張　丹，李　偉

(1.遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義　563000；2.西北農(nóng)林科技大學，陜西 楊凌　712100)

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遵義下壩水庫取放水隧洞建筑物優(yōu)化設計

張丹1，李偉2

(1.遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義563000；2.西北農(nóng)林科技大學，陜西 楊凌712100)

摘要：針對下壩水庫地形地貌、地質(zhì)條件循特點，現(xiàn)場踏勘后綜合考慮工程占地、施工難度及工程投資等因素，優(yōu)選“利用導流隧洞改為有壓取水/放空隧洞”的一洞三用取放水方案.經(jīng)水力計算、隧洞襯砌計算、應力穩(wěn)定性復核等論證分析，結(jié)果表明:隧洞建筑物結(jié)構(gòu)、過流能力、襯砌裂縫寬度和穩(wěn)定性等，均滿足規(guī)范要求，優(yōu)化設計方案具有一定的技術可行性和經(jīng)濟合理性.

關鍵詞：遵義；下壩水庫；導流隧洞建筑物；取放水；穩(wěn)定復核

1工程概況

下壩水庫位于桐梓河左岸二級支流混子河支流三岔水，屬于長江流域赤水河水系.壩址以上流域面積32.0 km2，多年平均徑流量1 730萬m3，多年平均降水量1 083.4 mm.水庫正常蓄水位1 000.00 m，死水位978.00 m，正常庫容923萬m3，總庫容1 236萬m3，年供水能力1 063萬m3/a.工程任務為城市供水、農(nóng)村人飲和農(nóng)田灌溉(恢復)，為Ⅲ等中型水庫.

水庫樞紐主要由攔河大壩、溢洪道和取放水隧洞等建筑物組成.大壩(混凝土面板堆石壩)最大壩高48.0 m，水庫無重大防洪對象，故大壩、泄水建筑物、取放水隧洞建筑物按3級建筑物設計；永久性次要建筑物按4級建筑物設計，臨時性建筑物按5級建筑物設計.[1]

2取放水隧洞工程地質(zhì)條件

水庫取放水隧洞布置于左岸，沿線地面高程958.00～1 042.00 m，一般埋深30～50 m，最大埋深75 m.沿線穿越地層依次為奧陶系下統(tǒng)湄潭組第一段(O1m1)砂質(zhì)頁巖為主，夾粉砂巖、灰?guī)r，第二段(O1m2)中厚層灰?guī)r夾粉砂巖，第三段(O1m3)砂質(zhì)頁巖夾粉砂巖，巖層產(chǎn)狀N54°W/SW∠12°，基巖強風化深5～8 m，區(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造不發(fā)育，構(gòu)造以裂隙為主，主要發(fā)育有：①N75°E/NW∠80°，②N25°W/SW∠60°，③SN⊥，受裂隙切割，巖體較破碎，巖體強風化帶完整性較差.洞身多處于碎屑巖地層內(nèi)，地下水主要為基巖裂隙水，發(fā)生巖溶涌水的可能性較小.

隧洞進口閘井段多被第四系殘坡粘砂質(zhì)粘土層覆蓋，厚1.5 m左右，局部基礎出露，基巖巖性為O1m1砂質(zhì)頁巖、粉砂巖.閘井基礎在清除覆蓋層后置于O1m1強風化層中下部相對完整巖體上，并對局部裂隙進行適當工程處理后，其承載力能滿足上部建筑物要求.

