泄洪隧洞優(yōu)化設(shè)計(jì)方案研究

張延奎 于加統(tǒng) 王傳健

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 重慶 400074；2.中國(guó)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(yōu)化設(shè)計(jì)方案研究

張延奎1于加統(tǒng)2王傳健3

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 重慶 400074；2.中國(guó)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(xiàng)任務(wù)需要，在地面以下開(kāi)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(dǎo)流等隧洞。現(xiàn)今水利工程對(duì)泄洪隧洞的設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高，故綜合考慮泄洪隧洞的工程量，工程造價(jià)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素來(lái)評(píng)價(jià)泄洪隧洞的性質(zhì)非常重要。因此，在實(shí)際工程建設(shè)中，對(duì)泄洪隧洞進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不論從經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行論述，進(jìn)而探討優(yōu)化方案。

泄洪隧洞；總體布置優(yōu)化；體型設(shè)計(jì)；消能方式

一、基本內(nèi)容

(一)基本概念。泄洪隧洞是通過(guò)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(jìn)口段(含攔污柵、喇叭口、閘門室、漸變段)、洞身段、出口段(無(wú)壓隧洞僅設(shè)門框，有壓隧洞含漸變段和工作閘門室)。其中進(jìn)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(shè)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(nèi)水流特點(diǎn)：(a)無(wú)壓泄洪隧洞、(b)有壓泄洪隧洞、(c)混合型泄洪隧洞。

(二)優(yōu)化設(shè)計(jì)基本要求。根據(jù)水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范，泄洪隧洞優(yōu)化設(shè)計(jì)中，布置泄洪隧洞時(shí)應(yīng)遵循以下原則[1]：(1)根據(jù)樞紐的任務(wù)，對(duì)泄水建筑物進(jìn)行總體規(guī)劃；(2)在合理選定洞線的基礎(chǔ)上，根據(jù)地形、地質(zhì)、水流條件，選定進(jìn)口位置及進(jìn)口結(jié)構(gòu)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(jù)地形、地質(zhì)、尾水位等條件及建筑物之間的相互關(guān)系，選定出口位置，底板高程及消能方式。

因此，對(duì)泄洪隧洞的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)該緊緊圍繞布置原則進(jìn)行。

二、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

(一)總體布置優(yōu)化。總體布置優(yōu)化即優(yōu)化設(shè)計(jì)從總體布置、隧洞洞身設(shè)計(jì)、隧洞出口設(shè)計(jì)等方面全面地進(jìn)行優(yōu)化。

如太原市上游的汾河干流上的汾河水庫(kù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)上參考國(guó)內(nèi)外水工隧洞設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，降低隧洞底高程，并在隧洞結(jié)構(gòu)上采取取消工作門進(jìn)水塔，有壓隧洞替換無(wú)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(xué)條件的基礎(chǔ)上，為了優(yōu)化泄洪系統(tǒng)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(yīng)縮短隧洞長(zhǎng)度，減輕下泄水流對(duì)下游右岸邊坡影響；出口采用斜鼻坎消能，減輕水流對(duì)下游右岸沖刷等措施[3]。

總優(yōu)化設(shè)計(jì)，一方面維護(hù)了施工現(xiàn)場(chǎng)巖石的穩(wěn)定性，另一方面也改善施工及運(yùn)行條件,減少了開(kāi)挖工程量、材料用量，節(jié)約了投資。

(二)體型設(shè)計(jì)優(yōu)化。泄洪隧洞體型設(shè)計(jì)優(yōu)化即在模擬研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化泄洪隧洞體型來(lái)達(dá)到保持泄洪隧洞穩(wěn)定性，減少成本等目的。

例如對(duì)金沙江溪洛渡水電站，通過(guò)數(shù)值模擬，調(diào)整摻氣坎的布置，使泄洪隧道壓強(qiáng)分布更趨均勻，空化數(shù)平穩(wěn)，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(cè)壁壓力曝氣腔對(duì)鄰近側(cè)壁空化特性的影響；依據(jù)液壓經(jīng)驗(yàn)和提出的公式來(lái)預(yù)測(cè)速度和與垂直方向θ取得的速度角，從而優(yōu)化洞身體型和軸線布置，以增強(qiáng)泄洪隧洞的本身穩(wěn)定性。

(三)進(jìn)出口結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對(duì)泄洪隧洞部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如進(jìn)水口懸挑牛腿部位采用預(yù)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(jìn)度[5]。如合理的對(duì)進(jìn)水塔體頂部牛腿、進(jìn)水塔體與攔污柵墩之間的連接板、清污門機(jī)軌道梁等結(jié)構(gòu)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(jìn)行了優(yōu)化,在項(xiàng)目管理的進(jìn)度、成本和安全控制等各方面均可取得巨大的效益[6]。

在對(duì)泄洪隧洞出水口設(shè)計(jì)上，充分利用下游水深可以達(dá)到盡量減少消力池結(jié)構(gòu)尺寸、減小工程量和工程占地的目的[7]；對(duì)于由結(jié)構(gòu)面組合形成的不穩(wěn)定或潛在不穩(wěn)定塊體，應(yīng)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行支護(hù)處理，且須在完成上部分支護(hù)的前提之下再進(jìn)行下部邊坡巖體的爆破施工[8]，在節(jié)約工程投資同時(shí)，應(yīng)盡量保護(hù)巖體穩(wěn)定性。

(四)出口消能優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)《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(gè)消能方式優(yōu)缺點(diǎn)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(zhì)條件允許時(shí)。

特點(diǎn)：對(duì)尾水變幅適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工、維修方便。

主要形式：斜切式挑流鼻坎、橫向擴(kuò)散挑坎、收縮式窄縫挑坎。

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

優(yōu)點(diǎn)：消能比較充分、平穩(wěn)，應(yīng)用最廣泛。

缺點(diǎn)：開(kāi)挖量大，施工時(shí)間長(zhǎng)，材 料 用量 多，造價(jià)高。

布置：洞口→水平擴(kuò)散段→曲線擴(kuò) 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(guò)主流在表面擴(kuò)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(diǎn)：戽斗面流消能是水流在戽斗內(nèi)形成水躍后，再在戽斗后形成面流，是兼有底流、面流特點(diǎn)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(wěn)定、抗沖能力強(qiáng)的情況

因此，在選擇泄洪隧洞消能方式的時(shí)候，應(yīng)該結(jié)合已知資料水文、地質(zhì)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(jié)論

在對(duì)泄洪隧洞進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合工程地質(zhì)，水文，地理位置等條件，從洞身段技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，進(jìn)水口型式和出水口消能方式技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選等因素，對(duì)泄洪隧洞進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以更好的改善泄洪隧洞施工條件,并減少開(kāi)挖量，節(jié)約投資，使工程更加經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，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(guó)水利水電出版社,2012:383.

[2]孫萬(wàn)功.汾河水庫(kù)泄洪隧洞工程優(yōu)化設(shè)計(jì).山西水利科技,2001,(S1)；

[3]雷音.洪家渡水電站泄洪隧洞優(yōu)化設(shè)計(jì).貴州水力發(fā)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(yōu)化數(shù)值模擬研究.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,28(5);855-860.

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

[6]楊玉友.向家壩水電站右岸進(jìn)水口混凝土施工優(yōu)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(shè)計(jì).市政技術(shù),2014,32(6);87-90.

[8]梅家鵬.某抽水蓄能電站下庫(kù)側(cè)式進(jìn)/出水口數(shù)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(shè)計(jì).水電站設(shè)計(jì),1999,15(2);42-46.