柏叶口水库泄洪发电洞优化设计

郑如义

（山西省水利水电勘测设计研究院 太原 030024）

1 工程概况

柏叶口水库位于山西省吕梁市交城县会立乡柏叶口村上游约500 m的文峪河干流上，是一座以城市生活和工业供水、文峪河水库防洪为主，兼顾提高现有灌区的灌溉保证率、发电等综合利用的中型水利枢纽工程，主要由大坝、溢洪道、泄洪发电洞和水电站等建筑物组成。大坝为混凝土面板堆石坝。泄洪发电洞进口位于坝轴线上游左岸，距坝轴线上游约210 m，出口位于河流弯道下游，距柏叶口村约250 m，洞轴线走向为N80.37°W。该洞呈直线布置，由进口段、洞身段、出口控制闸、泄槽和挑流消能段组成。该洞总长度699.7 m，最大泄量402 m3/s.

2 地形地质条件

泄洪发电洞洞进口位于文峪河左岸公路旁的岸坡处，为基岩岸坡，该处修公路时已进行过削坡，下部岸坡坡度60°～70°，上部岸坡坡度 40°～50°.出口位于文峪河左岸公路旁的岸坡处，岸坡坡度30°～35°.出口之后为河流Ⅰ级堆积阶地，泄洪洞洞身地层岩性主要有界河口群一段混合花岗岩、变粒岩组，下游洞段穿过变质辉长岩（辉绿岩）岩墙，出口段为二段混合花岗岩组，以及零星分布的大理岩和第四系松散堆积层。泄洪洞沿线岩体中节理裂隙较发育，裂隙宽0.1～8.0 cm，发育密度1.5条/m，节理裂隙延伸较长，切割深度大。泄洪发电洞洞身大部分位于地下水位以下，地下水位最高处，高于设计洞顶约60 m，仅进、出口段洞身位于地下水位附近或以上。

3 原设计方案

泄洪洞结合发电洞布置在大坝左岸，泄洪洞进口距坝轴线210 m,利用柏叶口下游天然河道转弯的有利地形，将泄洪洞出口布置在柏叶口村下游，洞轴线为直线，由进水塔、有压隧洞、出口闸室、泄槽及挑流段组成。该洞进、出口均布置在弱微风化岩层中，开挖较深。进水塔后接10 m的渐变段（方变圆），纵坡为0，紧接24 m纵坡为31.9%的陡坡段，然后是499 m纵坡为1%的缓坡段，后接10 m的渐变段（圆变方），该洞全长543 m.该洞进口底相对高程为17.1 m，（相对高程以坝底最低趾板底为零点计算，下同）出口底相对高程为4.35 m，最大泄量404 m3/s.

4 原设计方案存在的问题

1）该洞进出口高程较低，开挖量大。原方案进口底相对高程17.1m，仅比原河床高1 m，出口底相对高程为4.35 m，与设计洪水时下游河床水位齐平。原河床上砂砾石易进入泄洪洞，影响电站的正常运行。另外，进出口高程低，增加开挖量。

2）隧洞进出口的布置靠近山体分水岭，开挖量大。虽然隧洞进出口均布置在微风化层，围岩条件好，隧洞长度短；但是，因修公路，该洞进口岸坡坡度下部60°～70°，上部40°～50°，出口岸坡坡度虽缓，但也达30°～35°；进出口偏向分水岭布置，势必造成进出口部分开挖深度大，开挖量大，施工困难。

3）该洞纵坡变化多，不利于泄洪和施工。该洞进口10 m为水平段，纵坡为i=0%，紧接者是纵坡为i=31.9%的陡坡段，其后又是纵坡为i=1%的缓坡段，出口渐变段纵坡也是i=1%。特别是24 m纵坡为i=31.9%的陡坡段的存在，造成局部水头损失，影响泄流条件。另外，由于该段坡度较陡，给进口段施工带来困难。

5 新设计方案

针对原设计方案存在的问题，新方案作了以下修改：

1）调高进、出口洞底高程。在保证尽可能多地宣泄库水的情况下，将进口底相对高程抬高至18.5 m，防止库内砂砾石进入该洞，影响电站运行。出口底相对高程调高至5.0 m，以利泄洪。

