遵义下坝水库取放水隧洞建筑物优化设计

张　丹，李　伟

(1.遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义　563000；2.西北农林科技大学，陕西 杨凌　712100)



遵义下坝水库取放水隧洞建筑物优化设计

张丹1，李伟2

(1.遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义563000；2.西北农林科技大学，陕西 杨凌712100)

摘要：针对下坝水库地形地貌、地质条件循特点，现场踏勘后综合考虑工程占地、施工难度及工程投资等因素，优选“利用导流隧洞改为有压取水/放空隧洞”的一洞三用取放水方案.经水力计算、隧洞衬砌计算、应力稳定性复核等论证分析，结果表明:隧洞建筑物结构、过流能力、衬砌裂缝宽度和稳定性等，均满足规范要求，优化设计方案具有一定的技术可行性和经济合理性.

关键词：遵义；下坝水库；导流隧洞建筑物；取放水；稳定复核

1工程概况

下坝水库位于桐梓河左岸二级支流混子河支流三岔水，属于长江流域赤水河水系.坝址以上流域面积32.0 km2，多年平均径流量1 730万m3，多年平均降水量1 083.4 mm.水库正常蓄水位1 000.00 m，死水位978.00 m，正常库容923万m3，总库容1 236万m3，年供水能力1 063万m3/a.工程任务为城市供水、农村人饮和农田灌溉(恢复)，为Ⅲ等中型水库.

水库枢纽主要由拦河大坝、溢洪道和取放水隧洞等建筑物组成.大坝(混凝土面板堆石坝)最大坝高48.0 m，水库无重大防洪对象，故大坝、泄水建筑物、取放水隧洞建筑物按3级建筑物设计；永久性次要建筑物按4级建筑物设计，临时性建筑物按5级建筑物设计.[1]

2取放水隧洞工程地质条件

水库取放水隧洞布置于左岸，沿线地面高程958.00～1 042.00 m，一般埋深30～50 m，最大埋深75 m.沿线穿越地层依次为奥陶系下统湄潭组第一段(O1m1)砂质页岩为主，夹粉砂岩、灰岩，第二段(O1m2)中厚层灰岩夹粉砂岩，第三段(O1m3)砂质页岩夹粉砂岩，岩层产状N54°W/SW∠12°，基岩强风化深5～8 m，区内断层构造不发育，构造以裂隙为主，主要发育有：①N75°E/NW∠80°，②N25°W/SW∠60°，③SN⊥，受裂隙切割，岩体较破碎，岩体强风化带完整性较差.洞身多处于碎屑岩地层内，地下水主要为基岩裂隙水，发生岩溶涌水的可能性较小.

隧洞进口闸井段多被第四系残坡粘砂质粘土层覆盖，厚1.5 m左右，局部基础出露，基岩岩性为O1m1砂质页岩、粉砂岩.闸井基础在清除覆盖层后置于O1m1强风化层中下部相对完整岩体上，并对局部裂隙进行适当工程处理后，其承载力能满足上部建筑物要求.

洞身段出露地层为O1m1～O1m3砂质页岩、粉砂岩、灰岩等，洞身段位于弱至新鲜岩体中，岩体完整性总体较好.洞身段多为砂质页岩、粉砂岩等软质岩分布，多呈薄层状分布，以Ⅳ类围岩为主.进出口段裂隙发育，由层面与节理裂隙组合可能产生局部不稳定块体，局部岩体稳定性较差，为Ⅴ类围岩.隧洞开挖后，砂质页岩遇水易软化，建议对隧洞进行全断面衬砌，且应及时进行封闭及支护处理[2].进出口洞脸边坡为岩质边坡，进口边坡为逆向边坡，出口以斜向边坡为主.边坡结构对边坡稳定有利，但边坡基础多处于强风化岩体，受裂隙切割，岩体较破碎，边坡稳定性较差.因此，进出口洞脸需进行锁口衬砌后方可进行洞挖，同时隧洞进口段局部存在危岩体分布，应进行清除处理[3].

出口段基础出露，基岩岩性为O1m3砂质页岩夹粉砂岩，引渠开挖后将形成2～12 m岩质边坡.基岩边坡以斜向坡为主，边坡结构对边坡有利，但边坡多位于强风化层内，受裂隙切割，岩体较破碎，应进行支护处理.

