某水庫馬蹄形斷面泄洪洞洞身設計分析探討

朱厚斌

(臨汾市水利勘測設計院，山西 臨汾 041000)

某水庫馬蹄形斷面泄洪洞洞身設計分析探討

朱厚斌

(臨汾市水利勘測設計院，山西 臨汾 041000)

文章結合某水庫實例，根據水庫壩區地質條件、泄流量等，對水庫導流泄洪洞設計方法進行詳細描述。在泄洪洞布置形式上，擬定了兩個方案進行比選，即右岸原狀土上建壩下埋管式泄洪洞和右壩肩岸坡上建洞挖式泄洪洞兩種，最終優選采用壩下埋管式泄洪洞方案。對水庫水流流態進行水工模型試驗，表明洞身設計的合理性。

泄洪洞；水庫設計；洞身設計；馬蹄形斷面

1 工程概況

某水庫是一座以調蓄浮山供水工程和流域內地表水，為農業灌溉、城鎮生活和工業供水的小(1)型水庫，水庫總庫容538.56萬m3。根據洪水調節計算，擬定泄洪洞與溢洪道聯合進行泄洪，溢洪道底寬12.6m。在泄洪洞布置形式上，擬定了兩個方案進行比選，即右岸原狀土上建壩下埋管式泄洪洞和右壩肩岸坡上建洞挖式泄洪洞兩種，最終優選采用壩下埋管式泄洪洞方案。該水庫泄洪洞由引水渠、進水塔、洞身、泄槽、消力池及海漫段組成，總長291.84m。

2 洞身結構設計

根據水庫壩址區工程地質，泄洪洞洞身采用受力條件較好并適應軟地基的馬蹄形斷面，泄洪洞進口與進水塔相接，出口與泄槽段相連，洞身長120m。進口底板高程688.5m，出口底板高程686.50m，縱坡為1/60，分進、出口段，中間段。進口段長20m，由矩形洞(寬×高)4.5m×6 m漸變為馬蹄形洞6m×6m；出口段長10m，由馬蹄形洞漸變為方形洞6m×6m；中間段均為馬蹄形洞，洞上部為半圓形，內緣半徑R1=3m，兩側墻及底板內緣半徑R2=3R1=9m，洞凈高與凈寬均為6m，半圓形襯砌厚度1.0-1.15m，側墻外緣為垂直線，為減輕地基壓力，底板向左右兩側各加長0.7-1.0m，厚度1.2-1.45m，最大壩高處加大洞身洞壁厚度和基礎寬度；洞底板下部設厚0.1 m C15混凝土墊層；泄洪洞共分為12節，每節長10m，節與節之間設2cm伸縮縫，縫內填塞聚乙烯閉孔泡沫板，并加設兩道寬0.3m的“651”型橡膠止水帶及GB止水條，縫外側包兩布一膜土工膜。洞身每節底板上游側均設齒墻，其下游側壓在下一塊底板上游側的齒墻上，與其構成搭接縫。在底板下部設0.1m厚C15混凝土墊層。洞身采用 C25F50W8鋼筋混凝土澆筑[1]。

為防止壩體滲水沿洞壁產生集中滲漏，在每節洞身中間設一道C25混凝土截水環，洞1、洞6-洞8高度為1m，環頂寬0.5m，底寬1m；洞2-洞5高度為2m，環頂寬0.5m，底寬1.5m。泄洪洞洞身基礎如遇軟弱地基時，采用夯插片石處理[2]。

3 洞身段水力計算

3.1 洞內水面線推求

洞身段全長120m，設計縱坡1/60，內襯糙率參考其它工程，取n=0.015。設計洪水(3.33%)泄量334.1m3/s，校核洪水(0.33%)泄量373.15m3/s。弧形工作閘門孔口樁號為0+009，孔口高度4.5m，至洞身進口樁號為0+022，底坡i=0。水面線計算從弧形閘門孔口0+009起水深以4.5m計算作為起始斷面水深。水面線分析：閘室0+009-0+022之間為平坡，進口水深小于臨界水深，水面線型為C0型壅水曲線；進入洞身后0+022-0+132即從洞身進口到出口漸變段上游側，縱坡1/60為陡坡，水深小于臨界水深及正常水深，水面線為C2型壅水曲線；0+132-0+142之間由于斷面逐漸擴變為6×6m正方形斷面，且出口以下接斷面漸寬的陡坡泄槽段，故水面線下落[3]。從進口弧形閘門孔口處(樁號0+009)至洞身出口處(樁號0+142)按分段求和法計算水面線，計算結果見表5-12。

