某水利樞紐工程中導流洞設(shè)計的重點與難點分析

魏 勇，陳業(yè)芹，鮑 磊

（上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 浦東 200120）

導流洞作為水利樞紐工程中臨時性導流建筑物，在整個工程施工中承擔著非常重要的角色，導流結(jié)束后可與輸水洞、泄洪洞、放空洞等永久性建筑物相結(jié)合使用，因此，導流洞設(shè)計中進出口底板高程確定、流量系數(shù)、導流斷面洞徑大小比選及施工方法以及導流洞封堵等，對整個樞紐工程施工進度、質(zhì)量及投資影響很大，合理的導流斷面不僅關(guān)系著抬頭壩的填筑高度、填筑量，還影響著整個工程投資，而導流洞封堵體長度設(shè)計合理不僅節(jié)省工程量，而且能保證結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定。本文結(jié)合某在建中型水庫工程，融入新的設(shè)計方法與思路進行導流洞設(shè)計。

1 工程概況

在建中型水庫樞紐工程主要由攔河壩、導流輸水隧洞和溢洪道組成，攔河壩為粘土心墻風化料壩。導流洞全長448.1m，主要由導流進口段、專用段和結(jié)合段組成，導流洞前期配合抬頭壩參與導流，后期改建成輸水隧洞。導流洞洞徑設(shè)計按照汛期抬頭壩填筑高度對應的最高水位確定，抬頭壩按一期填筑時施工強度大，工期和質(zhì)量很難保證，因此將攔河壩導流分兩期填筑，枯期導流方式為圍堰一次攔斷河床，導流隧洞泄洪，汛期導流采用度汛壩體攔洪，導流隧洞導流的導流方式。導流標準為汛期洪水20年一遇洪水（P=5%），設(shè)計洪峰流量124 m3/s[1,2]，調(diào)洪成果見表1。

表1 在建中型水庫設(shè)計洪水成果表

2 進出口底板高程確定

2.1 進口底板高程

為滿足施工期間導流洞洞口不受河道洪水影響及施工出碴需要，要求導流隧洞進口底板高于河道足夠高度，但為了方便導流，降低一期圍堰高程，要求導流隧洞進口底板盡量低[3,4]。導流洞進口段原河床寬49 m，河床高程2094.00 m，為滿足枯期導流洞進口施工需要，防止洪水影響進口施工，導流洞底板高程應高于河床3 m～4 m，故導流洞底板高程定為2097.60 m，高于河床3.6 m。原河道可過流寬度13 m，河床坡度1.23%，糙率取0.04，5年一遇汛期洪峰流量77.2 m3/s對應的水深1.8 m，低于導流洞進口底板高程，滿足導流洞施工期的度汛要求。

2.2 出口底板高程

根據(jù)施工安排，導流洞施工需要度汛，隧洞度汛洪水標準為20年一遇，隧洞出口20年一遇洪峰流量為123 m3/s，根據(jù)隧洞出口水位-流量結(jié)果，采用插值法計算得到隧洞出口20年一遇度汛水位為2077.96 m，考慮波浪影響[5,6]，取隧洞出口底板高程2078.50 m，出口水位-流量結(jié)果表見表2。

表2 在建中型水庫出口水位-流量結(jié)果表

3 洞徑比選研究

在建中型水庫壩高74.8 m，水庫壩址以上控制徑流面積42.1 km2，河道平均坡降47.7‰，壩軸線處清基面高程2076.3 m，攔河壩壩頂高程2151.10 m，導流洞進口底板高程2097.60 m，洞身設(shè)計斷面為城門洞型，斷面尺寸分別選取1.8 m×2.2 m、2.2 m×2.5 m和2.5 m×3.0 m三種斷面形式，按汛期20年一遇洪水（P=5%）進行調(diào)洪計算，最終根據(jù)度汛抬頭壩高程對應抬頭壩填筑量、施工周期及強度、工程投資等綜合考慮，選擇合理的斷面尺寸[7]。

3.1 流量系數(shù)確定

導流洞在進行斷面尺寸設(shè)計時，汛期導流按有壓滿流考慮，根據(jù)水力學計算手冊（第二版）隧洞有壓流基本計算公式[8～10]，流量系數(shù)按下式計算：

