东庄水利枢纽工程导流洞布置设计

张春生 杨道坡 董京艳

摘要：东庄水利枢纽工程档水建筑物为高230 m的混凝土双曲拱坝，工程规模巨大。工程采用一次拦断、围堰档水、隧洞导流的导流方式。导流洞规模大，泾河超高含沙量、洞内水流高流速及复杂地形条件给导流洞布置设计带来很大困难。为了合理确定导流洞布置方案，从技术、经济、运用风险等方面，分别进行了导流洞单、双洞布置和左、右岸布置等多方案比较，最终确定采用右岸单洞大洞径导流洞布置方案，并对推荐方案的导流洞进行了泄流能力计算。

关键词：导流隧洞；一次拦断；水力计算；东庄水利枢纽工程

中图分类号：TV554 文献标志码：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.023

1 工程概况

东庄水利枢纽工程位于径河峡谷下段出口以上29km处，工程主要由混凝土双曲拱坝、坝后消力塘、左岸引水发电系统、引水灌溉洞及库区防渗工程等组成。坝高230m，工程等别为Ⅰ等，工程规模为大（1）型。

在坝址下游650m处河道向左60°拐弯，平水期水位590m，水面宽20～30m。坝址上游左岸存在1#崩塌堆积体，最下游出露点距坝线约125m，顺河向长160m，分布宽10～30m，出露高程592～709m。

坝址区河谷为窄V形，河谷底宽30m左右，两岸基岩裸露，岸坡陡峻，具有良好的成洞条件，故初期导流选择一次断流、围堰挡水、隧洞导流的导流方式。经经济、风险控制综合分析比较，同时参考国内类似工程经验，初期导流标准采用10a一遇洪水，相应设计流量为5300m3/s。

2 布置原则

根据该工程的具体条件，导流洞布置遵循以下原则：①导流洞进、出口位置满足河道进流及出口与下游河道的水流平顺衔接要求，同时满足导流洞施工布置要求；②洞身转弯段转弯半径大于5倍洞宽，转弯角度小于60°，进口转弯段前和出口转弯段后直线段长度不小于3倍洞宽；③导流洞进、出口上覆岩体厚度满足进出口洞身结构及岩体稳定要求，同时尽量避开不利地质构造影响，以减少进口边坡开挖工程量和边坡支护处理工程量；④导流洞洞线布置尽量避开不利地质构造影响，上覆岩体厚度满足洞身开挖稳定及衬砌结构要求；⑤尽量提高围堰高度，但围堰应在一个枯水期完建并具备挡水的条件；⑥在现有工程经验基础上确定导流洞规模，确保导流洞施工和运行安全。

3 导流洞布置设计

3.1 导流洞单、双洞布置方案比较

根据初拟的围堰高度、导流标准和流量、坝址区地质条件等，对单洞和双洞布置方案进行了技术、经济及运用风险综合比较。单洞和双洞均采用10a一遇洪水标准设计，相应设计流量为5300m3/s。导流洞均布置在右岸，布置条件相当。因截流流量（为115m3/s）不大，故截流条件差别不大。初期导流运用条件相同，围堰规模相当。导流洞进、出口风化卸荷洞段、断层等构造破碎带围岩类别主要为Ⅲ类，灰岩洞段围岩类别主要为n类，成洞条件较好。两条导流洞布置方案跨度相对较小，岩体稳定性好，结构可靠性高。一条导流洞布置方案隧洞规模大，且存在f56断层穿过导流洞问题，施工难度较大，安全性差；两条导流洞布置方案施工工期较一条导流洞布置方案紧张，虽然存在f5、f56断层，但洞径较小，施工难度较小。导流洞单双洞布置方案综合比较见表1。

单洞与双洞布置方案的布置条件、截流条件差别不大，中期导流运用方式相似，后期导流封堵条件相似。

单洞布置方案优点：直接投资上，单洞方案较双洞方案少約5600万元，占单洞导流工程直接投资的23.2%，相对经济。坝址处地形陡峻、河道狭窄，单洞布置方案施工条件优于双洞布置方案。