3取放水隧洞建筑物布置方案设计

3.1取放水方案比选

根据坝址地形地质条件并结合输水管线的布置，方案比选时设计推荐三种取放水方案，即：左岸单独新建取水隧洞、改造利用导流隧洞成为有压取水/放空隧洞(“龙抬头”岸塔式取水口+有压洞身+出口接取/放水管)、改造利用导流隧洞成为无压取水/放空隧洞(“龙抬头”岸塔式取水口+无压洞身+洞内穿取/放水管)的取放水方案.经技术可靠性、经济合理性和施工便捷性等方面进行综合比较，优选三种取放水建筑物布置方案进行同精度设计，从布置、施工、工程投资等多方面进行综合对比分析，其比较成果(见表1).

表1　取放水建筑物技术经济比较成果

从表1对比可知：新建有压取水隧洞方案在布置上与其它枢纽建筑物分散布置，施工条件和工期上均有优势，但投资最大；利用导流隧洞改为无压取放水方案，压力管线增长较多，投资较不经济，且进口龙抬头段及洞内管道安装的施工处理难度相对较大.利用导流隧洞改为有压取放水较其他两种方案：①投资上较经济；②虽该方案隧洞建筑物区为Ⅲ～Ⅳ类围岩，局部溶蚀段为Ⅴ，地质条件不太好，但对其采取全断面衬砌措施进行补强加固处理后，能够满足工程安全稳定性要求.同时，一洞三用方案在满足工程要求的基础上，能充分利用临时建筑物.综合必选后，设计推荐采用“改造利用导流隧洞成为有压取水/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体布置

利用导流隧洞改为“一洞三用”，即利用临时建筑物导流隧洞，将导流隧洞进口采取“龙抬头”改造成取放水隧洞进口，通过竖向转弯后至导流隧洞洞身(与导流隧洞共用)，导流隧洞出口改造后成为放空兼取水隧洞的“一洞三用”方案，该方案由取水口+“龙抬头”改造段+有压隧洞+放空和取水压力管道组成.经布置和计算，取放水隧洞总长308.0 m，其中取水口闸井段长6.60 m，首端压力管道改造段长7.90 m，与导流隧洞共用段长282.8 m，出口放空闸室段长10.0 m.DN800取水管由放空闸室首部竖向取水引至隧洞出口左侧闸阀房，压力钢管段长20 m.取水口设在导流隧洞进口，采取有压取水，取水口进口设3.0 m×2.0 m的拦污栅1道和2.0 m×2.0 m的平板事故检修闸门1扇，进口闸井底板高程975.50 m，进口段经水平和竖向转弯后(桩号取0+000.00～取0+014.50)接至导流隧洞内，中段与导流隧洞共用(桩号取0+014.50～取0+297.30)，在导流隧洞出口左侧采用φ800钢管接至闸阀室，并在之前设φ400 mm生态兼灌溉放水管.导流洞出口改造后作水库放空设施，出口设1.5 m×1.5 m(宽×高)的弧形工作闸门1道，出口底板高程958.14 m.

4取放水隧洞建筑物设计计算

4.1隧洞建筑物水力计算

(1)水头损失

根据武汉水利电力学院编《水力计算手册》所列公式和参数进行计算，沿程水头损失按曼宁公式计算.计算中钢筋混凝土衬砌的糙率系数n=0.014，钢管的糙率系数n=0.012.计算结果表明取水设施总水头损失为0.28 m(见表2).

表2　取水设施水头损失计算成果

(2)泄流能力计算

泄流能力是决定泄水建筑物尺寸大小的关键指标，按照《水工隧洞设计规范》(SL279—2002)推荐公式进行隧洞泄流能力计算[3]，即：

(1)

式中：A—出口处面积，m2；

μ—流量系数，计算隧洞沿程及局部水头损失后，μ=0.431；

Hz—管道出口中心作用水头，m.

经计算，水库水位处于死水位978.00 m，取水隧洞最大泄流流量(闸阀全开工况时[3,5])Q=1.15 m3/s，远大于引用流量0.503 m3/s(其中供水流量0.436 m3/s，生态流量0.055 m3/s，灌溉流量0.012 m3/s)，设计建筑物尺寸结构满足要求.

(3)最小淹没深度计算

运用戈登公式计算进水口最小淹没水深[4-5]，即：

v=Q/A

(2)

式中：S—闸孔顶板高程以上最小淹没水深，m；

c—进水口形状系数，取c=0.73；

v—闸孔断面流速，计算得v=0.126m/s；

d—闸孔高度，d=2.0m.

