下坂地水利樞紐工程導流洞設計

摘要：導流洞是水利樞紐工程中重要的泄洪建筑物之一，而且其泄洪流速一般都很高，很容易產生混凝土的空蝕破壞，從而影響建筑物的正常使用，選擇合適的體型是導流洞防止空蝕破壞的首要環節，而防空蝕破壞的關鍵是導流洞高速流速段洞內過流面壓力分布不能產生超過混凝土允許的負壓力。本文就下坂地水利樞紐工程導流洞水力設計及所采取防空蝕破壞的措施進行了介紹。

關鍵詞： 水利樞紐； 導流洞；設計

Abstract:：The diversion tunnel is one of important flood discharge structures in water conservancy engineering, and the discharge flow rate is generally high, it is easy to produce the cavitation erosion of concrete damage, thus affecting the normal use of buildings, choose the right size is the first step of diversion tunnel to prevent cavitation erosion damage, and anti-cavitation destruction of high-speed flow velocity is the key to the diversion tunnel flow surface pressure distribution over the hole does not produce more than allow the negative pressure of concrete. In this paper, the sitting under ground water conservancy hub project diversion tunnel hydraulic design and anti-cavitation damage taken measures are introduced.

Keywords: water conservancy hub. The diversion tunnel; design

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中圖分類號：TV6 文獻標識碼：A 文章編號：

1.導流洞工程概況

導流泄洪洞肩負導流、泄洪以及水庫放空的綜合功能，洞線為直線布置，方位角為NE85°，導流洞進口位于河道轉彎處的上游，下游出口距大壩約800m。導流洞全長1425.85m，由明渠段、進口段、洞身段、出口段組成。隧洞進口采用豎井式，進口高程2902m，出口高程2881.23m，采用挑流消能。導流洞在工程導流期結束后，改為泄洪放空洞。孔口尺寸由7×8.5m（寬×高）導流孔口改造為5×6m泄洪孔口。

1.1工程地質條件

底洞進口段主要位于元古界第二巖性段的角閃片麻巖中，圍巖以Ⅳ類為主，部分卸荷巖石為Ⅴ類。樁號?0+038~0+044m（地質樁號0+88~0+094m）段為卸荷巖體，張性裂隙發育，削坡時，將其清除。樁號0+044m后為弱風化巖體，巖體較完整。豎井位于第三巖性段角閃片麻巖中，巖體較完整，Vp小于2350m/s，為Ⅳ類巖體，豎井基礎位于第二巖性段的角閃片麻巖弱風化巖體上，基巖承載力為9MPa。

洞身穿越元古界第二巖性及第一巖性段，洞室圍巖為弱~微風化，巖體較完整，洞頂圍巖40~300m，以Ⅲ類圍巖為主，巖層走向與洞線夾角50o，對洞室穩定性較有利。洞線共穿越F39、F40、F41、F42、F43、F100、F101、F104等8條斷層，斷層寬度小于4m，受其影響，斷層及斷層影響帶為極不穩定的Ⅴ圍巖類。

出口段自然邊坡坡角45°，受裂隙切割影響，邊坡巖體表層風化破碎，需清坡噴護。出口段洞室巖體較完整，為Ⅲ類圍巖。

出口采用挑流消能，消能區現代河床寬約90m，左岸漫灘高出河床7~10m，岸坡平緩，臺地寬約300m，地形平坦，微向河谷方向傾斜。組成物質主要為沖積及冰磧的塊石，漂卵礫石，夾雜砂或碎石，多呈松散~半松散狀，堆積厚度200多米。

2導流泄洪洞工程布置及分段設計

泄洪洞位于河道右岸，底洞由進口壓力段、豎井、洞身、出口挑流鼻坎組成。隧洞進口底高程2902m，出口挑坎底高程2881.25m，建筑物全長1425.847m。

壓力進口段由喇叭口及壓頂段組成。進口底板高程2902m，樁號0+000～0+045m為引渠段，縱坡降i=0。樁號0+027.3～0+045m段為洞進口前的扭曲面段。樁號0+045～0+052段為進口喇叭口，采用頂部和兩側墻三面收縮的橢圓曲線。喇叭口進口斷面為11.0×11.0m的矩形斷面。0+052～0+100m段為7×8.5m的矩形斷面。

樁號0+100～0+126為豎井閘室段。0+112.74m前洞底高程為2902m，其后底坡i為為0.0163，頂部高程為2966m。豎井內設事故檢修閘門和工作閘門各一扇。事故檢修閘門位于0+103.6m處，孔口尺寸為7×8.5m，為平板鋼閘門。導流結束后泄洪洞工作弧門前采用橢圓壓頂和側收縮形式，孔口尺寸為5×6.3m。

樁號0+126～1+385.847m為洞身段，底坡i為0.0163。其中0+126～0+418.19m段為底洞洞身段，0+418.19～1+385.847m為底洞、表孔共用段。

