東莊水利樞紐工程導流洞布置設計

張春生 楊道坡 董京艷

摘要：東莊水利樞紐工程檔水建筑物為高230 m的混凝土雙曲拱壩，工程規模巨大。工程采用一次攔斷、圍堰檔水、隧洞導流的導流方式。導流洞規模大，涇河超高含沙量、洞內水流高流速及復雜地形條件給導流洞布置設計帶來很大困難。為了合理確定導流洞布置方案，從技術、經濟、運用風險等方面，分別進行了導流洞單、雙洞布置和左、右岸布置等多方案比較，最終確定采用右岸單洞大洞徑導流洞布置方案，并對推薦方案的導流洞進行了泄流能力計算。

關鍵詞：導流隧洞；一次攔斷；水力計算；東莊水利樞紐工程

中圖分類號：TV554 文獻標志碼：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.023

1 工程概況

東莊水利樞紐工程位于徑河峽谷下段出口以上29km處，工程主要由混凝土雙曲拱壩、壩后消力塘、左岸引水發電系統、引水灌溉洞及庫區防滲工程等組成。壩高230m，工程等別為Ⅰ等，工程規模為大（1）型。

在壩址下游650m處河道向左60°拐彎，平水期水位590m，水面寬20～30m。壩址上游左岸存在1#崩塌堆積體，最下游出露點距壩線約125m，順河向長160m，分布寬10～30m，出露高程592～709m。

壩址區河谷為窄V形，河谷底寬30m左右，兩岸基巖裸露，岸坡陡峻，具有良好的成洞條件，故初期導流選擇一次斷流、圍堰擋水、隧洞導流的導流方式。經經濟、風險控制綜合分析比較，同時參考國內類似工程經驗，初期導流標準采用10a一遇洪水，相應設計流量為5300m3/s。

2 布置原則

根據該工程的具體條件，導流洞布置遵循以下原則：①導流洞進、出口位置滿足河道進流及出口與下游河道的水流平順銜接要求，同時滿足導流洞施工布置要求；②洞身轉彎段轉彎半徑大于5倍洞寬，轉彎角度小于60°，進口轉彎段前和出口轉彎段后直線段長度不小于3倍洞寬；③導流洞進、出口上覆巖體厚度滿足進出口洞身結構及巖體穩定要求，同時盡量避開不利地質構造影響，以減少進口邊坡開挖工程量和邊坡支護處理工程量；④導流洞洞線布置盡量避開不利地質構造影響，上覆巖體厚度滿足洞身開挖穩定及襯砌結構要求；⑤盡量提高圍堰高度，但圍堰應在一個枯水期完建并具備擋水的條件；⑥在現有工程經驗基礎上確定導流洞規模，確保導流洞施工和運行安全。

3 導流洞布置設計

3.1 導流洞單、雙洞布置方案比較

根據初擬的圍堰高度、導流標準和流量、壩址區地質條件等，對單洞和雙洞布置方案進行了技術、經濟及運用風險綜合比較。單洞和雙洞均采用10a一遇洪水標準設計，相應設計流量為5300m3/s。導流洞均布置在右岸，布置條件相當。因截流流量（為115m3/s）不大，故截流條件差別不大。初期導流運用條件相同，圍堰規模相當。導流洞進、出口風化卸荷洞段、斷層等構造破碎帶圍巖類別主要為Ⅲ類，灰巖洞段圍巖類別主要為n類，成洞條件較好。兩條導流洞布置方案跨度相對較小，巖體穩定性好，結構可靠性高。一條導流洞布置方案隧洞規模大，且存在f56斷層穿過導流洞問題，施工難度較大，安全性差；兩條導流洞布置方案施工工期較一條導流洞布置方案緊張，雖然存在f5、f56斷層，但洞徑較小，施工難度較小。導流洞單雙洞布置方案綜合比較見表1。

單洞與雙洞布置方案的布置條件、截流條件差別不大，中期導流運用方式相似，后期導流封堵條件相似。

單洞布置方案優點：直接投資上，單洞方案較雙洞方案少約5600萬元，占單洞導流工程直接投資的23.2%，相對經濟。壩址處地形陡峻、河道狹窄，單洞布置方案施工條件優于雙洞布置方案。

