延安黄河引水工程南河水库导流洞建设方案探析

赵静（延安市黄河引水工程建设管理处　陕西　延安　716000）

延安黄河引水工程南河水库导流洞建设方案探析

赵静
（延安市黄河引水工程建设管理处陕西延安716000）

本文通过分析导流洞概况及所处流域水文地质状况，对导流洞建设方案进行了优化和探讨，提出最佳建设方案，以确保导流洞建设既节约资金，又科学可行，可为类似案提供借鉴。

导流洞；方案优化；探析

1　工程概况

南河水库是延安黄河引水工程在黄河泥沙超限、生态流量受限和引水工程前段检修情况下起反调节作用，并兼有防洪、拦沙及延川县城事故应急供水功能的水利工程【1，2】。坝址位于延川县曹家园则村上游约200m的南河上，坝高74m，总库容2718万m3，正常蓄水位为847.60m，死水位837.3m。南河水库枢纽主要由大坝、导流泄洪洞、输水洞等三部分组成。

南河系清涧河右岸一级支流，流域面积60.5km2。南河水库坝控制流域面积53.4km2，主沟长9.5km，河道长13.5km，河道平均比降18.6‰。南河流域无水文站，洪水主要分为桃汛、夏汛和秋汛，其中夏汛最大。南河所在清涧河流域设有子长水文站和延川水文站，两站以上流域地形及气候条件和南河水库坝址以上流域情况基本一致，经综合分析比较，本次南河水库坝址设计洪水采用以子长站作为参证站，使用水文比拟法进行计算，南河坝址多年平均径流量为233.9万m。南河水库坝址处径流量年内分配采用子长水文站径流量年内分配比例，经计算，多年平均径流量为233.9万m3，南河水库坝址50年一遇、1000年一遇洪水洪峰流量分别为571m3/s、1250m3/s，洪量分别为241.0万m3、620.1万m3。坝址处多年平均输沙量分别为41.5 万t，合30.7万m3。

2　导流泄洪洞

2.1导流建筑物布置

根据南河水库地形条件，从减少工程投资角度分析，将导流泄洪洞和导流洞相结合，即施工期间为导流建筑物，运行期为泄洪建筑物。导流泄洪洞由进口段、塔身段、洞身段和出口段四部分组成。坝址区河谷地形起伏，呈“V”型谷，谷底宽度10m～25m，河床高程779m～780m，两坝肩岸坡相对较陡，上下游坡脚均有基岩出露，坝址左岸由于受冲沟及基岩埋深高程的影响，泄洪建筑物布置较为困难，难以顺直，并且在紧邻左坝肩下游侧的石家河沟中有拟建的高速公路通过，极不利于泄洪建筑物出口的布置。在大坝坝址右岸，岸坡在坝肩部位略微凸起，具有布置顺直隧洞的条件，而且坝肩处基岩顶高程满足泄洪洞布置条件要求，隧洞洞身围岩为强～弱风化砂岩夹泥岩，围岩类别为Ⅲ、Ⅳ类围岩，围岩厚度及高层均满足成洞条件，综合以上分析，将导流泄洪洞布置在右坝肩，洞轴线与坝轴线垂直，进口距坝轴线约180m。

2.2水力计算

根据南河水库流域洪水情况，施工导流标准选取10年一遇洪水标准，相应的洪峰流量为259m3/s。经调洪计算，导流泄洪洞最大下泄流量64.8m3/s，堰前水位801.70m。运用期，在校核洪水位850.15m时，导流泄洪洞最大下泄流量250m3/s。导流泄洪洞出口消能防冲型式采用挑流消能，洪水标准为30年一遇洪水，下游水面高程根据导流洞出口处的水位流量关系曲线查算。经计算，最大冲刷深度16.2m～26.1m，最深冲刷坑至挑流鼻坎的距离约为3倍冲刷深度，不会危及挑坎安全。

2.3导流建筑物设计

导流洞是按永久建筑物设计【3】考虑，建筑物级别为3级。导流泄洪洞进口底板高程795.0m，洞身长448m。洞身段为城门洞型，断面净尺寸4.0m×5.2m（B×H）。由于导流泄洪洞进口距坝脚距离有限，而均质土围堰要求边坡较缓，因此布置均质土围堰难以满足布置要求，本阶段采用土石围堰。围堰采用石渣填筑，基础采用高压旋喷桩防渗，堰顶高程803.00m，最大堰高21m，围堰顶宽7.0m，堰顶轴线长102.60m，堰体上游边坡为1∶1.8，下游边坡为1∶1.75。上游迎水面采用铅丝笼块石护坡厚0.5m。下游围堰堰顶轴线长15m，围堰顶宽6.0m，堰顶高程777.30m，最大堰高2.50m，堰体上、下游边坡均为1∶1.8，围堰堰体采用粘土心墙防渗，基础防渗与上游围堰相同。

2.4导流泄洪洞进、出口高程确定

导流泄洪洞进口的高程既要满足导流的要求又要满足水库永久泄洪的要求，其进口的形式一般可采用两种方式，一种是导流泄洪采用同一进口，另一种是导流时采用较低进口，而永久泄洪时采用后期新建的“龙抬头”式的高进水口。两种方式各有优缺点，两种方案的布置及设计比较见导流泄洪洞进口高程比较表3-1。

以上两种方案都可满足施工导流及永久泄洪的要求［4］，方案一：进口高程略低于淤积层高程，有淤积的可能，但考虑此淤积层面为30年后的淤积面，且隧洞本身还有一定的洞身高度，在泄洪的同时就可以冲掉进口处的泥沙，因此不会出现淤堵洞口的情况；方案二：在施工及布置上均有一定难度，且投资也不占优。综合分析，方案一具有施工方便、投资较省等优点，故本阶段导流泄洪的进口高程确定为795.0m。