洞身段出露地層為O1m1～O1m3砂質(zhì)頁巖、粉砂巖、灰?guī)r等，洞身段位于弱至新鮮巖體中，巖體完整性總體較好.洞身段多為砂質(zhì)頁巖、粉砂巖等軟質(zhì)巖分布，多呈薄層狀分布，以Ⅳ類圍巖為主.進出口段裂隙發(fā)育，由層面與節(jié)理裂隙組合可能產(chǎn)生局部不穩(wěn)定塊體，局部巖體穩(wěn)定性較差，為Ⅴ類圍巖.隧洞開挖后，砂質(zhì)頁巖遇水易軟化，建議對隧洞進行全斷面襯砌，且應及時進行封閉及支護處理[2].進出口洞臉邊坡為巖質(zhì)邊坡，進口邊坡為逆向邊坡，出口以斜向邊坡為主.邊坡結(jié)構(gòu)對邊坡穩(wěn)定有利，但邊坡基礎多處于強風化巖體，受裂隙切割，巖體較破碎，邊坡穩(wěn)定性較差.因此，進出口洞臉需進行鎖口襯砌后方可進行洞挖，同時隧洞進口段局部存在危巖體分布，應進行清除處理[3].

出口段基礎出露，基巖巖性為O1m3砂質(zhì)頁巖夾粉砂巖，引渠開挖后將形成2～12 m巖質(zhì)邊坡.基巖邊坡以斜向坡為主，邊坡結(jié)構(gòu)對邊坡有利，但邊坡多位于強風化層內(nèi)，受裂隙切割，巖體較破碎，應進行支護處理.

3取放水隧洞建筑物布置方案設計

3.1取放水方案比選

根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件并結(jié)合輸水管線的布置，方案比選時設計推薦三種取放水方案，即：左岸單獨新建取水隧洞、改造利用導流隧洞成為有壓取水/放空隧洞(“龍?zhí)ь^”岸塔式取水口+有壓洞身+出口接取/放水管)、改造利用導流隧洞成為無壓取水/放空隧洞(“龍?zhí)ь^”岸塔式取水口+無壓洞身+洞內(nèi)穿取/放水管)的取放水方案.經(jīng)技術可靠性、經(jīng)濟合理性和施工便捷性等方面進行綜合比較，優(yōu)選三種取放水建筑物布置方案進行同精度設計，從布置、施工、工程投資等多方面進行綜合對比分析，其比較成果(見表1).

表1　取放水建筑物技術經(jīng)濟比較成果

從表1對比可知：新建有壓取水隧洞方案在布置上與其它樞紐建筑物分散布置，施工條件和工期上均有優(yōu)勢，但投資最大；利用導流隧洞改為無壓取放水方案，壓力管線增長較多，投資較不經(jīng)濟，且進口龍?zhí)ь^段及洞內(nèi)管道安裝的施工處理難度相對較大.利用導流隧洞改為有壓取放水較其他兩種方案：①投資上較經(jīng)濟；②雖該方案隧洞建筑物區(qū)為Ⅲ～Ⅳ類圍巖，局部溶蝕段為Ⅴ，地質(zhì)條件不太好，但對其采取全斷面襯砌措施進行補強加固處理后，能夠滿足工程安全穩(wěn)定性要求.同時，一洞三用方案在滿足工程要求的基礎上，能充分利用臨時建筑物.綜合必選后，設計推薦采用“改造利用導流隧洞成為有壓取水/放空隧洞”的一洞三用取放水方案.

3.2取放水隧洞建筑物整體布置

利用導流隧洞改為“一洞三用”，即利用臨時建筑物導流隧洞，將導流隧洞進口采取“龍?zhí)ь^”改造成取放水隧洞進口，通過豎向轉(zhuǎn)彎后至導流隧洞洞身(與導流隧洞共用)，導流隧洞出口改造后成為放空兼取水隧洞的“一洞三用”方案，該方案由取水口+“龍?zhí)ь^”改造段+有壓隧洞+放空和取水壓力管道組成.經(jīng)布置和計算，取放水隧洞總長308.0 m，其中取水口閘井段長6.60 m，首端壓力管道改造段長7.90 m，與導流隧洞共用段長282.8 m，出口放空閘室段長10.0 m.DN800取水管由放空閘室首部豎向取水引至隧洞出口左側(cè)閘閥房，壓力鋼管段長20 m.取水口設在導流隧洞進口，采取有壓取水，取水口進口設3.0 m×2.0 m的攔污柵1道和2.0 m×2.0 m的平板事故檢修閘門1扇，進口閘井底板高程975.50 m，進口段經(jīng)水平和豎向轉(zhuǎn)彎后(樁號取0+000.00～取0+014.50)接至導流隧洞內(nèi)，中段與導流隧洞共用(樁號取0+014.50～取0+297.30)，在導流隧洞出口左側(cè)采用φ800鋼管接至閘閥室，并在之前設φ400 mm生態(tài)兼灌溉放水管.導流洞出口改造后作水庫放空設施，出口設1.5 m×1.5 m(寬×高)的弧形工作閘門1道，出口底板高程958.14 m.

