石，夾雜碎石或砂，呈松散或半松散狀，堆積厚約100m。

1.2 泄洪洞總體布置

泄洪洞布置于大壩右岸，斜穿壩肩山體分水嶺。洞軸線與壩軸線水平夾角99°18′。泄洪洞進口距離壩軸線850m，出口距離壩右坡腳600m。隧洞全長1425.85m，洞身長1346.85m，由進口段、豎井、洞身段、挑流鼻坎段組成。

進口段引渠樁號0+000m～0+049m，底板高程為2902m。其中隧洞進口前的扭面段樁號0+020m～0+049m。引渠斷面為梯形，底板寬11.0m，厚1m，引渠深13m，邊墻形式為重力式擋墻。

喇叭口段樁號為0+049m～0+056m，體型采用兩側(cè)墻及洞頂沿水流方向收縮的橢圓曲線。

樁號0+056m～0+100m洞斷面為長矩形。

豎井段樁號0+100m～0+126m，豎井底高程2902m，井高65.5m，豎井頂部啟閉機層為鋼筋砼排架結(jié)構(gòu)。樁號0+112.75m處設(shè)弧形工作閘門一扇，孔口尺寸5m×6m，動水下閘，靜水開啟豎井2921.9m高程設(shè)置液壓啟閉機平臺。

樁號0+126m～0+427.58m段為底洞洞身，圓拱直墻斷面，尺寸7m×10.25m。

樁號0+427.58 m～1+395.85m段為底洞、表孔共用洞段，其中0+427.58 m～0+527.56m段按挑射水平距離、水流沖濺高度設(shè)計斷面為圓拱直墻型，尺寸7m×17.05m～7m×10.25m；樁號0+527.56m～0+960m段圓拱直墻斷面尺寸為7×10.25m；樁號0+980m～1+395.85m段圓拱直墻斷面尺寸為7m×11.25m。底洞表孔公用洞段起始高程2902m，末尾高程2881.086m，洞底比降1.63%。

出口明涵段樁號1+395.85m～1+402.85m，圓拱直墻斷面，尺寸7m×9.50m。

挑流鼻坎段樁號1+402.85m～1+425.85m，鼻坎形式為右高左低、右長左短，矩形等圓弧擴散，底板寬從7m漸變?yōu)?6.17m（斜長），坎頂高程2883.27m～2885.97m，反弧半徑為51.54m。水流挑射角25.46°，最大挑距46m，最大沖坑深9.4m，受回流影響，右岸最大沖刷深13.5m。根據(jù)水工模型試驗情況，對鼻坎出口采用齒墻和基礎(chǔ)錨固方式進行抗沖加固。

3 泄洪建筑物等級

根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）的有關(guān)規(guī)定，確定下坂地水利樞紐為Ⅱ等大（2）型工程。泄洪洞按二級建筑物設(shè)計，抗震按8度設(shè)防。

4 泄洪洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1.1 結(jié)構(gòu)計算

a）基本假定

結(jié)構(gòu)計算按施工組織設(shè)計確定的全斷面洞室開挖方式選取計算簡圖。同時，根據(jù)不同的圍巖類型，采用不同的支護方式。

b）基本資料

特征水位（設(shè)計）：2963.20m

特征水位（校核）：2964.60m

特征水位（正常）：2960.00m

水庫死水位：2915.00m

地震設(shè)防烈度：8度

容重：混凝土為2.4t/m3，鋼筋砼為2.5t/m3，巖石干密度為2.84t/m3，巖石濕密度為2.85t/m3。

c）洞身結(jié)構(gòu)計算采用程序、基本參數(shù)

本工程為壓力進口明流隧洞，洞身除進口段為壓力段外，其余部位均為城門洞型斷面，采用中南院《SDCAD》軟件分別對各典型斷面進行結(jié)構(gòu)計算。

最終配筋結(jié)果是依據(jù)計算結(jié)果和施工過程中所采用的支護措施，并參照同類工程進行工程類比而進行選取。

（1）基本數(shù)據(jù)

①建筑物等級 2級建筑物

②安全系數(shù)

混凝土抗拉極限強度安全系數(shù)：

基本荷載組合： 1.8

特殊荷載組合： 1.6

混凝土強度安全系數(shù)：

基本荷載組合： 1.5

特殊荷載組合： 1.4

混凝土抗裂安全系數(shù)： 1.1

縫限制寬度： 0.3mm

③荷載及荷載組合

一般而言，完建而未通水時期、隧洞放空時期和通水而水頭最大時期，都是隧洞襯砌結(jié)構(gòu)容易發(fā)生破壞的時刻，設(shè)計時應(yīng)該定出各時期的荷載組合作為設(shè)計的依據(jù)。

本次設(shè)計分別按以下三種荷載組合情況進行計算：

正常運行工況（工況1）

內(nèi)水壓力+外水壓力+山巖壓力+襯砌自重+彈性抗力

檢修工況（工況2）

外水壓力+山巖壓力+襯砌自重+彈性抗力

施工工況（工況3）

灌漿壓力+山巖壓力+襯砌自重+彈性抗力

4.1.2 洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1.2.1 洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計總體原則