2）将该洞进出口的位置向山体外调整，降低洞脸围岩的开挖高度。原设计该洞进口出处埋深51 m，出口处埋深37 m，虽然进出口位于微风化层，易成洞脸，但是开挖量巨大，对周围环境破坏大。经技施阶段进一步勘察和现场开挖，查明该洞进出口的强、弱风化层并没有原来估计的深，地质条件较好；因此，将该洞向上游延伸，洞口设在弱风化层，靠近强风化层的下线，此处埋深24.3 m，洞顶以上7.5 m处开始放坡，以下垂直开挖。该洞出口向下游延伸，出口处围岩埋深15.6 m，洞顶处开始放坡，以下垂直开挖。因出口处左岸山体陡峭，开挖量大，在施工过程中，根据该洞出口处的围岩情况，又将出口向下游延伸7.5 m，出口开挖量进一步减少。

3）取消该洞的陡坡段，采用统一纵坡，坡度i=2.25%.

6 优化设计后所取得的效益

1）有利于施工。通过调整进出口位置，进出口围岩的埋深显著降低，洞脸开挖简单易行。该洞采用统一纵坡后，有利于进口段开挖施工，便于出渣。

2）有利于电站安全运行。调高隧洞进口底高程，可减少库区砂砾石进入隧洞，有利于下游电站的安全运行。

3）节省了工程投资。调整了隧洞的进出口位置后，该洞的长度增加了，隧洞的投资增加了；但是洞脸的开挖量及支护工程量明显减少。二者相抵，仍节省投资。具体见表1.

表1 设计方案比较表

经对比分析，该洞优化后，隧洞的长度增加了64.5 m，洞身段的工程量增加不大，投资增加60.96万元，但是，进出口的开挖工程量显著减少，节省投资517.55万元，总的工程投资有大幅度的减少。

4）有利于环境保护。通过优化设计，该洞进出口石方开挖量减少了83 254 m3，减少开挖坡面防护面积及弃渣用地，降低了产生滑坡危害的可能性。最大限度地减少了对原该洞进出口岸坡地貌的扰动及植被破坏。

5）降低了施工难度。该洞进出口处由于修公路，造成该两处山势陡峻，开挖放坡困难。原设计方案进口的开挖深度和放坡高度分别为51 m和43 m，优化后，二者分别为24.3 m和40.6 m；原设计方案出口的开挖深度和放坡高度分别为37 m和42 m，优化后，二者分别为15.6 m和34.3 m.特别是隧洞出口左侧紧靠峭壁，其坡度达70°～80°，再有上部省道S320改线进行中，不时有危石滚落，增大该处的开挖难度；因此承包人多次提出延长隧洞，不愿开挖。发包人委托浙江工业大学等单位对该洞出口段进行了分析计算，设计院根据该计算成果又在技施设计的基础上，将该洞向出口延伸了7.5 m，方便了施工，加快了施工进度。

7 几点体会

1）根据工程实际情况，灵活地应用规范。《水工隧洞设计规范》（SL279-2002）规定：“隧洞进出口宜选在地质结构简单，岩体完整，风化覆盖层较浅的地区，避开不良地质结构和容易发生崩塌、冲沟、危崖、滑坡的地区”。原设计进水塔及出口闸室布置在弱风化带下限附近，虽满足规范要求，但洞脸开挖量大，造价高。现将进水塔和出口闸室布置在弱风化层、靠近强风化带下限附近，经勘察，该处地质条件满足作为进水塔地基的要求，洞脸开挖量显著减少，降低了工程造价。

2）隧洞进出口布置宜采用“早进洞，晚出洞”的原则。隧洞的长度与进出口的相对位置及洞口开挖深度有关，采用此原则，虽然增加了隧洞的长度，洞身段工程量的增加并不多。相反，若为缩短洞身段的长度，将进出口布置向分水岭靠近，隧洞的长度缩短了，进出口建筑物及洞脸施工条件较好；但是，进出口洞脸开挖量增加很多，甚至由于进出口深挖方，而出现滑坡、塌方等次生灾害，即使由于隧洞缩短了，减少的工程量也不明显。因此，在隧洞布置时，宜适当增加隧洞长度，可大幅度减少进出口的开挖工程量。

3）根据工程实际情况，不断改进设计。任何设计都是根据当时所掌握的工程条件来进行的，由于当时条件所限，设计人所了解的工程条件与实际是有出入的；如：该隧洞开挖后揭示的进出口强风化层的厚度与原地质图标示的厚度有出入，实际情况是该洞进出口强风化层的厚度比原地质图要小，将进水塔和出口工作闸室向外布置，完全可以实现。设计者要与时俱进，因地制宜，根据实际的工程情况，改进设计，达到经济、安全的目的。