双洞布置方案优点：①导流洞运用期间，洞内最大流速达21m/s，属于高流速隧洞；同时，径河属超高含沙量河流，多年平均含沙量144kg/m3，汛期平均含沙量212kg/m3。导流洞过流期间，洞子磨损较常规情况要严重得多，双洞布置方案后期应急检修条件优于单洞布置方案，导流洞运行期间安全性相对较高。②由于地质条件具有不确定性，因此当施工期间出现严重不利地质条件时，双洞布置方案洞径属较小的常规洞径，相对容易处理。③双洞方案洞径较小，洞身支护结构设计难度较小，结构安全相对更有保证。

按照目前的施工技术，单洞、双洞布置方案技术上均可行，无明显优缺差异。充分考虑工程地质条件较好这一因素，从相对经济角度考虑，推荐采用单洞大洞径布置方案。

3.2 导流洞左、右岸布置方案比较

对于导流洞左岸与右岸布置方案，其导流标准、洞径相同，围堰规模差别不大，重点从导流洞规模、施工条件和厂房布置条件三方面进行比较，见表2。导流洞左、右岸布置方案优劣明显，右岸布置方案明显优于左岸布置方案。

3.3 导流洞具体布置

（1）导流洞进口。经计算分析，导流洞出口为淹没流，导流洞进、出口高程抬高，基本不影响其泄流能力，但导流洞的进、出口边坡开挖工程量明显减少，从而减少了导流临建工程量。经综合考虑河床水位、地形条件、截流条件等，最终确定导流洞进口高程为593m。

导流洞进口设置封堵闸门，考虑封堵闸门水头高，尺寸大，在进口闸室设置分流墩，左、右孔口分别设置封堵闸门，孔口尺寸8m×19m。进水塔塔顶高程650m，为了防止塔顶进水影响泄流能力，恶化水流条件，顶部设盖板，导流洞下闸封堵前再打开盖板补气。

（2）底坡。导流洞底坡与进出口高程、洞内流速有关，常取0.1%～0.4%。考虑径河超高含沙量特点，为了避免洞内淤积，在考虑进出口高程的同时，尽可能增大低水位时导流洞洞内流速，同时参考国内已建工程经验，导流洞底坡坡比取0.35%。

（3）断面形式及尺寸。根据围堰规模、施工期设计洪水、水工枢纽布置条件和国内已建工程经验，经调洪演算，导流洞成洞尺寸为17m×19m（宽×高），城门洞形，顶拱角度120°。

导流洞洞内水流最大平均流速达21m/s，洞身拟采用全断面衬砌形式。导流洞洞身围岩类别主要分为Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类，根据导流洞运行方式及洞身各段不同荷载受力情况，洞身沿程采取不同衬砌厚度，导流洞综合衬砌厚度为1.1m。

（4）导流洞出口。由于导流洞出口地质条件较好、岩石出露，为巨厚层灰岩，且导流洞出口无其他水工建筑物，因此导流洞出口未设置专门的消能防冲措施，仅设置20m长混凝土明渠，防止水流的反向淘刷影响导流洞洞身安全。

4 导流洞泄流能力计算

4.1 隧洞水流流态判别

（1）对iH/a≥1.2为半有压流，H/a≥K2m为有压流。式中：K2m为半有压流至有压流的界限值；∑ξ为自进口上游渐变流断面到隧洞出口断面间的局部能量损失系数之和；C为舍齐系数；l为洞长；R为满流时的水力半径；i为隧洞底坡；v2/ga为出口断面弗劳德数的平方。当出口断面周边为大气时，由试验得v/ga=1.62；当出口断面下游有底板时，认为界限状态下的出口断面水深为临界水深hk，即a=hk，则有v2/ga=1。

（2）对i>ik的陡坡隧洞，H/a<1.2为无压流，1.2≤H/a<1.5为半有压流，H/a≥1.5为有压流。

4.2 无压隧洞泄流能力计算

（1）长、短洞判别。①当底坡由缓坡趋于平坡（i=0）时，长短洞的界限长度为lk=（5～12） H，洞长l>lk为长洞、l