柘仑水库导流隧洞方案的优化设计

冯建江

(贵州省黔西南州水利电力勘测设计院，贵州 兴义 562400)

1 工程概况

柘仑水库扩建后总库容1490万m3，其坝型为浆砌石重力坝，最大坝高为59.4 m，灌溉面积为4546.67 ha，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252－2000)及《防洪标准》(GB50201－94)的规定［1，2］，工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，临时工程按5级设计.

水库大坝枢纽初步设计审批，导流洞布置在大坝右岸，位置在兴义市境内，大坝枢纽工程于2007年5月开工.原设计中导流隧洞为一洞多用，施工期承担施工导流作用，运营期作为冲沙放空孔.由于爆破材料手续办理不畅等原因，致使该工程迟迟不能施工，使原导流方案推后近5个月，原多功能导流隧洞的施工受工期推迟限制已不可能按期实施，施工导流及安全度汛功能无法正常发挥.

2 施工阶段导流方案优化设计

经过现场的踏勘和座谈，广泛收集业主及施工方意见.针对导流隧洞开挖存在的问题，结合实际放水情况，对导流方案作出优化调整.为保证汛期后围堰能正常运行，确保第二个汛期后坝体回填至1260 m，为后期施工创造条件，决定将原来的土石围堰优化为混凝土拱围堰，材料C15混凝土.同时，由于原多功能导流隧洞的施工受工期推迟限制已不可能按期实施，为此对原设计方案进行优化，将导流隧洞冲沙放空与导流功能分开，仅承担施工导流作用.

2.1 工程设计等级

将导流隧洞原设计方案调整为导流隧洞与坝内冲沙放空孔方案，导流隧洞设计等级为5级建筑物，放空冲沙孔为3级建筑物.

2.2 工程总体布置

将原设计方案调整为导流隧洞与坝内放空、冲沙孔.导流隧洞布置由原的右岸布置调整为左岸布置，放空冲沙空布置在大坝右坝肩与取水口同排布置.

2.3 主要建筑物设计

(1)导流围堰

导流围堰布置在坝上游102 m处，由原来的粘土麻袋调整为C15混凝土刚性围堰，拱基础采用钢筋混凝土板承台，承台下部采用混凝土垫层处理增加基础承载力，按5级建筑物进行设计［3］.其中，坝体及地基弹模均为:E=40000 kg/cm2，坝身线膨胀系数:C=0.00001，拱基础与拱端地基物理力学指标和拱坝形状参数(见表1，表2).

表1 基岩(左右坝肩、坝基)岩石(体)物理力学指标

表2 拱坝形状参数

根据《浆砌石坝设计规范》(SL25－2006)规定，计算基本荷载给合(温降)和特殊荷载组合(温升)的坝体应力和拱端作用力［4］.坝体采用考虑扭转的拱冠梁法，地震作用采用拟静力法，该坝体地震8级设防.拱座采用分层稳定分析中的刚体极限平衡法［5］，计算结果(见表3 ～表4).

从表3～表4可知，拱围堰材料采用C15混凝土，根据《混凝土拱坝设计规范》(SL282－2003)规定:正常情况拉应力不得大于 1.2 MPa，即1200 kN/m2;非常情况拉应力不得大于1.5 MPa，即 1500 kN/m2，应力满足规范要求［6］.

拱座抗滑稳定分析采用刚体极限平衡法，按照拱端座落基岩上部3 m，下部至少6 m进行，其计算成果(见表5).左、右岸坝肩抗滑稳定安全系数满足规范要求.

表3 应力计算成果表(温升)

表4 应力计算成果表(温降)

表5 平面分层稳定计算成果表

根据以上计算复核，拱围堰顶宽1 m，高程1262.00 m，坝下游坡比 1 ∶0.285，底宽 3.064 m，高8 m(最大坝段)，高程1254.00 m，顶层拱圈中心角 87.390，底层拱圈中心角 42.48°.两岸为白云质灰岩，河床为灰华层，拱围堰两端嵌入白云质灰岩0.5 m.为调整两岸及河床纵、横向基础不均匀性，底部采用C20钢筋混凝土板和C15混凝土垫层处理，基础钢筋混凝土板厚1 m，各超出上下游底脚线0.8 m，故底宽4.664 m.下游采用 C15混凝土回填至1254.00 m高程，作为坝脚防冲刷，与开挖线空隙采用钢筋笼装块石护脚，坝基采用灌浆防渗处理.为保证拱围堰施工，在导流隧洞进口至拱围堰间建围堰一座，采用石渣碾压和粘土防渗，围堰顶宽4 m，顶高程1260.00 m，上下游边坡均为1 ∶2.5.

(2)导流隧洞

导流隧洞按5级建筑物进行设计，根据施工导流标准采用10年一遇的枯期导流洪水标准.导流时段选择在 11月至次年 4月，导流流量 Q=33.6 m3/s.当水位至围堰顶1265 m高程时，导流洞泄洪量62.1 m3/s.隧洞断面采用城门洞型，设计断面 B × H=3.95 m ×4.65 m(R=2.28 m，α =1200)，坡比 18‰，糙率按中等修正取 n=0.035.根据《水利水电施工组织设计规范》(SL303－2004)规定，当坝体填筑超过围堰高度时，坝前拦洪库容在1265 m高程对应库容小于1000万m3，相应渡汛标准在20～10年一遇的洪水标准，柘仑水库采取P=10%的全年渡洪水标准，对应流量Q=271 m3/s.

