樓莊子水庫工程導流兼泄洪沖沙洞洞身結構設計與計算

趙新偉

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

樓莊子水庫位于頭屯河硫磺溝鎮以南25 km處，距下游昌吉市硫磺溝鎮樓莊子村8 km，庫區下游有國防公路通過，壩址位于制材廠水文站以下8.5 km處，是一座以灌溉、防洪和城市及工業供水為主要任務的水庫工程。水庫工程由粘土心墻壩、導流兼泄洪沖沙洞、溢洪洞、引水洞等組成。

按照《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2000）和《防洪標準》（GB50201-2014），確定樓莊子水庫為Ⅲ等工程，工程規模為中型。大壩設計洪水標準為100年一遇，洪峰流量Q=405 m3/s；校核洪水標準為2000年一遇，洪峰流量Q=750 m3/s。消能防沖建筑物的設計洪水標準為30年一遇，最大入庫洪峰流量Q=277 m3/s。導流標準:圍堰施工期施工導流洪水標準為20年一遇，洪峰流量Q=237 m3/s。壩體施工期擋洪度汛洪水標準為50年一遇，洪峰流量Q=330 m3/s。

導流兼泄洪沖沙洞為一條多功能隧洞，前期承擔施工導流的任務，后期承擔泄洪沖沙的任務，布置在河床右岸。導流兼泄洪沖沙洞設校核工況下校核泄量275 m3/s，導流兼泄洪沖沙洞由進口段、閘井段、洞身段、出口消能段組成，全長691.471 m，消能方式采用底流消能。

2 泄水建筑物的任務及要求

2.1 泄水建筑物的任務及運用要求

1）工程最大壩高82.6 m，泄水建筑物布置兩層，即表孔溢洪洞和導流兼泄洪沖沙洞，同時要求導流兼泄洪沖沙洞進口底板高程和孔口尺寸根據施工導流、度汛要求綜合考慮。

2）泄水建筑物按表、底孔進行不同高程布置，使之滿足在水庫運行調度中操作靈活、安全可靠的要求。

3）各泄水建筑物孔口高程的設置在滿足金屬結構安全可靠操作靈活的前提下，盡可能的降低進口高程，減少泄水建筑物孔口尺寸。

4）在泄量分配上:水庫汛期起調水位為汛限水位（即正常蓄水位），在庫水位小于防洪高水位1397.39 m時，采用表孔溢洪洞控制下泄洪水；在庫水位大于防洪高水位而小于設計洪水位1397.43 m時，也采用表孔溢洪洞控制下泄洪水；在庫水位大于設計洪水位而小于校核水位1397.63 m時，采用底孔導流兼泄洪沖沙洞和表孔溢洪洞同時開啟并控制泄洪。其中溢洪道泄量占總下泄量的50%以上。

5）導流兼泄洪沖沙洞進口采用隧洞形式與閘井相接，應考慮避免此段隧洞被泥沙堵塞。

2.2 各泄水建筑物下泄流量

各泄水建筑物下泄流量見水庫調洪演算成果見表1。

表1 水庫調洪演算成果表

3 導流兼泄洪沖沙洞結構設計

3.1 進口段高程

為了減少導流兼泄洪沖沙洞進口引渠的開挖及邊坡的高度，結合地形地質條件，綜合考慮河床高程及導流要求，防止泥沙對進口段隧洞的影響，將進口段隧洞縱坡加大，隧洞進口高程比河床高8 m左右，確定導流兼泄洪沖沙洞進口底板高程1335.00 m，進洞口處底板高程為1337.40 m。

3.2 泥沙堵塞分析

根據實測泥沙資料統計，頭屯河汛期懸移質泥沙主要集中在汛期5月～8月份，懸移質輸沙量占全年的93.32%，其中5月占9.01%，6月占19.93%，7月占46.01%，8月占18.37%，根據入庫泥沙的特點，在滿足水庫興利的前提下，采取部分汛期調沙運行的泥沙調度運行方式，排沙時機選擇在5月下旬庫水位降至死水位運行，導流兼泄洪沖沙洞死水位運行時進口隧洞段流速為9.1 m3/s，由于流速較大，因此進口隧洞段不存在堵塞問題，放水洞進口隧洞段高程較高，水質較好，不存在泥沙堵塞問題。

