某水利枢纽工程中导流洞设计的重点与难点分析

魏 勇，陈业芹，鲍 磊

（上海宏波工程咨询管理有限公司，上海 浦东 200120）

导流洞作为水利枢纽工程中临时性导流建筑物，在整个工程施工中承担着非常重要的角色，导流结束后可与输水洞、泄洪洞、放空洞等永久性建筑物相结合使用，因此，导流洞设计中进出口底板高程确定、流量系数、导流断面洞径大小比选及施工方法以及导流洞封堵等，对整个枢纽工程施工进度、质量及投资影响很大，合理的导流断面不仅关系着抬头坝的填筑高度、填筑量，还影响着整个工程投资，而导流洞封堵体长度设计合理不仅节省工程量，而且能保证结构安全、稳定。本文结合某在建中型水库工程，融入新的设计方法与思路进行导流洞设计。

1 工程概况

在建中型水库枢纽工程主要由拦河坝、导流输水隧洞和溢洪道组成，拦河坝为粘土心墙风化料坝。导流洞全长448.1m，主要由导流进口段、专用段和结合段组成，导流洞前期配合抬头坝参与导流，后期改建成输水隧洞。导流洞洞径设计按照汛期抬头坝填筑高度对应的最高水位确定，抬头坝按一期填筑时施工强度大，工期和质量很难保证，因此将拦河坝导流分两期填筑，枯期导流方式为围堰一次拦断河床，导流隧洞泄洪，汛期导流采用度汛坝体拦洪，导流隧洞导流的导流方式。导流标准为汛期洪水20年一遇洪水（P=5%），设计洪峰流量124 m3/s[1,2]，调洪成果见表1。

表1 在建中型水库设计洪水成果表

2 进出口底板高程确定

2.1 进口底板高程

为满足施工期间导流洞洞口不受河道洪水影响及施工出碴需要，要求导流隧洞进口底板高于河道足够高度，但为了方便导流，降低一期围堰高程，要求导流隧洞进口底板尽量低[3,4]。导流洞进口段原河床宽49 m，河床高程2094.00 m，为满足枯期导流洞进口施工需要，防止洪水影响进口施工，导流洞底板高程应高于河床3 m～4 m，故导流洞底板高程定为2097.60 m，高于河床3.6 m。原河道可过流宽度13 m，河床坡度1.23%，糙率取0.04，5年一遇汛期洪峰流量77.2 m3/s对应的水深1.8 m，低于导流洞进口底板高程，满足导流洞施工期的度汛要求。

2.2 出口底板高程

根据施工安排，导流洞施工需要度汛，隧洞度汛洪水标准为20年一遇，隧洞出口20年一遇洪峰流量为123 m3/s，根据隧洞出口水位-流量结果，采用插值法计算得到隧洞出口20年一遇度汛水位为2077.96 m，考虑波浪影响[5,6]，取隧洞出口底板高程2078.50 m，出口水位-流量结果表见表2。

表2 在建中型水库出口水位-流量结果表

3 洞径比选研究

在建中型水库坝高74.8 m，水库坝址以上控制径流面积42.1 km2，河道平均坡降47.7‰，坝轴线处清基面高程2076.3 m，拦河坝坝顶高程2151.10 m，导流洞进口底板高程2097.60 m，洞身设计断面为城门洞型，断面尺寸分别选取1.8 m×2.2 m、2.2 m×2.5 m和2.5 m×3.0 m三种断面形式，按汛期20年一遇洪水（P=5%）进行调洪计算，最终根据度汛抬头坝高程对应抬头坝填筑量、施工周期及强度、工程投资等综合考虑，选择合理的断面尺寸[7]。

3.1 流量系数确定

导流洞在进行断面尺寸设计时，汛期导流按有压满流考虑，根据水力学计算手册（第二版）隧洞有压流基本计算公式[8～10]，流量系数按下式计算：

式中：μ为流量系数，ζi为隧洞第i段上的局部能量损失系数，其它符号代表含义见水力学计算手册。

每一不同的设计断面可计算得到一个流量系数，本文以2.2 m×2.5 m导流断面为例，进行流量系数计算，计算得到的结果见表3，同理1.8 m×2.2 m和2.5 m×3.0 m计算得到的流量系数分别为0.384、0.476。

表3 导流隧洞流量系数计算表（2.2m×2.5m断面）

3.2 调洪计算

流量系数得到后，采用《水利水电工程设计计算程序集》软件（简称PC1500）进行调洪演算[11]，得到不同时段的水位与泄流量结果，并绘出水位-泄流量曲线图。

3.2.1 原始数据

对原始数据包括水位-水面面积关系曲线节点数，导流洞尺寸及进口高程、闸门尺寸及闸底高程、洪水时段、洪水过程、起调水位等输入PC1500软件，具体数值见表4～表6。

表4 水位-水面面积关系曲线节点数（k=37）

表5 洪水过程时段及水位情况

表6 导流洞尺寸及高程表

3.2.2 计算结果

进行PC1500进行调洪的结果见表7。

表7 调洪计算结果表 单位：m3/s

经过计算，导流洞汛期最大下泄流量为58.84 m3/s，所对应的最高水位为2115.29 m，调洪度汛曲线见图1。

图1 调洪度汛曲线

3.3 洞泾比选结果

采用水力计算软件PC1500，将洞身断面尺寸分别为1.8 m×2.2 m、2.2 m×2.5 m和2.5 m×3.0 m三种洞身断面进行调洪（见图2），根据最大下泄流量对应的水库最高水位，分别得到度汛抬头坝高程和抬头坝填筑量，见表8。

