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        廣安龍灘水庫導(dǎo)流洞設(shè)計

        2020-03-11 10:07:56
        四川水利 2020年1期
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)流洞干渠導(dǎo)流

        (中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司,貴陽,550081)

        1 工程概況

        龍灘水庫位于廣安市前鋒區(qū)桂興鎮(zhèn)境內(nèi),壩址位于桂興鎮(zhèn)大店村龍灘子峽谷口,距廣安中心城區(qū)約40km,距前鋒火車站約10km。壩址與廣安市區(qū)有省道S304、縣道X167、XX18公路相通,對外交通方便。

        龍灘水庫是一座以農(nóng)業(yè)灌溉、鄉(xiāng)村供水、發(fā)電等綜合利用的中型水利工程,樞紐工程屬Ⅲ等中型工程,主要建筑物為3級,次要建筑物為4級。水庫校核洪水位428.80m,總庫容3010萬m3,正常蓄水位425m,正常蓄水位以下庫容2645萬m3,死水位381m,死庫容200萬m3,興利庫容2445萬m3。樞紐工程包括攔河大壩、壩身泄洪系統(tǒng)、取水隧洞、渠首電站及皮子槽河庫區(qū)巷道防滲工程。

        攔河大壩為拋物線型碾壓混凝土雙曲拱壩,壩頂高程430.00m,最大壩高85m,壩頂弧長219.97m,壩頂寬7.0m,壩底厚21.50m。壩身泄洪系統(tǒng)由4個溢流表孔和1個底孔組成,溢流表孔堰頂高程425.00m,底孔進出口底板高程373.00m,出口孔口尺寸為3m×3m(寬×高),設(shè)置弧形工作閘門。

        取水隧洞布置于大壩左岸,由取水口、隧洞、壓力鋼管等組成,引水線路全長160.46m(取水口至放水管末端)。取水口采用岸塔式布置,底板高程376.00m;隧洞全長122.20m,由上部上平段與斜井段組成,水平段長99.16m,斜井段長23.04m;隧洞后接壓力鋼管,主管經(jīng)岔管分出三條支管,其中兩條支管接入廠房供發(fā)電,另一條支管下放水流進入尾水渠。

        渠首電站主廠房尺寸26.5m×10m×12.47m(長×寬×高),廠內(nèi)布置兩臺單機容量為0.5MW的水輪發(fā)電機組和放水管錐形閥,機組安裝高程362.00m。

        2 施工導(dǎo)流方案分析

        通過對龍灘水庫樞紐區(qū)地形地質(zhì)條件、區(qū)域水文特性及樞紐工程建筑物布置綜合分析比較后確定施工導(dǎo)流方案。

        由于壩址區(qū)河床狹窄,水面僅寬15m~20m,而且兩岸高陡,局部近直立,采用大規(guī)模明挖山體形成明渠導(dǎo)流的方式顯然不合理,本工程壩址不具備分期導(dǎo)流和明渠導(dǎo)流的條件,宜采用圍堰一次攔斷河床、枯期隧洞導(dǎo)流的方式。

        3 導(dǎo)流洞設(shè)計

        樞紐工程導(dǎo)流建筑物由左岸導(dǎo)流洞、上游土石圍堰組成,大壩消力池護坦開挖最低高程357.00m,護坦末端河床深切,根據(jù)導(dǎo)流洞布置和出口水位流量關(guān)系,不需布設(shè)下游圍堰。

        3.1 導(dǎo)流方案比選

        壩址河段河谷對稱,左右岸均具備布置導(dǎo)流洞條件,考慮到施工期間左干渠引水及下游電站發(fā)電需要,導(dǎo)流洞布置在左岸可滿足以上要求;若導(dǎo)流洞布置在右岸,需采取引水措施,保證施工期干渠引水。本階段擬定五個方案進行比選。

        方案1:導(dǎo)流洞布置在河床左岸,洞線從樞紐工程區(qū)廠房后側(cè)繞過,出口接干渠,保證施工期干渠引水,導(dǎo)流洞長度約367.19m。

        方案2:導(dǎo)流洞布置在河床右岸,出口接渡槽引水至左岸干渠,保證施工期干渠引水及下游電站發(fā)電。導(dǎo)流洞進口覆蓋層采用明挖方式處理,導(dǎo)流洞長度約170.52m,渡槽長度約74.65m。方案1和方案2布置見圖1。

        圖1 導(dǎo)流方案1和方案2比選布置

        方案3:導(dǎo)流洞布置在河床左岸,洞線從樞紐工程區(qū)廠房前側(cè)繞過,出口接干渠,下游引水從干渠引用,引水受到樞紐工程區(qū)廠房阻擋,采用廠房內(nèi)埋管的形式,保證施工期干渠引水及下游電站發(fā)電,導(dǎo)流洞長度約273.92m,廠房內(nèi)埋管管徑1.5m,長度約40m。