3.3 孔口尺寸

導流兼泄洪沖沙閘的任務為施工期導流，運行期泄洪、沖沙。

在施工期，初期、中期導流標準P=5%，相應洪峰流量236 m3/s，后期導流標準P=2%，相應洪峰流量330 m3/s；在運行期，根據水庫調洪演算成果導流兼泄洪沖砂洞在校核水位1397.63 m時下泄流量為275 m3/s。

導流兼泄洪沖沙洞孔口尺寸按照兩種工況進行比較確定，見表2。

工況一:按施工期導流標準確定孔口尺寸，再復核運行期下泄流量；

工況二:按照運行期下泄流量確定孔口尺寸，再復核施工期下泄流量。

表2 兩種工況成果分析表

根據計算分析可知，在工況一的情況下，根據施工期導流標準確定導流兼泄洪沖沙洞孔口尺寸為2.5 m×3.0 m，可滿足施工導流期度汛要求，但在運行期，導流兼泄洪沖沙洞最大下泄流量為119 m3/s，不能滿足運行期泄洪要求。在工況二的情況下，根據運行期最大泄洪流量275 m3/s確定導流兼泄洪沖沙洞孔口尺寸為3.0 m×4.0 m，其實際最大下泄流量為288 m3/s，滿足泄洪要求，也滿足施工期導流要求。因此確定導流兼泄洪沖沙洞孔口尺寸按照運行期泄洪要求確定。

導流兼泄洪沖沙洞進口段為有壓泄流方式，根據導流期流量及2000年一遇洪水泄洪要求，經計算確定導流兼泄洪沖沙洞工作門孔口尺寸為3.0 m×4.0 m（寬×高）。

3.4 結構布置

3.4.1 進口段

樁號導0-196.471m～導0+000.000 m為進口段，進口段由進口引渠和進口隧洞段組成。

樁號導0-196.471m～導0-120.000 m段為引渠段，長76.471 m，底板高程為 1338.93 m～1337.40 m，縱坡 i=0.02，斷面型式為矩形，引渠底板寬4 m，為厚0.3 m的C20素混凝土結構，引渠邊墻為厚0.3 m的C20素混凝土結構。

樁號導0-120.000m～導0+000.000m為進口隧洞段，長120m。其中樁號導0-120.000m～導0-010.000m為洞身段，段長110m，縱坡i=0.02，斷面型式為城門洞形，洞徑為4m×5.5m（寬×高），C25鋼筋混凝土襯砌厚度為0.6m；樁號導0-010.000m～導0+000.000m為漸變段，段長10m，縱坡i=0.02，斷面型式尺寸由4.0m×5.5m（寬×高）城門洞形漸變為4.0m×5.0m（寬×高）矩形斷面，采用C25鋼筋混凝土襯砌，厚度為1.2m。

3.4.2 閘井段

樁號導0+000.000 m～導0+025.000 m為閘井段，采用豎井式進水口，將閘井鑲嵌在山體中，閘井順水流方向長25 m，垂直水流方向寬8 m。設一扇平板事故檢修門，孔口尺寸4.0 m×5.0 m（寬×高）；一扇弧形工作門，孔口尺寸3 m×4 m（寬×高），進口底板高程1335.00 m，閘井頂高程1400.30 m。閘井四周進行固結灌漿，灌漿孔間排距3.0 m×3.0 m，灌漿孔長4.0 m，閘井為鋼筋混凝土結構。

3.4.3 洞身段

樁號導0+025.000 m～導0+375.000 m為無壓隧洞洞身段，全長350 m，其中樁號導0+025.000 m～導0+035.000 m為漸變段，斷面形式由4.0 m×5.0 m（寬×高）矩形漸變為4.0 m×5.5 m（寬×高）城門洞型式；樁號導0+035.000 m～導0+365.000 m為洞身段，樁號導0+365.000 m～導0+375.000 m為明洞段，斷面型式為城門洞形，斷面尺寸為4.0 m×5.5 m（寬×高），洞身直墻高4.345 m，拱頂中心角均為120°，半徑2.309 m。在側墻與底板相接處設一半徑0.6 m的圓弧。洞身每10.0 m設置一道結構縫，內設一道止水，縱坡i=0.02。邊墻和底板采用C40高性能鋼筋混凝土襯砌，厚度為0.6 m。