4取放水隧洞建筑物設計計算

4.1隧洞建筑物水力計算

(1)水頭損失

根據(jù)武漢水利電力學院編《水力計算手冊》所列公式和參數(shù)進行計算，沿程水頭損失按曼寧公式計算.計算中鋼筋混凝土襯砌的糙率系數(shù)n=0.014，鋼管的糙率系數(shù)n=0.012.計算結(jié)果表明取水設施總水頭損失為0.28 m(見表2).

表2　取水設施水頭損失計算成果

(2)泄流能力計算

泄流能力是決定泄水建筑物尺寸大小的關鍵指標，按照《水工隧洞設計規(guī)范》(SL279—2002)推薦公式進行隧洞泄流能力計算[3]，即：

(1)

式中：A—出口處面積，m2；

μ—流量系數(shù)，計算隧洞沿程及局部水頭損失后，μ=0.431；

Hz—管道出口中心作用水頭，m.

經(jīng)計算，水庫水位處于死水位978.00 m，取水隧洞最大泄流流量(閘閥全開工況時[3,5])Q=1.15 m3/s，遠大于引用流量0.503 m3/s(其中供水流量0.436 m3/s，生態(tài)流量0.055 m3/s，灌溉流量0.012 m3/s)，設計建筑物尺寸結(jié)構(gòu)滿足要求.

(3)最小淹沒深度計算

運用戈登公式計算進水口最小淹沒水深[4-5]，即：

v=Q/A

(2)

式中：S—閘孔頂板高程以上最小淹沒水深，m；

c—進水口形狀系數(shù)，取c=0.73；

v—閘孔斷面流速，計算得v=0.126m/s；

d—閘孔高度，d=2.0m.

4.2隧洞襯砌計算

取水兼放空隧洞采用鋼筋混凝土襯砌，鋼筋混凝土襯砌段長度為290 m，側(cè)墻和頂拱C20F50W6混凝土襯砌厚50 cm，底板C20F50W6砼襯砌厚30 cm，襯砌后尺寸3.5 m×4.5 m.襯砌按限裂要求設計，采用北京理正軟件設計研究院編制的《理正水工隧洞襯砌計算軟件》進行內(nèi)力計算及配筋計算，并結(jié)合水工隧洞的洞型和荷載特點，以計算水工隧洞襯砌在各主動荷載及其組合作用下的內(nèi)力、位移及抗力分布[6].計算工況分四種，即：

工況1(基本荷載組合)——正常運行工況：荷載組合為圍巖壓力+襯砌自重+設計洪水時的內(nèi)水壓力+外水壓力，允許裂縫寬度為0.25 mm；

工況2(特殊荷載組合)——檢修工況：荷載組合為圍巖壓力+襯砌自重+可能出現(xiàn)的最大外水壓力，允許裂縫寬度為0.30 mm；

工況3(特殊荷載組合)——施工工況：荷載組合為圍巖壓力+灌漿壓力+襯砌自重+溫度應力+可能出現(xiàn)的最大外水壓力，允許裂縫寬度為0.30 mm；

工況4(特殊荷載組合)——非常運行工況：荷載組合為圍巖壓力+襯砌自重+最大水擊壓力+校核洪水時的內(nèi)水壓力+外水壓力，允許裂縫寬度為0.30 mm.