雙洞布置方案優點：①導流洞運用期間，洞內最大流速達21m/s，屬于高流速隧洞；同時，徑河屬超高含沙量河流，多年平均含沙量144kg/m3，汛期平均含沙量212kg/m3。導流洞過流期間，洞子磨損較常規情況要嚴重得多，雙洞布置方案后期應急檢修條件優于單洞布置方案，導流洞運行期間安全性相對較高。②由于地質條件具有不確定性，因此當施工期間出現嚴重不利地質條件時，雙洞布置方案洞徑屬較小的常規洞徑，相對容易處理。③雙洞方案洞徑較小，洞身支護結構設計難度較小，結構安全相對更有保證。

按照目前的施工技術，單洞、雙洞布置方案技術上均可行，無明顯優缺差異。充分考慮工程地質條件較好這一因素，從相對經濟角度考慮，推薦采用單洞大洞徑布置方案。

3.2 導流洞左、右岸布置方案比較

對于導流洞左岸與右岸布置方案，其導流標準、洞徑相同，圍堰規模差別不大，重點從導流洞規模、施工條件和廠房布置條件三方面進行比較，見表2。導流洞左、右岸布置方案優劣明顯，右岸布置方案明顯優于左岸布置方案。

3.3 導流洞具體布置

（1）導流洞進口。經計算分析，導流洞出口為淹沒流，導流洞進、出口高程抬高，基本不影響其泄流能力，但導流洞的進、出口邊坡開挖工程量明顯減少，從而減少了導流臨建工程量。經綜合考慮河床水位、地形條件、截流條件等，最終確定導流洞進口高程為593m。

導流洞進口設置封堵閘門，考慮封堵閘門水頭高，尺寸大，在進口閘室設置分流墩，左、右孔口分別設置封堵閘門，孔口尺寸8m×19m。進水塔塔頂高程650m，為了防止塔頂進水影響泄流能力，惡化水流條件，頂部設蓋板，導流洞下閘封堵前再打開蓋板補氣。

（2）底坡。導流洞底坡與進出口高程、洞內流速有關，常取0.1%～0.4%。考慮徑河超高含沙量特點，為了避免洞內淤積，在考慮進出口高程的同時，盡可能增大低水位時導流洞洞內流速，同時參考國內已建工程經驗，導流洞底坡坡比取0.35%。

（3）斷面形式及尺寸。根據圍堰規模、施工期設計洪水、水工樞紐布置條件和國內已建工程經驗，經調洪演算，導流洞成洞尺寸為17m×19m（寬×高），城門洞形，頂拱角度120°。

導流洞洞內水流最大平均流速達21m/s，洞身擬采用全斷面襯砌形式。導流洞洞身圍巖類別主要分為Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類，根據導流洞運行方式及洞身各段不同荷載受力情況，洞身沿程采取不同襯砌厚度，導流洞綜合襯砌厚度為1.1m。

（4）導流洞出口。由于導流洞出口地質條件較好、巖石出露，為巨厚層灰巖，且導流洞出口無其他水工建筑物，因此導流洞出口未設置專門的消能防沖措施，僅設置20m長混凝土明渠，防止水流的反向淘刷影響導流洞洞身安全。

4 導流洞泄流能力計算

4.1 隧洞水流流態判別

（1）對iH/a≥1.2為半有壓流，H/a≥K2m為有壓流。式中：K2m為半有壓流至有壓流的界限值；∑ξ為自進口上游漸變流斷面到隧洞出口斷面間的局部能量損失系數之和；C為舍齊系數；l為洞長；R為滿流時的水力半徑；i為隧洞底坡；v2/ga為出口斷面弗勞德數的平方。當出口斷面周邊為大氣時，由試驗得v/ga=1.62；當出口斷面下游有底板時，認為界限狀態下的出口斷面水深為臨界水深hk，即a=hk，則有v2/ga=1。

（2）對i>ik的陡坡隧洞，H/a<1.2為無壓流，1.2≤H/a<1.5為半有壓流，H/a≥1.5為有壓流。

4.2 無壓隧洞泄流能力計算

（1）長、短洞判別。①當底坡由緩坡趨于平坡（i=0）時，長短洞的界限長度為lk=（5～12） H，洞長l>lk為長洞、l