出口洞臉邊坡設間距3 m，φ25的砂漿錨桿，錨桿長4.0 m邊坡采用C30混凝土噴護，噴護厚度100 mm，并掛φ8@200 mm×200 mm的鋼筋網。

3.4.4 出口消能段

樁號導0+375.000 m～導0+480.000 m為出口消能段，其中包括泄槽段、擴散段、消力池段。其中樁號導0+375.000 m～導0+385.000 m為泄槽段，長10 m，底板縱坡i=0.02。樁號導0+385.000 m～導0+430.000 m為擴散段，長45 m，縱坡i=1/3，斷面形式為矩形，由底寬4.0 m擴散到底寬8.0 m，邊墻和底板均采用C25鋼筋混凝土襯砌，襯厚1.0 m。樁號導0+430.000 m～導0+480.000 m為消力池段，長50 m，縱坡i=0，斷面形式為矩形，底寬8.0 m，高7.0 m，邊墻和底板均采用C25鋼筋混凝土襯砌，襯厚分別為1.5 m和2.0 m；消力池后接15 m扭面連接后部退水建筑物。

4 導流兼泄洪沖砂洞結構計算

4.1 穩定計算

導流兼泄洪沖沙洞為豎井開挖，閘井緊密的鑲嵌在山體中，因此無需進行穩定計算。

4.2 洞身結構計算

洞身結構結構計算采用結構力學方法計算，由《水利水電工程PC1500程序集》中G-12進行計算。

對導流兼泄洪沖沙洞的不同樁號位置作為典型段面進行結構計算:計算樁號為0+035 m、0+200 m、0+350 m。

4.2.1 計算工況及荷載組合

計算內力組合分為施工期、運行期和檢修期三種工況。

施工期:自重+山巖壓力+灌漿壓力；

運行期:內水壓力+外水壓力+自重+山巖壓力；

檢修期:外水壓力+自重+山巖壓力。

灌漿壓力按0.2 MPa計，作用于洞室頂部；洞身尺寸4.0 m×5.5 m（b×h）的城門洞型；圍巖容重 γ巖=2.69 g/cm3；內摩擦角φ=39°；洞身為Ⅳ類圍巖，單位彈抗K0=667 N/cm3～1944 N/cm3。圍巖泊松比μ=0.25。

外水壓力受圍巖構造裂隙、完整程度及排水措施等多方因素的影響，依據《水工隧洞設計規范》（SL 279-2002），應予折減。依據本工程的地質情況參考規范規定，計算外水時上游以校核洪水位1397.63 m、下游以出洞口洞頂為出溢點拉一直線認為是外水浸潤線，在各計算斷面截取對應的水頭，乘以相應的折減系數，即為計算外水?？紤]工程的地質情況和頂拱設置排水孔，漸變段外水不折減，洞身段外水折減系數0.6。

4.2.2 計算成果

導流兼泄洪沖沙洞為無壓明流洞，襯砌厚度及配筋受內壓控制，其主控荷載是外水壓力，經結構計算漸變段襯砌厚度為0.8 m，洞身段襯砌厚度0.6 m。計算成果見3。

表3 導流兼泄洪沖沙洞洞身段結構計算成果表

根據計算結果采用鋼筋為Φ25@190 mm。配筋面積為2584 mm。計算截面尺寸為1000 mm×600 mm，保護層厚度為50 mm，配筋率為0.47%，大于最小配筋率0.15%。襯砌結構尺寸合理。

5 結語

樓莊子水庫工程導流兼泄洪沖沙洞建成截流通水后，導流度汛運行狀況良好，通過兩年來運行情況看，進一步驗證了其設計與計算滿足規范要求及運行使用要求，可為類似工程設計提供一定參考，相信后期隨著后期大壩、溢洪洞及引水洞工程的陸續建成，必將極大地促進當地的經濟發展與社會進步。