(1)基本參數(shù)

襯砌容重，γ=25kN/m3；混凝土彈性模量，Eh=2.55×104N/mm2；C20混凝土抗壓極限強度，fc=9.6N/mm2；環(huán)向筋及縱向筋均按Ⅱ級鋼筋考慮，fy=300N/mm2.隧洞洞身段的圍巖類別主要為Ⅲ～Ⅳ類圍巖，局部溶蝕段為Ⅴ，進出口段為Ⅳ類圍巖.巖石堅固系數(shù)f=1～4，彈性抗力系數(shù)K0=1～20MPa·cm-1.隧洞襯砌裂縫寬度計算成果(見表3).

表3　隧洞襯砌裂縫寬度計算

從表1可知，經(jīng)隧洞襯砌裂縫寬度計算復核，在各種運行工況下計算裂縫寬度均小于規(guī)范限裂要求.

4.3放空隧洞出口閘室穩(wěn)定計算

出口工作閘室總長10.7 m，寬5.5 m，總基底面積58.85 m2，閘墩高8.4 m，厚1.4～2.0 m，基礎坐落于O1m3砂質(zhì)頁巖夾粉砂巖上.

(1)抗滑穩(wěn)定計算

放空隧洞出口閘室受到鉛直力和水平力的共同作用下，要求沿閘室底面的抗滑力必須大于作用在閘室結(jié)構(gòu)水平向的滑動力，并有一定的安全系數(shù)[7]，即：

(3)

f′、C′—建基面的抗剪斷摩擦系數(shù)、粘結(jié)力,分別采用0.43和0.20；

∑W、∑P—分別為建基面上作用力的法向分量總和和切向分量總和；

A—建基面面積.

放空隧洞出口閘室抗滑穩(wěn)定計算荷載組合分為基本組合和特殊組合：

基本組合1：設計洪水位+自重+靜水壓力+揚壓力+雪荷載+風壓力+活荷載；

基本組合2：正常蓄水位+自重+靜水壓力+揚壓力+雪荷載+風壓力+活荷載；

特殊組合1：施工期擋水+自重+靜水壓力+揚壓力+雪荷載+風壓力+活荷載；

特殊組合2：校核洪水位+自重+靜水壓力+活荷載；

經(jīng)計算，放空隧洞出口閘室抗滑穩(wěn)定計算成果(見表4).

表4　抗滑穩(wěn)定計算成果

由表4可知，基本組合工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：設計洪水位條件下為3.15，正常蓄水位條件下為3.27；特殊組合工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：施工期擋水條件下為2.83，校核洪水位條件下為2.77.基本組合和特殊組合工況下，出口閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范技術指標，抗滑穩(wěn)定性較好.

(2)抗傾覆穩(wěn)定計算

為確保隧道閘室具有較高的安全可靠性，需要復核垂直于閘室基礎的抗傾覆穩(wěn)定性，即：

(4)

式中：K0—抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑Ms—建基面上穩(wěn)定力矩總和；

∑M0—建基面上傾覆力矩總和.

放空隧洞出口閘室抗傾覆穩(wěn)定計算荷載組合同上.經(jīng)計算，放空隧洞出口閘室抗傾穩(wěn)定計算成果(見表5).

表5　抗傾覆穩(wěn)定計算成果

由表5可知，基本組合工況下抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為：設計洪水位條件下為1.36，正常蓄水位條件下為1.42；特殊組合工況下抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為：施工期擋水條件下為1.26，校核洪水位條件下為1.18.基本組合和特殊組合工況下，出口閘室抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范技術指標，抗傾覆穩(wěn)定性較好.

(3)抗浮穩(wěn)定計算

為了評價放空隧洞出口閘室抗浮力抗拔穩(wěn)定性[8]，進行抗浮穩(wěn)定性計算，即：

(5)

式中：Kf—抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑V—建基面上垂直力總和(不含設備重量)；

∑U—建基面上揚壓力總和.