根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288－99)，过水断面面积 A=3.95 × 3.51m2.洞长 L=267.86 m，属于长洞，Q=33.1 m3/s，水位 H=1360.25 m.当水位与隧洞直墙段水平时，最大泄流量达 66.2 m3/s，水位 1261.51 m，围堰顶高程1265.00 m.

计算得L=2.5 m.考虑混凝土的抗渗要求，厚度为总水头的1/20，即46/20=2.3 m.考虑安全系数k=2，取封堵长为5 m，同时为了与坝肩防渗帷幕连成整体，将封堵分为2段，进口段按5 m进行封堵，帷幕轴线位置时按10 m封堵长度与帷幕连成整体;出口考虑1 m的封堵长度封闭整个隧洞出口.封堵段均应采取回填灌浆，以保证封堵效果.

(3)放空冲沙底孔

优化后的放空冲砂底孔布置在坝体右坝肩，即大坝桩号 0+62.76 m处，进口底板高程1260.00 m，闸门井型式为塔式，进口设一道检修钢闸门，闸门井外包尺寸6.0 m×5.05 m，采用C20钢筋混凝土.底孔断面型式为矩形，孔口尺寸2.0 m×3.0 m(b× h)，外 C35 钢筋混凝土，厚 1.0 m，全长49.30 m.在 0+42.62 m处向河流方向转角 450，转角半径8.5 m，出口断面尺寸渐变至2 m×2 m.在出口段设弧型工作闸门及启闭机室，末端桩号0+63.05 m.由于地形较陡，采用C15块石混凝土回填，冲砂底孔冲砂至下游河床.从正常蓄水位放空水库至1260.00 m高程时，共需3.94天.设计最大冲沙流量 Q=46.56 m3/s，对应水位 1303.43 m.

3 施工组织优化设计

导流标准根据施工时间选择在11月至次年2月，导流标准P=20%，导流流量Q=21.6 m3/s，经计算水深1.6 m，围堰取堰顶高程 =1258+1.6+0.4=1260.0 m，0.4 m 为安全超高.

导流围堰采用土石围，上游侧采用粘土防渗，顶宽1 m，底宽6 m，后部为宽顶宽4 m，底宽25 m的土石戗堤，围堰顶高程1260 m.采用C15混凝土拱围堰.围堰施工时可利用现阶段坝肩开挖的石渣在围堰的位置进行碾压成戗堤，待压缩变形不发变化时，进行上游面的粘土防渗.完成后进行拱围堰基础的开挖、基础处理及回填，最后进行帷幕灌浆.围堰施工完后达到设计强度后，进行坝基础开挖.

导流隧洞施工时应考虑挂口位置，以能提前进洞为前提，做好洞脸的支护.开挖按光面爆破原理进行布孔及装药，计算获得最少单方耗药量及单孔线装药量等参数，保证施工对洞身围岩的保护，出渣采用5 T自卸汽车.为保证施工进度采用进出口2个工作面同步施工.

围堰导流隧洞施工总工期3.5个月，导流隧洞开挖2.5个月，围堰施工1个月.

4 结论

柘仑水库大坝原多功能导流隧洞，受工期推迟限制已不可能按期实施.结合工程特性，经现场的踏勘、座谈和应力及稳定性计算，获得投资及施工风险均相对较小的优化设计方案.

(1)导游洞进口调整到安龙地界的左岸位置，成洞条件优越.同时保证施工围堰与上游基坑开挖边坡有较长的安全距离，对整个工程施工较为有利.

(2)将原导流洞兼后期冲沙放空隧洞功能一分为二，导流隧洞只作施工导流之用，局部地质条件较差段采用喷锚支护.

(3)施工时间紧张，汛期坝基已不能回填出河床，故围堰在汛期应具备过水要求.优化设计将围堰调整成刚性围堰，材料采用C15混凝土拱围堰，按定圆心单曲混凝土拱坝原理进行设计，设计等级为5级建筑物.经计算，应力和稳定性满足规范要求.

将导流洞兼放空冲沙隧洞调整为施工导流洞和坝内冲沙放空底孔，并将导流洞调整到安龙地界的左岸，具有节约投资、土地征用协调便利，围堰和导流隧洞施工干扰小等优点.

［1］刘汉鹏.施工导流及后期水流控制［J］.水利科技与经济，2011(6):97－98.

［2］张文友.达响水库工程施工导流设计［J］.水科学与工程技术，2012(1):30－32.

［3］李 扬，黄荣卫，张 婷.五里亭水利枢纽施工导流期间若干问题的数值分析研究［J］.水利与建筑工程学报，2011(5):113－117.

［4］罗彬锋.广东清远抽水蓄能电站上、下水库施工导流设计［J］.广东水利水电，2012(7):48－50.

［5］罗孝明，张云生.小湾水电站施工导流设计综述［J］.云南水力发电，2008(1):31－36.

［6］杨红江，刘云万.腾龙桥二级水电站施工导流设计［J］.小水电，2009(4):56－58.