广安龙滩水库导流洞设计

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳，550081)

1 工程概况

龙滩水库位于广安市前锋区桂兴镇境内，坝址位于桂兴镇大店村龙滩子峡谷口，距广安中心城区约40km，距前锋火车站约10km。坝址与广安市区有省道S304、县道X167、XX18公路相通，对外交通方便。

龙滩水库是一座以农业灌溉、乡村供水、发电等综合利用的中型水利工程，枢纽工程属Ⅲ等中型工程，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。水库校核洪水位428.80m，总库容3010万m3，正常蓄水位425m，正常蓄水位以下库容2645万m3，死水位381m，死库容200万m3，兴利库容2445万m3。枢纽工程包括拦河大坝、坝身泄洪系统、取水隧洞、渠首电站及皮子槽河库区巷道防渗工程。

拦河大坝为抛物线型碾压混凝土双曲拱坝，坝顶高程430.00m，最大坝高85m，坝顶弧长219.97m，坝顶宽7.0m，坝底厚21.50m。坝身泄洪系统由4个溢流表孔和1个底孔组成，溢流表孔堰顶高程425.00m，底孔进出口底板高程373.00m，出口孔口尺寸为3m×3m(宽×高)，设置弧形工作闸门。

取水隧洞布置于大坝左岸，由取水口、隧洞、压力钢管等组成，引水线路全长160.46m(取水口至放水管末端)。取水口采用岸塔式布置，底板高程376.00m；隧洞全长122.20m，由上部上平段与斜井段组成，水平段长99.16m，斜井段长23.04m；隧洞后接压力钢管，主管经岔管分出三条支管，其中两条支管接入厂房供发电，另一条支管下放水流进入尾水渠。

渠首电站主厂房尺寸26.5m×10m×12.47m(长×宽×高)，厂内布置两台单机容量为0.5MW的水轮发电机组和放水管锥形阀，机组安装高程362.00m。

2 施工导流方案分析

通过对龙滩水库枢纽区地形地质条件、区域水文特性及枢纽工程建筑物布置综合分析比较后确定施工导流方案。

由于坝址区河床狭窄，水面仅宽15m～20m，而且两岸高陡，局部近直立，采用大规模明挖山体形成明渠导流的方式显然不合理，本工程坝址不具备分期导流和明渠导流的条件，宜采用围堰一次拦断河床、枯期隧洞导流的方式。

3 导流洞设计

枢纽工程导流建筑物由左岸导流洞、上游土石围堰组成，大坝消力池护坦开挖最低高程357.00m，护坦末端河床深切，根据导流洞布置和出口水位流量关系，不需布设下游围堰。

3.1 导流方案比选

坝址河段河谷对称，左右岸均具备布置导流洞条件，考虑到施工期间左干渠引水及下游电站发电需要，导流洞布置在左岸可满足以上要求；若导流洞布置在右岸，需采取引水措施，保证施工期干渠引水。本阶段拟定五个方案进行比选。

方案1：导流洞布置在河床左岸，洞线从枢纽工程区厂房后侧绕过，出口接干渠，保证施工期干渠引水，导流洞长度约367.19m。

方案2：导流洞布置在河床右岸，出口接渡槽引水至左岸干渠，保证施工期干渠引水及下游电站发电。导流洞进口覆盖层采用明挖方式处理，导流洞长度约170.52m，渡槽长度约74.65m。方案1和方案2布置见图1。

图1 导流方案1和方案2比选布置

方案3：导流洞布置在河床左岸，洞线从枢纽工程区厂房前侧绕过，出口接干渠，下游引水从干渠引用，引水受到枢纽工程区厂房阻挡，采用厂房内埋管的形式，保证施工期干渠引水及下游电站发电，导流洞长度约273.92m，厂房内埋管管径1.5m，长度约40m。

方案4：导流洞布置在河床右岸，采用施工支洞的形式引水，施工支洞布设在下游原拱坝上游侧，在原拱坝上游侧修建倒虹吸引水至干渠，引水受到枢纽工程区厂房阻挡，采用厂房内埋管的形式，保证施工期干渠引水及下游电站发电，导流洞长度约170.52m，施工支洞长度约70m，倒虹吸长度约50m，厂房内埋管管径1.5m，长度40m。

方案5：导流洞布置在河床右岸，出口接渡槽引水至左岸干渠，保证施工期干渠引水及下游电站发电。导流洞进口覆盖层约75m，采用强支护方式(管棚法)进洞开挖，导流洞总长度约221.52m，渡槽长度约74.65m。

初步分析，方案1、方案2、方案5可行；方案3导流洞从厂房前侧通过，虽然节约了洞长，但由于要采用厂房内埋管的形式引水，与厂房施工形成干扰，存在安全隐患，为保证厂房施工、机组安装和施工期下游引水安全，方案3不合适；方案4同样存在厂房内埋管问题，形成交叉施工，存在安全隐患，亦不推荐采用。以下对方案1、方案2和方案5进行重点比选。三方案优缺点比较如下：

(1)方案2和方案5导流方案工程费用比方案1导流方案分别增加约288.21万元、55.07万元；

(2)方案1导流施工简便，无干扰，难度小；方案2和方案5导流洞出口需修筑渡槽接左干渠，且渡槽存在施工导流问题，施工程序多，风险高，难度大。同时右岸导流洞进口为覆盖层基础，汛期来临时导流洞施工未完工，需修筑临时围堰，且须做好堰体及堰基防渗。