图2 PC1500计算结果示意图

经过施工组织安排，大坝的填筑在两个枯水期内完成，第一个枯水期填筑时间为3.5个月，第二个枯水期填筑时间为5个月，洞径2.2 m×2.5 m所计算的抬头坝填筑量大约为总量的44.32%，两期月填筑强度相对较均衡（第一期强度9.98万m3/月，第二期强度8.77万m3/月），且导流洞洞径相对较小，投资较小。1.8 m×2.2 m洞径对应的一期抬头坝填筑量较大，施工强度大，工期难保证。2.5 m×3.0 m洞径对应的度汛抬头坝填筑量小，但洞径增大将导致投资增大，不经济，并且第二期施工强度大，工期很难保证。综合考虑导流洞洞径为2.2 m×2.5 m的城门洞型较为合适[12,13]。

表8 不同断面洞身尺寸比选结果表

3.4 导流洞水力计算

导流隧洞在施工期导流运行过程中，进口流态随上游水位的变化，分为进口无压、半有压和有压泄流三种工况。根据《水力学计算手册》（第二版）（武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室李炜主编，中国水利水电出版社）第七篇水工隧洞的水力计算，结算结果见表9。各流态计算公式为：

表9 导流隧洞下泄流量～水位关系表

综上比较，库水位2115.29 m时导流洞最大流量为60.37 m3/s，大于C-2调洪演算时的最大下泄流量，导流隧洞满足泄流要求。

4 封堵体长度计算

4.1 计算方法

导流洞堵封体计算方法有经验公式、结构计算以及数值计算3种计算方法，本文在依据水工规范，总结前人工程经验等计算方法的基础上，采用《水工随动设计规范》（SL 279-2016）版中堵封体的计算方法。计算方法如下：

（1）封堵体长度一般取封堵隧洞开挖洞径（或洞宽）的3倍以上，个别小型工程取2倍洞径，即L≥（2～3）D，式中L为封堵体长度，D为封堵洞洞径（或洞宽）；

（2）挪威经验公式：L≥（3～5）H/100，式中H为水头，L为堵封体长度；

（3）按经验公式：L=HD/50，式中H为水头，D为洞泾，当隧洞为非圆形时，换算直径D=(4A/π)(1/2)；

（4）根据现行水工隧洞设计规范（SL 279-2016）中封堵体的抗滑稳定公式计算：

式中：K为按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数，K≥3；S为荷载效应设计值，kN；∑P为封堵体承受的全部荷载效应对滑动面的最大切向分值，kN；∑W为封堵体承受的全部荷载效应对滑动面的最大法向分值，向下为正，kN；f′为混凝土与岩石或混凝土与混凝土的抗剪断摩擦系数；C′为混凝土与岩石或混凝土接触面的抗剪断黏聚力，kPa；Ai为除顶拱部位（90°～120°）外，封堵体底面、侧面与围岩（或砼）接触面的面积，m2；λi为除顶拱部位（90°～120°）外，封堵体底面、侧面与围岩（或砼）接触面的有效面积系数，底面λ=1，侧面λ=0.7。

4.2 计算结果

根据地质情况及工程经验类比，堵封体位置处围岩类别为Ⅳ类，计算围岩混凝土间的摩擦系数f=0.6，粘聚力c=400 kPa，混凝土容重γ=2400 kg/cm3，各种方法计算得到的封堵体长度见表10。

表10 导流洞封堵体长度的计算成果

根据以上结果可知，4种计算方法所得到的封堵体的长度结果相差较大，结果最大相差3.4倍，本工程经过综合对比，最后采用现行《水工隧洞设计规范》（SL 297-2016）的计算方法，导流输水隧洞封堵体长度L取4 m。

5 结论和建议

1）计选取1.8 m×2.2 m、2.2 m×2.5 m和2.5 m×3.0 m三种断面形式，从抬头坝填筑高度、填筑量与施工工期、强度等方面进行比选，结合工程投资，选择出符合该枢纽工程的导流洞断面，既保证了施工工期，又节省了投资。

2）导流洞进、出口底板高程确定在导流洞设计中极其重要，不仅关系到导流洞施工期不受洪水的影响，也直接影响着导流洞调洪验算结果的正确性，影响洞径断面选择。

3）导流洞洞径选择后，要进行水力计算，复核选择导流洞断面是否满足过流能力，若不满足，应重新进行断面设计，也可能进行轴线和体型调整。

4）在计算封堵体长度上相差很大，绝不能采用其中一种方法确定其长度，长度太长，会影响造价及施工工期，太短容易引起水力击穿或者封堵体滑动。在封堵体体型、受力等确定的前提下，采取几种方法组合计算封堵体长度，并结合工程经验最终确定封堵体长度。