        方案4:導(dǎo)流洞布置在河床右岸,采用施工支洞的形式引水,施工支洞布設(shè)在下游原拱壩上游側(cè),在原拱壩上游側(cè)修建倒虹吸引水至干渠,引水受到樞紐工程區(qū)廠房阻擋,采用廠房內(nèi)埋管的形式,保證施工期干渠引水及下游電站發(fā)電,導(dǎo)流洞長度約170.52m,施工支洞長度約70m,倒虹吸長度約50m,廠房內(nèi)埋管管徑1.5m,長度40m。

        方案5:導(dǎo)流洞布置在河床右岸,出口接渡槽引水至左岸干渠,保證施工期干渠引水及下游電站發(fā)電。導(dǎo)流洞進口覆蓋層約75m,采用強支護方式(管棚法)進洞開挖,導(dǎo)流洞總長度約221.52m,渡槽長度約74.65m。

        初步分析,方案1、方案2、方案5可行;方案3導(dǎo)流洞從廠房前側(cè)通過,雖然節(jié)約了洞長,但由于要采用廠房內(nèi)埋管的形式引水,與廠房施工形成干擾,存在安全隱患,為保證廠房施工、機組安裝和施工期下游引水安全,方案3不合適;方案4同樣存在廠房內(nèi)埋管問題,形成交叉施工,存在安全隱患,亦不推薦采用。以下對方案1、方案2和方案5進行重點比選。三方案優(yōu)缺點比較如下:

        (1)方案2和方案5導(dǎo)流方案工程費用比方案1導(dǎo)流方案分別增加約288.21萬元、55.07萬元;

        (2)方案1導(dǎo)流施工簡便,無干擾,難度??;方案2和方案5導(dǎo)流洞出口需修筑渡槽接左干渠,且渡槽存在施工導(dǎo)流問題,施工程序多,風(fēng)險高,難度大。同時右岸導(dǎo)流洞進口為覆蓋層基礎(chǔ),汛期來臨時導(dǎo)流洞施工未完工,需修筑臨時圍堰,且須做好堰體及堰基防滲。

        (3)方案2導(dǎo)流洞進口存在深厚覆蓋層,開挖方量大,相應(yīng)邊坡支護量也大,且高邊坡施工風(fēng)險大;方案5導(dǎo)流洞進口覆蓋層采取強支護(管棚法)方式成洞,管棚為柔性棚架體系,其基礎(chǔ)坐落于覆蓋層上,存在沉降的可能;管棚超前灌漿的工程量存在不可控性,同時覆蓋層成洞本身存在一定的風(fēng)險性;方案1導(dǎo)流洞進口地質(zhì)條件相對較好。

        綜合分析3個導(dǎo)流方案,方案2和方案5導(dǎo)流工程規(guī)模及工程量增加較多,同時并未縮短施工工期,因此,本工程推薦方案1左岸導(dǎo)流洞導(dǎo)流方案。

        3.2 導(dǎo)流洞斷面比選

        對導(dǎo)流洞進行2m×2.5m、2.5m×3m、3m×3.5m(寬×高)三種城門洞型斷面比較,見表1。

        表1 導(dǎo)流洞斷面比較

        通過表1分析:

        (1)2m×2.5m和2.5m×3m斷面比較:堰前水位相差1.17m,圍堰高度相差1.2m,工程量相差不大,但2m×2.5m斷面,水流處于半有壓流,流態(tài)不利,另外斷面較小,不利于施工,影響施工進度。

        (2)2.5m×3m和3m×3.5m斷面比較:堰前水位相差0.16m,圍堰高度相差0.2m,兩種斷面圍堰規(guī)模相當(dāng),但3m×3.5m斷面比2.5m×3m大,相應(yīng)導(dǎo)流隧洞洞挖及支護工程量增大。因此,綜合分析后導(dǎo)流洞斷面選定2.5m×3m城門洞型。

        3.3 導(dǎo)流洞布置設(shè)計

        3.3.1 導(dǎo)流洞進口段

        導(dǎo)流洞布置在左岸山體內(nèi),進口明渠采用八字形,長度24.00m,閘室順?biāo)鏖L5.0m,垂直水流寬4.7m,高度8.5m。

        導(dǎo)流洞進口河床高程370.45m,進口高程的選取既要保證過流順暢,避免淤堵,又要考慮截流難度。選取太高,增加截流難度,選擇太低,需對河漫灘地進行開挖,同時增加了淤堵的可能性。綜合考慮,導(dǎo)流洞進口高程選取為366.50m。