樁號1+385.847～1+425.847m為出口明槽及挑流鼻坎段，采用矩形擴散鼻坎，底寬從7m擴散為10m。鼻坎反弧半徑r=45m，挑射角26°17′2″，鼻坎中心線坎頂高程2885.25m。

3高速流區抗空蝕設計

根據水工模型試驗結果可知，導流洞洞內最大流速為30m/s，所以在抗空蝕和抗沖磨方面采取如下措施：

3.１選擇合適的體形

選擇合適的體形是導流洞防止空蝕破壞的首要環節，而防空蝕破壞的關鍵是導流洞高流速段洞內過流面壓力分布正常而且不能產生超過混凝土允許的負壓力，對此問題經過分析、計算及比較并參照流速和泄量相近同類工程的經驗選確定了擇導流洞體形尺寸，經過水工模型試驗表明導流洞在宣泄各種工況泄量時導流洞壓力分布正常，無負壓產生說明導流洞體形選擇是合理的。

3.２控制水流邊壁局部不平整度

由于導流洞內高流速，混凝土表面任何凸凹不平體都可能造成混凝土表面的空蝕破壞，因此嚴格控制導流洞高流速段過流面的不平整度，要求混凝土施工時留下來的接縫錯臺、模板印痕、混凝土殘渣或局部混凝土脫皮和剝落時留下來的坑穴、局部放線不準或模板走樣造成的凹凸面，以及其它凸體、跌坎等其突起高度不得超過3mm，并在允許的高度范圍內一律按順水流方向1/50、垂直水流方向1/30進行緩坡處理。

3. 3設置摻氣槽

根據其它工程經驗對高流速隧洞設置摻氣槽向水流中摻氣是解決空蝕破壞的有效手段之一，結合導流洞洞內高流速特點，為了防止高速水流在跌落段、反弧段及平洞段交接部位附近產生空蝕破壞，分別在反弧段上、下游端設置摻氣槽，以向水流中摻氣減少過流面的負壓力，而達到防止空蝕破壞的目的。上、下摻氣槽的體形是經過水工模型試驗反復優化后確定的，而且經過水工模型試驗驗證在導流洞在渲泄不同工況泄量時均能形成穩定的空腔，摻氣充分、連續，通氣良好，導流洞過流面壓力分布正常，無負壓產生。

3. 4選用高強抗蝕耐磨混凝土

為了防止導流洞過流面空蝕破壞，一方面采取措施減少負壓防止空蝕破壞的發生，另一方面要采區相應的措施提高導流洞抗空蝕能力。抗沖耐磨混凝土種類很多，通過價格、施工可操作性、施工后混凝土出現裂縫情況、以及國內、外已建水利水電工程高流速水工遂洞抗空耐磨材料應用實例，參照《水工混凝土抗沖磨防空蝕技術規范》并在水工試驗的基礎上對導流洞高流速區選用HF高強抗蝕耐磨混凝土。試驗結果表明在水泥用量增加很小（約10%）的情況下，即可將C30普通混凝土提升為抗空耐磨C45特種混凝土，與普通混凝土相比抗空蝕耐磨性能得到很大提高。

3.５挑流消能

根據隧洞出口段的地形地質條件，隧洞出口選用挑流式消能工。出口消能區要以保證下游邊坡及挑流鼻坎穩定為主要目的，合理控制水舌落點，盡量分散射流入水點能量，防止回流產生大的淘刷。通過降低局部水域入水能量的集中程度，減少單位面積沖刷能量，進而減小沖刷坑深度，達到消能防沖的效果。泄洪洞出口渲泄設計洪水時Fr=1.8，表孔單獨下泄校核洪水時Fr=2.1；洞身末端底高程為2991.086m，下游水位為2879.2m~2880.2m。由于水流佛氏數低，出口與下游河道落差又小，因此消能工不具備高挑角大挑距的縱向分散消能的條件，宜采用橫向擴散消能的型式，使水流與下游河床平緩銜接。

根據出口右側地形比左側遠地形特點，設計采用左短右長、左低右高的鼻坎形式，隧洞出口樁號為1+395.847m，采用矩形過水斷面，底寬7m，水流流速16~20m/s。樁號1+402.847~1+425.847m為出口挑流鼻坎，根據水工模型試驗，采用矩形等原弧擴散鼻坎，底寬從7擴散為16.17m（斜長）。鼻坎坎頂高程2883.27~2885.971m。反弧半徑R=51.54m，挑射角25.46°校核洪水情況下，最大挑距46m，河床最大沖坑深度9.4m。由于回流的影響，河床右岸最大沖刷深13.5m。根據實驗情況，對出口采取防沖齒墻和基礎錨桿對鼻坎基礎進行抗沖加固。

4.結束語

下坂地水利樞紐已安全運行近六年，經過多次泄洪證明下坂地水利樞紐工程導流洞水力設計是合理的。[ 馬建衛，男，漢族，1980年1月出生于陜西眉縣，工學學士，工程師。]