洞身襯砌厚度根據(jù)圍巖分類及隧洞斷面以及運行要求，采用工程類比確定。隧洞整體上以Ⅲ類圍巖為主，約占整個洞身段的80%以上。其余洞段基本上屬于Ⅳ類圍巖段，局部斷層影響破碎帶屬Ⅴ類圍巖。根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，當(dāng)圍巖為Ⅲ～Ⅴ類時宜采用鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。Ⅲ類圍巖段是否可以采用噴錨支護作為頂拱的永久支護，為保證施工期洞室的安全，結(jié)合永久支護，Ⅲ類圍巖洞段對頂拱進行噴混凝土支護，Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段全斷面噴護，對斷層破碎帶及影響帶根據(jù)需要可進行鋼行架支護。隧洞洞身進行全斷面布設(shè)固結(jié)灌漿及系統(tǒng)錨桿。

4.1.2.2 洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計具體情況

泄洪洞洞身橫斷面由7m×17.05m變?yōu)?m×10.25m的圓拱直墻型，襯砌厚度根據(jù)圍巖分類及所處的部位不同分別為0.6m及1.0m，分段長度基本為10m。

由于泄洪洞開挖斷面大，巖石片理和裂隙發(fā)育，斷層影響帶寬，為了確保施工順利進行，泄洪洞全斷面布置Φ22系統(tǒng)砂漿錨桿，噴護100mm厚的C20混凝土并局部掛鋼筋網(wǎng)。對于較大的斷層破碎帶采用鋼拱架支護、布置超前錨桿加掛鋼筋網(wǎng)的辦法進行處理，而對于側(cè)墻及底板的較小斷層采用挖除并用混凝土進行回填的方法進行處理。

泄洪洞洞身段全斷面進行固結(jié)灌漿及在頂拱范圍內(nèi)進行回填灌漿。灌漿按照先回填后固結(jié)的順序依次進行，其質(zhì)量檢查按《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》（SL62-94）執(zhí)行，同時作聲波測試。

大壩建成后，大壩帷幕線之前的裂隙水更為豐富，為防止裂隙水對泄洪洞襯砌結(jié)構(gòu)影響，在泄洪洞內(nèi)設(shè)置排水孔，灌漿帷幕之前，排水孔要求深入巖石0.1m，灌漿帷幕之后，排水孔要求深入巖石4m。

4.2 出口段結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.2.1 明涵及明槽段結(jié)構(gòu)設(shè)計

出口明涵橫斷面尺寸與洞身段相同，結(jié)構(gòu)計算采用《水利水電工程PC-1500程序集》中明涵計算程序進行，襯砌材料為C30W6F300鋼筋混凝土，厚度1.0m，頂拱設(shè)排水孔，為防止坡面滾石撞砸頂拱，涵頂回填2m厚石碴。

出口明槽為矩形槽結(jié)構(gòu)，按整體進行結(jié)構(gòu)計算，襯砌材料為C30W6F300鋼筋混凝土。

4.2.2 挑流鼻坎段結(jié)構(gòu)設(shè)計

挑流鼻坎體型經(jīng)多次優(yōu)化并進行水工模型試驗驗證后修改而成，設(shè)計為矩形等圓弧擴散，反弧半徑為51.54m，底寬從7m漸變?yōu)?6.17m。左右邊墻設(shè)計為斜直墻，斜率和鼻坎前擴散段相同，鼻坎底圓弧半徑45m，挑角26°17′，鼻坎末底緣圓弧半徑為12.5m，鼻坎齒墻入基巖14.85m，鼻坎中心線頂高程2885.25m。

受回流影響，右岸最大沖刷深13.5m。根據(jù)水工模型試驗情況，對鼻坎出口采用齒墻和基礎(chǔ)錨固方式進行抗沖加固。

4.2.3 出口坡面處理

泄洪洞出口段自然邊坡坡角45°左右，受裂隙切割影響，邊坡巖體表層風(fēng)化破碎，出口段洞室?guī)r體較完整，為局部穩(wěn)定性差的Ⅲ類～不穩(wěn)定的Ⅳ類圍巖。建設(shè)單位委托有關(guān)科研單位對其穩(wěn)定性進行了計算分析，設(shè)計根據(jù)科研單位的分析報告，采用系統(tǒng)錨桿及掛網(wǎng)噴護等措施對泄洪洞出口坡面進行了加固處理設(shè)計。

5 結(jié)束語

下坂地水利樞紐泄洪洞自2007年竣工以來，已安全運行多年，實際運行效果證明泄洪洞工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的。陜西水利

[1]水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（S L/T 191-96）

[2]楊宗仁，金盆水利樞紐溢洪洞洞身及出口結(jié)構(gòu)設(shè)計簡介[J]，陜西水利，2009年01期