        為減少局部水頭損失,提高導(dǎo)流洞的泄洪能力,避免氣蝕的發(fā)生,將導(dǎo)流洞進口閘室設(shè)計成喇叭口型式,其進口曲線按隧洞設(shè)計規(guī)范推薦的橢圓形曲線選用:

        3.3.2 導(dǎo)流洞洞身段

        導(dǎo)流洞洞身段長367.19m,進口高程根據(jù)地形地質(zhì)條件及枯期水位確定為366.50m,出口接目前左干渠,高程359.00m,底坡2.04%,導(dǎo)流洞在平面上轉(zhuǎn)兩個彎,轉(zhuǎn)彎半徑均為30m,轉(zhuǎn)彎角分別為46.50°、37.00°。斷面形式為城門洞型,過水?dāng)嗝?.5m×3.0m(寬×高)。全洞段采用鋼筋混凝土襯砌,Ⅲ類圍巖襯砌厚度30cm,開挖斷面3.3m×3.7m(寬×高),支護措施采用噴混凝土5cm,錨桿直徑φ22,L=2m,間排距3.0m×3.0m;Ⅳ類圍巖、圍巖破碎帶及巖溶發(fā)育部位襯砌厚度為40cm,開挖斷面3.5m×3.9m(寬×高),支護措施采用噴混凝土10cm,錨桿直徑φ22,L=2m,間排距2.5m×2.5m。全洞段頂拱120度范圍采用回填灌漿;全洞段采用固結(jié)灌漿,間距3m×3m,L=2m。

        3.3.3 導(dǎo)流洞出口段

        導(dǎo)流洞出口為明渠擴散段,出口高程結(jié)合現(xiàn)有渠道高程確定為359.00m;順?biāo)鏖L23.27m,垂直水流逐漸擴散至6.53m,導(dǎo)流洞左側(cè)墻預(yù)留孔口斷面2.0m×2.25m接干渠,多余水量通過消力池下泄河道。為防止水流漫溢,消力池后采取開挖成槽,邊墻防護。開挖后澆筑混凝土形成臺階消能措施,臺階高0.5m,寬0.5m,至基巖初露處,開挖成槽即可,兩側(cè)邊墻高度3.0m。

        3.3.4 導(dǎo)流洞堵頭

        導(dǎo)流洞堵頭段為3級永久建筑物,為保證堵頭段封堵后的絕對安全,不影響龍灘水庫正常運行,采用《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》(SL 279-2002)進行計算分析,并留有一定的安全富余度。

        導(dǎo)流洞堵頭位置結(jié)合永久防滲帷幕考慮,布置在洞身樁號0+210.54m~0+230.54m處,按永久擋水建筑物設(shè)計考慮,為3級建筑物(與大壩相同),結(jié)構(gòu)安全級別為Ⅱ級。根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》(SL 279-2002),結(jié)構(gòu)計算采用承載能力極限狀態(tài)方法設(shè)計,表達式采用《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》(SL 279-2002)6.8.3條,抗滑穩(wěn)定按柱狀封堵體計算,計算公式:

        式中:L——封堵體長度,m;

        P——封堵體迎水面承受的總水壓,MN;

        [τ]——容許剪應(yīng)力,取0.2MPa~0.3MPa;

        A——封堵體剪切面周長。

        導(dǎo)流洞襯砌后過水凈斷面面積6.98m2。堵頭長度按校核庫水位429.54m考慮,作用在混凝土堵頭上的最大水頭為66.77m,為增加堵頭的抗滑和抗剪能力,將堵頭設(shè)計成單齒楔形結(jié)構(gòu)。采用承載能力極限狀態(tài)設(shè)計方法,按柱狀封堵體進行抗滑穩(wěn)定計算。

        根據(jù)計算結(jié)果并考慮安全儲備,最終確定堵頭長度為20m。封堵混凝土采用C20微膨脹混凝土。

        4 結(jié)語

        龍灘水庫壩址區(qū)位于龍灘河峽谷河段之中,在河流寬度較小、枯期流量不大的情況下,設(shè)計根據(jù)壩址地形地質(zhì)、樞紐布置等實際情況,確定施工導(dǎo)流方案,開展導(dǎo)流建筑物設(shè)計;通過對導(dǎo)流方案比選,確定洞線,比選導(dǎo)流洞斷面,分別對導(dǎo)流洞進口、洞身、出口及堵頭進行設(shè)計,最終選定經(jīng)濟安全的導(dǎo)流洞設(shè)計方案。隨著中小型水庫建設(shè)的開展,施工導(dǎo)流布置和對施工導(dǎo)流建筑物的經(jīng)濟可比性要求越來越高,本文以龍灘水庫為例,通過對比分析,選取最經(jīng)濟的導(dǎo)流洞設(shè)計方案,供類似工程借鑒。

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