新疆下坂地水利枢纽泄洪洞结构设计

张磊房刚

（陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西 西安 710001）

1 工程概况

下坂地水利枢纽工程泄洪洞位于水库大坝右岸，是下坂地水利枢纽重要泄洪建筑物，其主要任务是：施工期导流，运行期泄洪及水库放空。因此泄洪洞采用一洞三用的型式布置，洞身横断面型式为圆拱直墙，尺寸由进口段7m×17.05m渐变过渡为7m×10.25m。泄洪底洞进口设计高程为2902m，进口位置河道底高程2897.88m，出口设计高程为2880m，出口位置河底高程为2886m,水流落差22m。泄洪洞采用钢筋混凝土衬砌结构，洞壁厚度按地质条件不同分0.7m和1.0m两种。在设计洪水位2960m下泄流量为825m3/s，校核洪水位2963.2m时下泄流量为850m3/s。泄洪洞最大流量920m3/s，最大流速30.9m/s。

2 地质条件

泄洪洞进口段围岩为角闪片岩及角闪片麻岩，以Ⅳ类围岩为主，部分位置卸荷岩体为Ⅴ类。进口竖井四周岩性为角闪片麻岩，岩体较为完整，岩体类别为Ⅳ类，竖井基础处为弱风化的角闪片麻岩，其承载力为3.0MPa。

洞身段围岩以Ⅲ类为主，弱～微风化，岩体较完整，洞顶围岩厚40m～300m，洞线方向85°13′，围岩片麻理走向为312°，倾角62°，岩层走向与洞轴线夹角为47°左右，较有利于洞室稳定。主应力方向NE48°～NE52°，与洞线夹角33°～37°左右。洞身穿越6条宽度小于1.0m断层带，2条宽2m～3.5m的断层带，断层及断层影响带位置隧洞围岩类别为极不稳定的Ⅴ类。

出口边坡坡角为45°，边坡表层岩体破碎，出口段洞室围岩较完整，类别为稳定性差的Ⅲ类或不稳定的Ⅳ类。

出口消能采用挑流形式，消能区河床宽90m，岸坡平缓。河床组成物质主要为冲积及冰碛的块石和漂卵石，夹杂碎石或砂，呈松散或半松散状，堆积厚约100m。

1.2 泄洪洞总体布置

泄洪洞布置于大坝右岸，斜穿坝肩山体分水岭。洞轴线与坝轴线水平夹角99°18′。泄洪洞进口距离坝轴线850m，出口距离坝右坡脚600m。隧洞全长1425.85m，洞身长1346.85m，由进口段、竖井、洞身段、挑流鼻坎段组成。

进口段引渠桩号0+000m～0+049m，底板高程为2902m。其中隧洞进口前的扭面段桩号0+020m～0+049m。引渠断面为梯形，底板宽11.0m，厚1m，引渠深13m，边墙形式为重力式挡墙。

喇叭口段桩号为0+049m～0+056m，体型采用两侧墙及洞顶沿水流方向收缩的椭圆曲线。

桩号0+056m～0+100m洞断面为长矩形。

竖井段桩号0+100m～0+126m，竖井底高程2902m，井高65.5m，竖井顶部启闭机层为钢筋砼排架结构。桩号0+112.75m处设弧形工作闸门一扇，孔口尺寸5m×6m，动水下闸，静水开启竖井2921.9m高程设置液压启闭机平台。

桩号0+126m～0+427.58m段为底洞洞身，圆拱直墙断面，尺寸7m×10.25m。

桩号0+427.58 m～1+395.85m段为底洞、表孔共用洞段，其中0+427.58 m～0+527.56m段按挑射水平距离、水流冲溅高度设计断面为圆拱直墙型，尺寸7m×17.05m～7m×10.25m；桩号0+527.56m～0+960m段圆拱直墙断面尺寸为7×10.25m；桩号0+980m～1+395.85m段圆拱直墙断面尺寸为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%。

出口明涵段桩号1+395.85m～1+402.85m，圆拱直墙断面，尺寸7m×9.50m。

挑流鼻坎段桩号1+402.85m～1+425.85m，鼻坎形式为右高左低、右长左短，矩形等圆弧扩散，底板宽从7m渐变为16.17m（斜长），坎顶高程2883.27m～2885.97m，反弧半径为51.54m。水流挑射角25.46°，最大挑距46m，最大冲坑深9.4m，受回流影响，右岸最大冲刷深13.5m。根据水工模型试验情况，对鼻坎出口采用齿墙和基础锚固方式进行抗冲加固。

3 泄洪建筑物等级

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）的有关规定，确定下坂地水利枢纽为Ⅱ等大（2）型工程。泄洪洞按二级建筑物设计，抗震按8度设防。

