泄洪隧洞優化設計方案研究

張延奎 于加統 王傳健

(1.重慶交通大學河海學院 重慶 400074；2.中國建筑第八工程局有限公司 廣東 廣州 510663； 3廣州大鵬建筑工程有限公司 廣東 廣州 510660)

泄洪隧洞優化設計方案研究

張延奎1于加統2王傳健3

(1.重慶交通大學河海學院 重慶 400074；2.中國建筑第八工程局有限公司 廣東 廣州 510663； 3廣州大鵬建筑工程有限公司 廣東 廣州 510660)

為滿足水利工程各項任務需要，在地面以下開鑿的各種隧洞，稱為水工隧洞。水工隧洞按功能分：泄洪、引水輸水、灌溉供水、放空排沙、施工導流等隧洞。現今水利工程對泄洪隧洞的設計要求越來越高，故綜合考慮泄洪隧洞的工程量，工程造價，結構設計等因素來評價泄洪隧洞的性質非常重要。因此，在實際工程建設中，對泄洪隧洞進行優化設計，不論從經濟角度，還是從安全性和適用性角度都是必要的。本文主要從泄洪隧洞總體布置，結構設計等方面進行論述，進而探討優化方案。

泄洪隧洞；總體布置優化；體型設計；消能方式

一、基本內容

(一)基本概念。泄洪隧洞是通過隧洞，主要用于泄放洪水的泄水建筑物。泄洪隧洞建筑物組成包括：進口段(含攔污柵、喇叭口、閘門室、漸變段)、洞身段、出口段(無壓隧洞僅設門框，有壓隧洞含漸變段和工作閘門室)。其中進口段，洞身段和出口段的功能分別是控制水流，輸送水流和連接消能設施。

泄洪隧洞的分類如下：(1)按照孔口位置：(a)表孔泄洪隧洞、(b)中孔泄洪隧洞、(c)深孔泄洪隧洞。(2)按照布置和隧洞內水流特點：(a)無壓泄洪隧洞、(b)有壓泄洪隧洞、(c)混合型泄洪隧洞。

(二)優化設計基本要求。根據水工隧洞設計規范，泄洪隧洞優化設計中，布置泄洪隧洞時應遵循以下原則[1]：(1)根據樞紐的任務，對泄水建筑物進行總體規劃；(2)在合理選定洞線的基礎上，根據地形、地質、水流條件，選定進口位置及進口結構形式，確定閘門在洞口中的位置；(3)確定洞身縱坡及洞身斷面形狀及尺寸；(4)根據地形、地質、尾水位等條件及建筑物之間的相互關系，選定出口位置，底板高程及消能方式。

因此，對泄洪隧洞的優化設計應該緊緊圍繞布置原則進行。

二、優化設計方案

(一)總體布置優化。總體布置優化即優化設計從總體布置、隧洞洞身設計、隧洞出口設計等方面全面地進行優化。

如太原市上游的汾河干流上的汾河水庫，優化設計上參考國內外水工隧洞設計和施工經驗，降低隧洞底高程，并在隧洞結構上采取取消工作門進水塔，有壓隧洞替換無壓隧洞等措施，在出口布置弧形工作門[2]。位于烏江北源六沖河下游的烏江洪家渡水電站，在不弱化原有方案水力學條件的基礎上，為了優化泄洪系統布置，采用降低洞高，減少洞挖量；減少底坡坡度，抬高隧洞出口高程,并相應縮短隧洞長度，減輕下泄水流對下游右岸邊坡影響；出口采用斜鼻坎消能，減輕水流對下游右岸沖刷等措施[3]。

總優化設計，一方面維護了施工現場巖石的穩定性，另一方面也改善施工及運行條件,減少了開挖工程量、材料用量，節約了投資。

(二)體型設計優化。泄洪隧洞體型設計優化即在模擬研究的基礎上，通過優化泄洪隧洞體型來達到保持泄洪隧洞穩定性，減少成本等目的。

例如對金沙江溪洛渡水電站，通過數值模擬，調整摻氣坎的布置，使泄洪隧道壓強分布更趨均勻，空化數平穩，從而改善泄洪隧洞水流的空蝕空化特性[4]；又如在泄洪隧洞下游底部布置曝氣裝置，可減小側壁壓力曝氣腔對鄰近側壁空化特性的影響；依據液壓經驗和提出的公式來預測速度和與垂直方向θ取得的速度角，從而優化洞身體型和軸線布置，以增強泄洪隧洞的本身穩定性。