3.2 泄洪洞內摻氣水深計算

根據澮河水庫泄洪洞模型試驗，水庫泄洪洞摻氣水深采用式(1)計算。

(1)

式中：ha為摻氣水深,m ；h為不摻氣水深,m；B為洞寬，m；v為計算斷面上平均流速，m/s；n為粗糙系數；R為不摻氣水深的水力半徑,m。根據公式計算出0.33m作為洞身內摻氣水深高度，摻氣水深見表1。

表1 泄洪洞水力計算表

根據水面線計算成果再加上摻氣水深，洞身控制斷面0+132處，設計洪水情況下水面總高度為4.02m，洞身凈空面積為26.7%，校核洪水情況下水面總高度為4.05m，洞身凈空面積為26%。此時，洞內水流佛汝德數的平方(Fr2=v2/gR)>20，據規范要求凈空面積應為25%，故凈空面積符合要求并比較經濟，所選洞身斷面尺寸是合適的。泄洪洞洞徑和縱坡與澮河水庫泄洪洞相同，泄量相近(澮河水庫校核泄量375m3/s)，將上述水深數據與澮河水庫模型試驗水深進行了比較，較為合理。澮河水庫水面線模型實驗數據表見表3。

表2 澮河水庫泄洪洞洞身水面線表

3.3 洞身結構計算

本工程泄洪洞為鋼筋混凝土無壓涵洞，洞身長120m，洞身斷面設計采用馬蹄形斷面，頂拱內緣半徑為3m，側墻底板半徑為9m。初擬前7節(1—7)頂拱、側墻襯砌厚度為1.15m，底板厚度為1.45m，后5節(8—12)頂拱、側墻厚度為1m，底板為1.2m。計算工況采用施工完建無水[4]。洞身結構計算采用理正隧道襯砌計算軟件進行驗算分析，計算結果見表3、表4。

將第6節代表斷面頂拱、側墻襯砌厚度變為1m，底板厚度不變，第9節代表斷面頂拱、側墻厚度為0.9m，底板厚度不變，計算工況仍采用施工完建無水。由于泄洪洞洞身為嚴格限裂構件，根據SL191—2008水工混凝土結構設計規范表3.2.7，最大裂縫寬度限值取0.35，另根據7.2.5，當驗算裂縫寬度不滿足要求時，可適當增加受拉區縱向鋼筋截面面積，但增加的鋼筋截面面積不宜超過承載力計算所需縱向鋼筋截面面積的30%。計算結果可知，變薄后裂縫寬度不滿足規范要求，經綜合分析，選取初擬斷面為設計斷面。

表3 第6節洞身結構計算表

表4 第9節洞身結構計算表

3.4 泄洪洞沉降量計算

泄洪洞沉降量按照《建筑地基基礎設計規范》(GB50007—2011)中推薦的公式計算，計算公式為：

(2)

泄洪洞沉降量計算成果見表5。根據《建筑地基基礎設計規范》GB50007—2011，地基允許最大沉降量為120mm，相鄰泄洪洞允許最大沉降量為20-50mm，因此泄洪洞沉降量滿足規范要求，不需要地基處理。

表5 泄洪洞最大沉降量計算結果

4 結 語

綜上所述，對某水庫洞身采取馬蹄形斷面，對洞內水面線以及洞身結構采取合理設計的。對該水庫泄洪洞實施前對水流流態進行水工模型試驗，目前運行良好，表明洞身設計的合理可行，為同類水庫設計提供參考實例。

[1]袁志明．茸草水庫“龍抬頭”式泄洪洞設計 [J]．甘肅水利水電技術，2005(06)：38-41.

[2]楊繼成．盤石頭水庫泄洪洞襯砌結構應力分析 [J]．黑龍江水利科技，2013(04)：80-82.

[3]姜霞．淺談雙仁水庫泄洪工程設計 [J]．科技創新與應用，2015(01)：115-118.

[4]張丁銀．水庫導流泄洪洞的設計與施工 [J]．才智，2011(02)：115.

1007-7596(2016)11-0053-03

2016-10-18

朱厚斌(1972-)，男，江蘇濱海人，工程師。

TV651.3

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