4 泄洪洞结构设计

4.1 洞身结构设计

4.1.1 结构计算

a）基本假定

结构计算按施工组织设计确定的全断面洞室开挖方式选取计算简图。同时，根据不同的围岩类型，采用不同的支护方式。

b）基本资料

特征水位（设计）：2963.20m

特征水位（校核）：2964.60m

特征水位（正常）：2960.00m

水库死水位：2915.00m

地震设防烈度：8度

容重：混凝土为2.4t/m3，钢筋砼为2.5t/m3，岩石干密度为2.84t/m3，岩石湿密度为2.85t/m3。

c）洞身结构计算采用程序、基本参数

本工程为压力进口明流隧洞，洞身除进口段为压力段外，其余部位均为城门洞型断面，采用中南院《SDCAD》软件分别对各典型断面进行结构计算。

最终配筋结果是依据计算结果和施工过程中所采用的支护措施，并参照同类工程进行工程类比而进行选取。

（1）基本数据

①建筑物等级 2级建筑物

②安全系数

混凝土抗拉极限强度安全系数：

基本荷载组合： 1.8

特殊荷载组合： 1.6

混凝土强度安全系数：

基本荷载组合： 1.5

特殊荷载组合： 1.4

混凝土抗裂安全系数： 1.1

缝限制宽度： 0.3mm

③荷载及荷载组合

一般而言，完建而未通水时期、隧洞放空时期和通水而水头最大时期，都是隧洞衬砌结构容易发生破坏的时刻，设计时应该定出各时期的荷载组合作为设计的依据。

本次设计分别按以下三种荷载组合情况进行计算：

正常运行工况（工况1）

内水压力+外水压力+山岩压力+衬砌自重+弹性抗力

检修工况（工况2）

外水压力+山岩压力+衬砌自重+弹性抗力

施工工况（工况3）

灌浆压力+山岩压力+衬砌自重+弹性抗力

4.1.2 洞身结构设计

4.1.2.1 洞身结构设计总体原则

洞身衬砌厚度根据围岩分类及隧洞断面以及运行要求，采用工程类比确定。隧洞整体上以Ⅲ类围岩为主，约占整个洞身段的80%以上。其余洞段基本上属于Ⅳ类围岩段，局部断层影响破碎带属Ⅴ类围岩。根据《水工隧洞设计规范》的规定，当围岩为Ⅲ～Ⅴ类时宜采用钢筋混凝土衬砌结构。Ⅲ类围岩段是否可以采用喷锚支护作为顶拱的永久支护，为保证施工期洞室的安全，结合永久支护，Ⅲ类围岩洞段对顶拱进行喷混凝土支护，Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段全断面喷护，对断层破碎带及影响带根据需要可进行钢行架支护。隧洞洞身进行全断面布设固结灌浆及系统锚杆。

4.1.2.2 洞身结构设计具体情况

泄洪洞洞身横断面由7m×17.05m变为7m×10.25m的圆拱直墙型，衬砌厚度根据围岩分类及所处的部位不同分别为0.6m及1.0m，分段长度基本为10m。

由于泄洪洞开挖断面大，岩石片理和裂隙发育，断层影响带宽，为了确保施工顺利进行，泄洪洞全断面布置Φ22系统砂浆锚杆，喷护100mm厚的C20混凝土并局部挂钢筋网。对于较大的断层破碎带采用钢拱架支护、布置超前锚杆加挂钢筋网的办法进行处理，而对于侧墙及底板的较小断层采用挖除并用混凝土进行回填的方法进行处理。

泄洪洞洞身段全断面进行固结灌浆及在顶拱范围内进行回填灌浆。灌浆按照先回填后固结的顺序依次进行，其质量检查按《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（SL62-94）执行，同时作声波测试。

大坝建成后，大坝帷幕线之前的裂隙水更为丰富，为防止裂隙水对泄洪洞衬砌结构影响，在泄洪洞内设置排水孔，灌浆帷幕之前，排水孔要求深入岩石0.1m，灌浆帷幕之后，排水孔要求深入岩石4m。

4.2 出口段结构设计

4.2.1 明涵及明槽段结构设计

出口明涵横断面尺寸与洞身段相同，结构计算采用《水利水电工程PC-1500程序集》中明涵计算程序进行，衬砌材料为C30W6F300钢筋混凝土，厚度1.0m，顶拱设排水孔，为防止坡面滚石撞砸顶拱，涵顶回填2m厚石碴。

出口明槽为矩形槽结构，按整体进行结构计算，衬砌材料为C30W6F300钢筋混凝土。

4.2.2 挑流鼻坎段结构设计

挑流鼻坎体型经多次优化并进行水工模型试验验证后修改而成，设计为矩形等圆弧扩散，反弧半径为51.54m，底宽从7m渐变为16.17m。左右边墙设计为斜直墙，斜率和鼻坎前扩散段相同，鼻坎底圆弧半径45m，挑角26°17′，鼻坎末底缘圆弧半径为12.5m，鼻坎齿墙入基岩14.85m，鼻坎中心线顶高程2885.25m。

受回流影响，右岸最大冲刷深13.5m。根据水工模型试验情况，对鼻坎出口采用齿墙和基础锚固方式进行抗冲加固。

4.2.3 出口坡面处理

泄洪洞出口段自然边坡坡角45°左右，受裂隙切割影响，边坡岩体表层风化破碎，出口段洞室岩体较完整，为局部稳定性差的Ⅲ类～不稳定的Ⅳ类围岩。建设单位委托有关科研单位对其稳定性进行了计算分析，设计根据科研单位的分析报告，采用系统锚杆及挂网喷护等措施对泄洪洞出口坡面进行了加固处理设计。

5 结束语

下坂地水利枢纽泄洪洞自2007年竣工以来，已安全运行多年，实际运行效果证明泄洪洞工程的结构设计是合理的。陕西水利

[1]水工混凝土结构设计规范（S L/T 191-96）

[2]杨宗仁，金盆水利枢纽溢洪洞洞身及出口结构设计简介[J]，陕西水利，2009年01期