石门水库导流隧洞设计

张 新

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，乌鲁木齐 830002）

1 工程概况

石门水库径流区所在的莫勒切河，发源于巴音郭楞蒙古自治州南部昆仑山北麓和阿尔金山的两条东西相邻河流，流域面积合计1.62 万km2。水库坝址位于莫勒切河出山口处，坝址以上径流面积2422 km2。石门水库是一座具有灌溉、发电等综合效益的山区水库工程，水库总库容为7362 万m3，兴利库容为4315万m3。

2 导流隧洞地质条件

导流隧洞布置于大坝左岸，由进口引渠、闸井、洞身段、出口明槽段组成，长度420.61 m（与泄洪隧洞结合段长340.07 m）。大坝左岸多为基岩裸露，局部表层有少量坡积碎石土覆盖，厚度2～4 m。高程2420 m以下坡度35°左右，以上坡度45°左右。

导流隧洞引水渠、闸井段基岩裸露，岩性为变质砂岩，中硬岩，岩体强风化厚度为5～8 m，弱风化厚度为14～18 m；进口洞室段地层岩性为变质砂岩，中硬岩，强风化层厚6.0～9.0 m，弱风化层厚13.8～22.0 m；直洞段（与泄洪隧洞结合段）岩性为变质砂岩及花岗岩，中硬岩，围岩类别为Ⅱ～Ⅳ类，出口段位于强风化层内，基岩表层覆盖坡积碎石土层，围岩类别为Ⅲ～Ⅳ类，出口明槽段地层岩性为冲积卵砾石层，冰水沉积卵砾石层，结构密实，承载力较好。

3 导流隧洞的设计

3.1 设计标准

石门水库工程等别为Ⅲ等中型，大坝为2级，溢洪道、泄洪排砂洞、灌溉引水发电洞为3 级，导流隧洞取4 级建筑物标准[1]。

3.2 洞线选择

导流隧洞洞线的选择，对左右岸进行综合比选。

（1）右岸。①地形为凹岸，洞轴线布置存在弯道，高速水流条件不好；②导流隧洞引渠长，隧洞进水口两侧砂砾石深厚，导流隧洞引水渠底板低，运行时易塌方，淤堵进口，且进口处为山洪沟，山洪对进口存在安全威胁；③隧洞后半段在砂砾石段中，开挖难度加大，砂砾石隧洞的安全运行条件较差。

（2）左岸。①隧洞进口基岩裸露，处理工程量小，运行安全可靠；②可以利用左岸为凸岸的地形特征，洞线布置为直线，满足高速水流无压隧洞布置的基本要求；③进水塔及洞身段均位于岩石之中，运行较右岸安全。

通过上述左右两岸地形地质条件、洞轴线布置条件、水力条件、运行安全等方面比较，导流隧洞宜布置在综合条件较优的左岸。同时左岸具备导流隧洞与泄洪排砂洞结合布置条件，施工期导流隧洞导流过洪，运行期对导流隧洞前段进行封堵，泄洪排砂洞投入使用，满足导流度汛要求，同时可合理节约投资。

3.3 隧洞布置

导流隧洞由引水渠段、竖井段、洞身段、消能段及尾水渠段组成，总长779.0 m。其中引水渠段长20.18 m，竖井段长10.2 m，洞身段长420.61 m，消能段长178 m，尾水渠段长150 m，其中洞室后段340.07 m与泄洪排砂洞相结合。

3.4 导流时段及标准分析

导流隧洞导流时段为两个阶段：初期导流阶段、主体工程施工期导流阶段。①初期导流阶段由围堰挡水，导流隧洞泄洪，导流临时度汛洪水标准10 年一遇，相应洪峰流量Q=461 m3/s；②主体工程施工期导流阶段由坝体临时断面挡水，导流隧洞泄洪，导流临时度汛洪水标准50 年一遇，相应洪峰流量Q=781.0 m3/s。

3.5 导流方式

坝体施工导流采用河床一次断流，上、下游围堰挡水，导流隧洞全年导流的方式。根据工程施工进度安排，工程开工后第2 年9 月底截流；第3 年汛期由上、下游围堰挡水，导流隧洞泄洪；第4 年汛期由坝体临时断面挡水，导流隧洞泄洪。

3.6 选定方案水力学指标

经综合比选，选定导流隧洞竖井孔口尺寸4.5 m×4.5 m（b×h）为推荐方案，导流隧洞与泄洪冲砂洞结合布置，结合围堰、度汛坝体前库容，进行水库调洪计算得出枢纽导流度汛特性参数（见表1）。