2.5进水口型式选择

导流泄洪洞进口型式有塔式进水口和竖井式进水口两种，根据进口处的地形地质条件进行设计布置，竖井式进水口前必须要布置60多m长的压力隧洞，考虑到导流泄洪洞只是定期泄洪，不是常年畅泄，这样压力洞段就容易堵塞，给运行管理带来不便，特别是洪水期，如果闸门前因淤积不能及时打开，将会给整个枢纽工程安全造成威胁；同时压力洞段隧洞也无法检修，存在着一定的安全隐患。塔式进水口的放水塔虽然塔身暴露在外边，对于陕北这个寒冷地区来说，防冻要求比较高，但避免了上述那些不安全的因素，而且完全可以通过混凝土的防冻设计来解决，经综合分析比较，确定进水口形式采用塔式进水口。

2.6导流泄洪洞洞径确定

（1）满足导流要求洞径。分析南河水库导流洞和围堰的关系，可以发现，由于受河道宽高比较小的影响，围堰的工程量随着高度的增加变幅不是太大，而且围堰采用的是土石围堰，材料成本较低，工程投资的变幅也不大。相反导流隧洞因为有400多m长，且采用混凝土材料，其投资随洞径变化幅度较大，因此从控制投资的角度考虑，在满足隧洞施工断面和工程各建筑物布置的条件下，应尽量缩小导流洞的洞径而提高围堰的高度。按照这个规律，进口高程确定为795.0m后，结合水库总体布置，在满足施工要求的情况下，确定导流洞的断面尺寸（宽×高）确定为3.5m×4.0m（城门洞型）。

表3-1　　导流泄洪洞进口高程比较表

（2）满足永久泄洪要求洞径。泄洪洞洞径的大小，主要影响到水库泄洪时库水位的高低，对坝体高度有直接影响，从而影响到工程总投资的变化，由于坝体投资在整个工程中的比例较大，所以泄洪洞洞径是否合适极为关键。为此选取三个隧洞断面（B×H）：3.5m×4.5m、4.0m×5.2m、5.0m× 6.6m，在正常蓄水位相同的前提下，通过调洪确定不同的大坝坝高，并结合隧洞投资进行综合分析比较，最终确定4.0m×5.2m的泄洪断面相对比较合适。

2.7进口引渠段设计

进口引渠段位于桩号导0m～30.6m至导0m～19.6m处，全长11.0m，宽15.6m，前7.0m为1∶2倒坡，后4.0m为平坡，底板为C20钢筋砼衬砌，厚度0.3m。

2.8放水塔布置

考虑到输水洞轴线与导流泄洪洞轴线相距仅20.0m，输水管径较小，为节约投资，输水管道进水塔与导流泄洪洞放水塔合二为一，整个塔体分左右两个井筒，右侧布置压力管道及其工作闸阀，左侧布置泄洪检修和工作闸门。整个塔体矩形塔身，塔顶高程852.0m，最大建基面高程791.0m，总高度61.0m，塔顶上部为启闭机房，两层框架（室内封闭），框架高10.5m，闸房高8.4m，放水塔总高度为79.9m，塔顶高程852.0m上一侧布置有通向坝肩的交通桥，桥宽3.5m。放水塔顺水流向长19.6m，宽15.6m，塔壁厚1.0m～2.0m，两井筒中间共壁，厚2.0m，上下游隔水胸墙厚分别为1.0m～2.0m和3.0m。为方便水库在不同水位都能够尽可能取到表层清水，右侧井筒内输水管道上下布置两个进水口，高程分别为805.0m和825.0m，进水口处布置工作闸阀、拦污栅和检修闸门，拦污栅与检修闸门共槽，孔口尺寸2.2m×2.2m，启闭设施为台车TQ160kN-60m。供水管道沿下游塔壁壁内向下布置，与输水洞内压力管道连接。

2.9洞身段设计

洞身段位于桩号导0+000.00m～导0+448.00m，全长448m，采用圆拱直墙断面，断面净尺寸宽×高为4.0m×5.2m，衬砌厚度0.4m～0.7m。洞身围岩类别为Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类，设计分别采用不同厚度钢筋混凝土衬砌：顶拱采用C25钢筋砼衬砌，侧墙和底板为C40HF钢筋砼衬砌。在洞顶120°范围内进行回填灌浆，回填灌浆孔间排距2.5m×3.0m，深入基岩0.1m，梅花型布置。

3　结语

作为延安黄河引水重点工程，南河水库有着举足轻重的作用，其导流洞更是至关重要，通过分析南河水库洪水和水文特性，从建设周期、建筑物布设及节约投资等方面，对导流泄洪洞建设方案进行了探讨，提出最佳建设方案，即导流泄洪洞布置在大坝右岸，由进口段、塔身段、洞身段和出口段四部分组成，全长513.4m，最大泄量250m3/s。导流泄洪洞进口底板高程为795.00m，采用放水塔控制，洞身长448m，洞身断面尺寸为4.0m×5.2m。探讨导流洞建设方案，对科学建设南河水库，节约投资，加快延安黄河引水工程具有重要作用。陕西水利

［1］孙继昌.中国的水库大坝安全管理［J］.中国水利，2008，20:11-13

［2］陈雷.加大工作力度强化建管责任着力做好小型病险水库除险加固工作［J］.中国水利，2011，08:1-4.

［3］中国水利水电科学研究院，南京水利科学研究院，长江科学院.水工（专题）模型试验规程（SL156～165-95）［S］.北京:中国水利电力出版社，1995.

［4］钮新强.水库病害特点及除险加固技术［J］.岩土工程学报，2010，01:153-157.

（责任编辑：畅妮）

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