放空隧洞出口閘室抗浮穩(wěn)定計算荷載組合同上.經(jīng)計算，放空隧洞出口閘室抗浮穩(wěn)定計算成果(見表6).

表6　抗浮穩(wěn)定計算成果

由表6可知，基本組合工況下抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為：設計洪水位條件下為1.38，正常蓄水位條件下為1.49；特殊組合工況下抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為：施工期擋水條件下為1.33，校核洪水位條件下為1.24.基本組合和特殊組合工況下，出口閘室抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范技術指標，抗浮穩(wěn)定性較好.

5結(jié)論

下壩水庫屬峽谷型水庫，工程區(qū)地形地質(zhì)條件復雜，受裂隙切割巖體較破碎，巖體強風化帶完整性較差.為確保隧洞建筑物具有較高安全穩(wěn)定性，提高項目投資經(jīng)濟效益，在規(guī)劃設計階段進行了方案比選及設計優(yōu)化，減少了施工難度和工程占地，重點考慮以下幾個方面.

(1)取放水隧洞工程地質(zhì)條件較復雜，邊坡穩(wěn)定性較差,易形成滑坡、崩塌、偏壓、泥石流等問題，經(jīng)隧洞進口段危巖體清除、洞身全斷面襯砌、出口段破碎巖體支護等處理，可滿足工程安全穩(wěn)定要求.

(2)從技術、經(jīng)濟方面進行綜合比較，并充分考慮工程區(qū)地形地質(zhì)、大壩樞紐布置、施工臨時建筑物及取放水隧洞平順連接等條件，優(yōu)選具有布置緊湊合理、易于施工和工程量小等優(yōu)點的“利用導流隧洞改為有壓取水/放空隧洞”的一洞三用取放水方案.

(3)取放水隧洞整體由取水口+“龍?zhí)ь^”改造段+有壓隧洞+放空和取水壓力管道組成，取水口設在導流隧洞進口，采取有壓取水；導流隧洞出口左側(cè)采用φ800鋼管接至閘閥室，并在設φ400 mm生態(tài)兼灌溉放水管.

(4)水力計算、隧洞襯砌計算及出口閘室穩(wěn)定計算結(jié)果表明:隧洞水頭損失較小，泄流能力和最小淹沒深度滿足要求.各種運行工況下的裂縫寬度，抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定和抗浮穩(wěn)定等安全系數(shù)，均滿足規(guī)范要求.

參考文獻：

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Optimization Design of Water Intake and Drainage Tunnel in Xiaba Reservoir

ZHANG Dan1, LI Wei2

(1.Zunyi Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower, Zunyi 563000, China;2.Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China)

Abstract:The complex conditions of topography and geological characteristics of Xiaba Reservoir are introduced, including the mass fractured rock by fissures cutting and the poor integrity of strong weathering zone, which is easy to form landslides, avalanches, bias and other problems. Combined with the site reconnaissance and SL386-2007, SL279-2002 and other standards for the hydraulic tunnel building design, and considering the project land covering, the construction difficulties, the engineering investment and the other factors, the water intake and drainage scheme of diversion tunnel reconstruction as the pressurized water intake / drain tunnel has been optimal chosen, which can realize three function by one tunnel. From the hydraulic calculation, the tunnel lining calculation, the stress stability check and others analysis, the results showed that the structure, flow capacity, crack width and stress stability of the tunnel buildings can meet the standards and the optimization design scheme has high technical feasibility and economic rationality.

Key words:Xiaba reservoir; diversion tunnel building; water intake and drainage; stability check

中圖分類號：TV512

文獻標志碼：A

文章編號：1008-536X(2016)02-0032-05

作者簡介：張丹(1987-)，女，貴州遵義人，助理工程師，主要從事水利水電工程設計工作.

收稿日期：2015-09-12