表1 导流隧洞导流度汛特性表

3.7 隧洞体型设计

导流隧洞引水渠段长20.18 m，梯形断面，底板7.5～11.4 m，边坡1∶0.5；进水竖井采用岸塔式，长10.2 m，宽4.5 m，竖井底板高程2329 m，孔口尺寸为4.5 m×4.5 m，竖井平台高程2348 m，竖井启闭平台高程2 355.5 m。竖井进水口顶部采用椭圆曲线，长半轴取4.5 m，短半轴为1.5 m；导流隧洞临时洞身段长80.56 m，采用城门洞型，其中0+000～0+012段为渐变段1，尺寸由4.5 m×6.2 m（b×h）渐变为5.0 m×6.2 m，0+012～0+049.35段采用城门洞形，断面尺寸5.0 m×6.2 m，0+049.35～0+080.55 段为渐变段2，尺寸由5.0 m×6.2 m渐变为5.5 m×7.3 m，导流隧洞与泄洪冲砂洞结合段为0+080.55～0+420.61，采用城门洞形5.5 m×7.3 m；导流隧洞全断面采用C25钢筋混凝土衬砌。消能段及尾水渠段结合泄洪冲砂洞进行结构设计，限于篇幅在此不作分析。

3.8 水力计算分析

3.8.1 孔口泄流能力计算

导流隧洞在施工期运行过程中，根据其进口流态及上游水位的变化，分为进口无压、半有压和有压泄流3种工况，计算导流隧洞泄流能力，可直接采用有压流泄流能力计算[2]。

式中：Q为泄流流量，m3/s；H为有压短管出口的闸孔底板高程算起的上游库水深，m；ε为有压短管出口的工作闸门垂直收缩系数；e、B分别为闸孔开启高度和水流收缩断面处的底宽，m；μ为短管有压段的流量系数；φ为流速系数；ω 为收缩断面面积，ω=εBe，m2；ζi为自进口上游渐变流断面至有压短管出流后的收缩断面之间的任一局部能量损失系数；Li为有压短管的长度，m；ωi、Ri和Ci分别为有压短管的平均过水断面面积及相应的水力半径和舍齐系数。局部水头损失系数计算表见表2，流量系数计算表见表3。

表2 局部水头损失系数计算表

表3 流量系数计算表

经计算，施工第3年汛期，采用围堰挡水，导流标准10年一遇，导流隧洞孔口过流能力为257.08 m3/s；施工第4 年汛期，采用坝体挡水，导流标准50 年一遇，导流隧洞孔口过流能力为325.79 m3/s。导流隧洞孔口过流能力均满足各汛期需泄量要求（见表1）。

3.8.2 洞内水面曲线计算

式中：hb为计入波动及掺气的水深，m；h为不计入波动及掺气的水深，m；v为不计入波动及掺气的计算断面上的平均流速，m/s；ξ为修正系数，可取1.0～1.4，视流速和断面收缩情况而定，当流速大于20 m/s时，宜采用较大值。

施工第3 年汛期，采用围堰挡水，导流标准10年一遇，混凝土的糙率n取0.016，底宽4.5～5.5 m，底坡1/70～1/70.4。导流隧洞（施工第3 年汛期，P=10%）水面线计算成果见表4。

表4 导流隧洞（施工第3年汛期，P=10%）水面线计算成果表

施工第4 年汛期，采用坝体挡水，导流标准50年一遇，混凝土的糙率n为0.016，底宽4.5～5.5 m，底坡1/70～1/70.4。导流隧洞（施工第4 年汛期，P=50%）水面线计算成果见表5。

表5 导流隧洞（施工第4年汛期，P=50%）水面线计算成果表

由表4、表5 可知，施工导流期间，导流隧洞过10年一遇、50年一遇洪水时，考虑掺气水深后，导流隧洞净空率均大于15%的规范要求，以上拟定的洞型及尺寸满足过流要求，选型合适。

4 结语

导流隧洞是决定水库枢纽工程是否能顺利施工的关键工程，对于工程总体进度把控起着至关重要的作用。对于大中型水库枢纽工程，考虑到施工度汛洪水标准较高，相应洪峰流量较大，会造成导流隧洞规模较大，投资较高。导流隧洞的规划设计，在满足施工导流度汛安全的同时，其经济合理性十分重要，因此导流隧洞规划设计时，应充分考虑其与其他水工洞室的结合使用，减小临时工程所占比例，合理节约投资。

本工程充分利用左岸较好的地形地质条件，将导流隧洞与泄洪冲砂洞结合布置，导流隧洞临时部分仅占总洞室长度的19.15%，既满足施工导流度汛安全，又具有较好的经济性。后期通过对导流隧洞临时部分进行封堵，可保证坝体及泄洪隧洞的安全运行。