(3)方案2导流洞进口存在深厚覆盖层，开挖方量大，相应边坡支护量也大，且高边坡施工风险大；方案5导流洞进口覆盖层采取强支护(管棚法)方式成洞，管棚为柔性棚架体系，其基础坐落于覆盖层上，存在沉降的可能；管棚超前灌浆的工程量存在不可控性，同时覆盖层成洞本身存在一定的风险性；方案1导流洞进口地质条件相对较好。

综合分析3个导流方案，方案2和方案5导流工程规模及工程量增加较多，同时并未缩短施工工期，因此，本工程推荐方案1左岸导流洞导流方案。

3.2 导流洞断面比选

对导流洞进行2m×2.5m、2.5m×3m、3m×3.5m(宽×高)三种城门洞型断面比较，见表1。

表1 导流洞断面比较

通过表1分析：

(1)2m×2.5m和2.5m×3m断面比较：堰前水位相差1.17m，围堰高度相差1.2m，工程量相差不大，但2m×2.5m断面，水流处于半有压流，流态不利，另外断面较小，不利于施工，影响施工进度。

(2)2.5m×3m和3m×3.5m断面比较：堰前水位相差0.16m，围堰高度相差0.2m，两种断面围堰规模相当，但3m×3.5m断面比2.5m×3m大，相应导流隧洞洞挖及支护工程量增大。因此，综合分析后导流洞断面选定2.5m×3m城门洞型。

3.3 导流洞布置设计

3.3.1 导流洞进口段

导流洞布置在左岸山体内，进口明渠采用八字形，长度24.00m，闸室顺水流长5.0m，垂直水流宽4.7m，高度8.5m。

导流洞进口河床高程370.45m，进口高程的选取既要保证过流顺畅，避免淤堵，又要考虑截流难度。选取太高，增加截流难度，选择太低，需对河漫滩地进行开挖，同时增加了淤堵的可能性。综合考虑，导流洞进口高程选取为366.50m。

为减少局部水头损失，提高导流洞的泄洪能力，避免气蚀的发生，将导流洞进口闸室设计成喇叭口型式，其进口曲线按隧洞设计规范推荐的椭圆形曲线选用：

3.3.2 导流洞洞身段

导流洞洞身段长367.19m，进口高程根据地形地质条件及枯期水位确定为366.50m，出口接目前左干渠，高程359.00m，底坡2.04%，导流洞在平面上转两个弯，转弯半径均为30m，转弯角分别为46.50°、37.00°。断面形式为城门洞型，过水断面2.5m×3.0m(宽×高)。全洞段采用钢筋混凝土衬砌，Ⅲ类围岩衬砌厚度30cm，开挖断面3.3m×3.7m(宽×高)，支护措施采用喷混凝土5cm，锚杆直径φ22，L=2m，间排距3.0m×3.0m；Ⅳ类围岩、围岩破碎带及岩溶发育部位衬砌厚度为40cm，开挖断面3.5m×3.9m(宽×高)，支护措施采用喷混凝土10cm，锚杆直径φ22，L=2m，间排距2.5m×2.5m。全洞段顶拱120度范围采用回填灌浆；全洞段采用固结灌浆，间距3m×3m，L=2m。

3.3.3 导流洞出口段

导流洞出口为明渠扩散段，出口高程结合现有渠道高程确定为359.00m；顺水流长23.27m，垂直水流逐渐扩散至6.53m，导流洞左侧墙预留孔口断面2.0m×2.25m接干渠，多余水量通过消力池下泄河道。为防止水流漫溢，消力池后采取开挖成槽，边墙防护。开挖后浇筑混凝土形成台阶消能措施，台阶高0.5m，宽0.5m，至基岩初露处，开挖成槽即可，两侧边墙高度3.0m。

3.3.4 导流洞堵头

导流洞堵头段为3级永久建筑物，为保证堵头段封堵后的绝对安全，不影响龙滩水库正常运行，采用《水工隧洞设计规范》(SL 279-2002)进行计算分析，并留有一定的安全富余度。

导流洞堵头位置结合永久防渗帷幕考虑，布置在洞身桩号0+210.54m～0+230.54m处，按永久挡水建筑物设计考虑，为3级建筑物(与大坝相同)，结构安全级别为Ⅱ级。根据《水工隧洞设计规范》(SL 279-2002)，结构计算采用承载能力极限状态方法设计，表达式采用《水工隧洞设计规范》(SL 279-2002)6.8.3条，抗滑稳定按柱状封堵体计算，计算公式：

式中：L——封堵体长度，m；

P——封堵体迎水面承受的总水压，MN；

[τ]——容许剪应力，取0.2MPa～0.3MPa；

A——封堵体剪切面周长。

导流洞衬砌后过水净断面面积6.98m2。堵头长度按校核库水位429.54m考虑，作用在混凝土堵头上的最大水头为66.77m，为增加堵头的抗滑和抗剪能力，将堵头设计成单齿楔形结构。采用承载能力极限状态设计方法，按柱状封堵体进行抗滑稳定计算。

根据计算结果并考虑安全储备，最终确定堵头长度为20m。封堵混凝土采用C20微膨胀混凝土。

4 结语

龙滩水库坝址区位于龙滩河峡谷河段之中，在河流宽度较小、枯期流量不大的情况下，设计根据坝址地形地质、枢纽布置等实际情况，确定施工导流方案，开展导流建筑物设计；通过对导流方案比选，确定洞线，比选导流洞断面，分别对导流洞进口、洞身、出口及堵头进行设计，最终选定经济安全的导流洞设计方案。随着中小型水库建设的开展，施工导流布置和对施工导流建筑物的经济可比性要求越来越高，本文以龙滩水库为例，通过对比分析，选取最经济的导流洞设计方案，供类似工程借鉴。