(三)進出口結構優化。對泄洪隧洞部分結構進行優化，如進水口懸挑牛腿部位采用預制牛腿模板施工方案不僅可以大幅度降低施工成本，而且可以提高施工安全性，加快施工進度[5]。如合理的對進水塔體頂部牛腿、進水塔體與攔污柵墩之間的連接板、清污門機軌道梁等結構和攔污柵操作排架、交通橋橋面梁模板支撐體系等施工方案進行了優化,在項目管理的進度、成本和安全控制等各方面均可取得巨大的效益[6]。

在對泄洪隧洞出水口設計上，充分利用下游水深可以達到盡量減少消力池結構尺寸、減小工程量和工程占地的目的[7]；對于由結構面組合形成的不穩定或潛在不穩定塊體，應及時對其進行支護處理，且須在完成上部分支護的前提之下再進行下部邊坡巖體的爆破施工[8]，在節約工程投資同時，應盡量保護巖體穩定性。

(四)出口消能優化設計。根據《水工建筑物(林繼庸版)》，泄洪隧洞出口消能方式主要有：(1)挑流消能；(2)底流消能；(3)面流消能等消能方式。各個消能方式優缺點如下[1]：

(1)挑流消能。適用條件：出口高程高于或接近于下游水位，且地形、地質條件允許時。

特點：對尾水變幅適應性強，結構簡單，施工、維修方便。

主要形式：斜切式挑流鼻坎、橫向擴散挑坎、收縮式窄縫挑坎。

(2)底流消能。適用條件：當出口高程接近于下游水位時，可以采取擴散后的底流水躍消能。

優點：消能比較充分、平穩，應用最廣泛。

缺點：開挖量大，施工時間長，材 料 用量 多，造價高。

布置：洞口→水平擴散段→曲線擴 散段→斜坡段→消力池。

(3)面流效能。原理：利用泄水建筑物末端的跌坎或戽斗，將下泄急流的主流挑至水面，通過主流在表面擴散及底部旋滾和表面旋滾以消除余能的消能方式。

類型：跌坎面流消能和戽斗面流消能兩類。

特點：戽斗面流消能是水流在戽斗內形成水躍后，再在戽斗后形成面流，是兼有底流、面流特點的混合型消能方式。

適用條件：面流消能適用于中、低水頭，下游尾水較深，水位變幅不大及河岸穩定、抗沖能力強的情況

因此，在選擇泄洪隧洞消能方式的時候，應該結合已知資料水文、地質等信息，選擇合理的消能方式。例如：二灘水電站由于泄洪洞出口處下游河道狹窄,邊坡陡峻，河床覆蓋層較厚，選擇挑流消能方式[9]。

三、結論

在對泄洪隧洞進行優化設計時應根據實際情況，結合工程地質，水文，地理位置等條件，從洞身段技術經濟比選，進水口型式和出水口消能方式技術經濟比選等因素，對泄洪隧洞進行優化設計，可以更好的改善泄洪隧洞施工條件,并減少開挖量，節約投資，使工程更加經濟的同時，也能滿足各方面的要求。

[1]林繼庸,王光綸.水工建筑物[M].北京:中國水利水電出版社,2012:383.

[2]孫萬功.汾河水庫泄洪隧洞工程優化設計.山西水利科技,2001,(S1)；

[3]雷音.洪家渡水電站泄洪隧洞優化設計.貴州水力發電,1996,(4).

[4]楊忠超[1],刁明軍[2],鄧軍[2].高水頭大流量泄洪隧洞體型優化數值模擬研究.重慶交通大學學報:自然科學版,2009,28(5);855-860.

[5]韓金濤.溪洛渡水電站左岸進水口懸挑牛腿模板工藝優化.四川水力發電,2014,33(5);7-9.

[6]楊玉友.向家壩水電站右岸進水口混凝土施工優化.四川水利,2014,0(6);36-38.

[7]范平.桐溪湖湖泊工程出水口的消能防沖設計.市政技術,2014,32(6);87-90.

[8]梅家鵬.某抽水蓄能電站下庫側式進/出水口數值模擬.人民黃河,2015,37(1);108-110.

[9]周鴻漢.二灘水電站泄洪隧洞設計.水電站設計,1999,15(2);42-46.