4.2隧洞衬砌计算

取水兼放空隧洞采用钢筋混凝土衬砌，钢筋混凝土衬砌段长度为290 m，侧墙和顶拱C20F50W6混凝土衬砌厚50 cm，底板C20F50W6砼衬砌厚30 cm，衬砌后尺寸3.5 m×4.5 m.衬砌按限裂要求设计，采用北京理正软件设计研究院编制的《理正水工隧洞衬砌计算软件》进行内力计算及配筋计算，并结合水工隧洞的洞型和荷载特点，以计算水工隧洞衬砌在各主动荷载及其组合作用下的内力、位移及抗力分布[6].计算工况分四种，即：

工况1(基本荷载组合)——正常运行工况：荷载组合为围岩压力+衬砌自重+设计洪水时的内水压力+外水压力，允许裂缝宽度为0.25 mm；

工况2(特殊荷载组合)——检修工况：荷载组合为围岩压力+衬砌自重+可能出现的最大外水压力，允许裂缝宽度为0.30 mm；

工况3(特殊荷载组合)——施工工况：荷载组合为围岩压力+灌浆压力+衬砌自重+温度应力+可能出现的最大外水压力，允许裂缝宽度为0.30 mm；

工况4(特殊荷载组合)——非常运行工况：荷载组合为围岩压力+衬砌自重+最大水击压力+校核洪水时的内水压力+外水压力，允许裂缝宽度为0.30 mm.

(1)基本参数

衬砌容重，γ=25kN/m3；混凝土弹性模量，Eh=2.55×104N/mm2；C20混凝土抗压极限强度，fc=9.6N/mm2；环向筋及纵向筋均按Ⅱ级钢筋考虑，fy=300N/mm2.隧洞洞身段的围岩类别主要为Ⅲ～Ⅳ类围岩，局部溶蚀段为Ⅴ，进出口段为Ⅳ类围岩.岩石坚固系数f=1～4，弹性抗力系数K0=1～20MPa·cm-1.隧洞衬砌裂缝宽度计算成果(见表3).

表3　隧洞衬砌裂缝宽度计算

从表1可知，经隧洞衬砌裂缝宽度计算复核，在各种运行工况下计算裂缝宽度均小于规范限裂要求.

4.3放空隧洞出口闸室稳定计算

出口工作闸室总长10.7 m，宽5.5 m，总基底面积58.85 m2，闸墩高8.4 m，厚1.4～2.0 m，基础坐落于O1m3砂质页岩夹粉砂岩上.

(1)抗滑稳定计算

放空隧洞出口闸室受到铅直力和水平力的共同作用下，要求沿闸室底面的抗滑力必须大于作用在闸室结构水平向的滑动力，并有一定的安全系数[7]，即：

(3)

f′、C′—建基面的抗剪断摩擦系数、粘结力,分别采用0.43和0.20；

∑W、∑P—分别为建基面上作用力的法向分量总和和切向分量总和；

A—建基面面积.

放空隧洞出口闸室抗滑稳定计算荷载组合分为基本组合和特殊组合：

基本组合1：设计洪水位+自重+静水压力+扬压力+雪荷载+风压力+活荷载；

基本组合2：正常蓄水位+自重+静水压力+扬压力+雪荷载+风压力+活荷载；

特殊组合1：施工期挡水+自重+静水压力+扬压力+雪荷载+风压力+活荷载；

特殊组合2：校核洪水位+自重+静水压力+活荷载；

经计算，放空隧洞出口闸室抗滑稳定计算成果(见表4).

表4　抗滑稳定计算成果

由表4可知，基本组合工况下抗滑稳定安全系数为：设计洪水位条件下为3.15，正常蓄水位条件下为3.27；特殊组合工况下抗滑稳定安全系数为：施工期挡水条件下为2.83，校核洪水位条件下为2.77.基本组合和特殊组合工况下，出口闸室抗滑稳定安全系数均大于规范技术指标，抗滑稳定性较好.

(2)抗倾覆稳定计算

为确保隧道闸室具有较高的安全可靠性，需要复核垂直于闸室基础的抗倾覆稳定性，即：

(4)

式中：K0—抗倾覆稳定安全系数；

∑Ms—建基面上稳定力矩总和；

∑M0—建基面上倾覆力矩总和.

放空隧洞出口闸室抗倾覆稳定计算荷载组合同上.经计算，放空隧洞出口闸室抗倾稳定计算成果(见表5).

表5　抗倾覆稳定计算成果

由表5可知，基本组合工况下抗倾覆稳定安全系数为：设计洪水位条件下为1.36，正常蓄水位条件下为1.42；特殊组合工况下抗倾覆稳定安全系数为：施工期挡水条件下为1.26，校核洪水位条件下为1.18.基本组合和特殊组合工况下，出口闸室抗倾覆稳定安全系数均大于规范技术指标，抗倾覆稳定性较好.

(3)抗浮稳定计算

为了评价放空隧洞出口闸室抗浮力抗拔稳定性[8]，进行抗浮稳定性计算，即：

(5)

式中：Kf—抗浮稳定安全系数；

∑V—建基面上垂直力总和(不含设备重量)；

∑U—建基面上扬压力总和.

放空隧洞出口闸室抗浮稳定计算荷载组合同上.经计算，放空隧洞出口闸室抗浮稳定计算成果(见表6).

表6　抗浮稳定计算成果

由表6可知，基本组合工况下抗浮稳定安全系数为：设计洪水位条件下为1.38，正常蓄水位条件下为1.49；特殊组合工况下抗浮稳定安全系数为：施工期挡水条件下为1.33，校核洪水位条件下为1.24.基本组合和特殊组合工况下，出口闸室抗浮稳定安全系数均大于规范技术指标，抗浮稳定性较好.

5结论

下坝水库属峡谷型水库，工程区地形地质条件复杂，受裂隙切割岩体较破碎，岩体强风化带完整性较差.为确保隧洞建筑物具有较高安全稳定性，提高项目投资经济效益，在规划设计阶段进行了方案比选及设计优化，减少了施工难度和工程占地，重点考虑以下几个方面.

(1)取放水隧洞工程地质条件较复杂，边坡稳定性较差,易形成滑坡、崩塌、偏压、泥石流等问题，经隧洞进口段危岩体清除、洞身全断面衬砌、出口段破碎岩体支护等处理，可满足工程安全稳定要求.

(2)从技术、经济方面进行综合比较，并充分考虑工程区地形地质、大坝枢纽布置、施工临时建筑物及取放水隧洞平顺连接等条件，优选具有布置紧凑合理、易于施工和工程量小等优点的“利用导流隧洞改为有压取水/放空隧洞”的一洞三用取放水方案.

(3)取放水隧洞整体由取水口+“龙抬头”改造段+有压隧洞+放空和取水压力管道组成，取水口设在导流隧洞进口，采取有压取水；导流隧洞出口左侧采用φ800钢管接至闸阀室，并在设φ400 mm生态兼灌溉放水管.

(4)水力计算、隧洞衬砌计算及出口闸室稳定计算结果表明:隧洞水头损失较小，泄流能力和最小淹没深度满足要求.各种运行工况下的裂缝宽度，抗滑稳定、抗倾覆稳定和抗浮稳定等安全系数，均满足规范要求.

参考文献：

[1]张国良,王胜军,王宁波.天池抽水蓄能电站长斜井开挖施工方案比选[J].人民黄河,2015,37(3):116-119.

[2]张伟.水库放水隧洞的不良地质情况的处理[J].山西水利科技,2012(184):75-76.

[3]中华人民共和国水利部.SL386—2007水利水电工程边坡设计规范[S].北京:中国水利水电出版社出版，2007.

[4]中华人民共和国水利部.SL285—2003水利水电工程进水口设计规范[S].北京:中国水利水电出版社出版，2003.

[5]中华人民共和国水利部.SL279—2002水工隧洞设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2002.

[6]李建伟.水工深埋隧洞固结灌浆应力变形分析[J].水利科技与经济,2015(1):15-17.

[7]薛超，郑源.有压管道过渡过程的数值计算[J].人民黄河,2011(10):113-115,120.

[8]李文君,张文友.南拒马河倒虹吸进出口渐变段抗浮稳定措施研究[J].水科学与工程技术,2010(3):60-62.

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

中图分类号：TV512

文献标志码：A

文章编号：1008-536X(2016)02-0032-05

作者简介：张丹(1987-)，女，贵州遵义人，助理工程师，主要从事水利水电工程设计工作.

收稿日期：2015-09-12