式中：μ為流量系數(shù)，ζi為隧洞第i段上的局部能量損失系數(shù)，其它符號代表含義見水力學計算手冊。

每一不同的設(shè)計斷面可計算得到一個流量系數(shù)，本文以2.2 m×2.5 m導流斷面為例，進行流量系數(shù)計算，計算得到的結(jié)果見表3，同理1.8 m×2.2 m和2.5 m×3.0 m計算得到的流量系數(shù)分別為0.384、0.476。

表3 導流隧洞流量系數(shù)計算表（2.2m×2.5m斷面）

3.2 調(diào)洪計算

流量系數(shù)得到后，采用《水利水電工程設(shè)計計算程序集》軟件（簡稱PC1500）進行調(diào)洪演算[11]，得到不同時段的水位與泄流量結(jié)果，并繪出水位-泄流量曲線圖。

3.2.1 原始數(shù)據(jù)

對原始數(shù)據(jù)包括水位-水面面積關(guān)系曲線節(jié)點數(shù)，導流洞尺寸及進口高程、閘門尺寸及閘底高程、洪水時段、洪水過程、起調(diào)水位等輸入PC1500軟件，具體數(shù)值見表4～表6。

表4 水位-水面面積關(guān)系曲線節(jié)點數(shù)（k=37）

表5 洪水過程時段及水位情況

表6 導流洞尺寸及高程表

3.2.2 計算結(jié)果

進行PC1500進行調(diào)洪的結(jié)果見表7。

表7 調(diào)洪計算結(jié)果表 單位：m3/s

經(jīng)過計算，導流洞汛期最大下泄流量為58.84 m3/s，所對應的最高水位為2115.29 m，調(diào)洪度汛曲線見圖1。

圖1 調(diào)洪度汛曲線

3.3 洞涇比選結(jié)果

采用水力計算軟件PC1500，將洞身斷面尺寸分別為1.8 m×2.2 m、2.2 m×2.5 m和2.5 m×3.0 m三種洞身斷面進行調(diào)洪（見圖2），根據(jù)最大下泄流量對應的水庫最高水位，分別得到度汛抬頭壩高程和抬頭壩填筑量，見表8。

圖2 PC1500計算結(jié)果示意圖

經(jīng)過施工組織安排，大壩的填筑在兩個枯水期內(nèi)完成，第一個枯水期填筑時間為3.5個月，第二個枯水期填筑時間為5個月，洞徑2.2 m×2.5 m所計算的抬頭壩填筑量大約為總量的44.32%，兩期月填筑強度相對較均衡（第一期強度9.98萬m3/月，第二期強度8.77萬m3/月），且導流洞洞徑相對較小，投資較小。1.8 m×2.2 m洞徑對應的一期抬頭壩填筑量較大，施工強度大，工期難保證。2.5 m×3.0 m洞徑對應的度汛抬頭壩填筑量小，但洞徑增大將導致投資增大，不經(jīng)濟，并且第二期施工強度大，工期很難保證。綜合考慮導流洞洞徑為2.2 m×2.5 m的城門洞型較為合適[12,13]。

表8 不同斷面洞身尺寸比選結(jié)果表

3.4 導流洞水力計算

導流隧洞在施工期導流運行過程中，進口流態(tài)隨上游水位的變化，分為進口無壓、半有壓和有壓泄流三種工況。根據(jù)《水力學計算手冊》（第二版）（武漢大學水利水電學院水力學流體力學教研室李煒主編，中國水利水電出版社）第七篇水工隧洞的水力計算，結(jié)算結(jié)果見表9。各流態(tài)計算公式為：

表9 導流隧洞下泄流量～水位關(guān)系表

綜上比較，庫水位2115.29 m時導流洞最大流量為60.37 m3/s，大于C-2調(diào)洪演算時的最大下泄流量，導流隧洞滿足泄流要求。

4 封堵體長度計算

4.1 計算方法

導流洞堵封體計算方法有經(jīng)驗公式、結(jié)構(gòu)計算以及數(shù)值計算3種計算方法，本文在依據(jù)水工規(guī)范，總結(jié)前人工程經(jīng)驗等計算方法的基礎(chǔ)上，采用《水工隨動設(shè)計規(guī)范》（SL 279-2016）版中堵封體的計算方法。計算方法如下：

（1）封堵體長度一般取封堵隧洞開挖洞徑（或洞寬）的3倍以上，個別小型工程取2倍洞徑，即L≥（2～3）D，式中L為封堵體長度，D為封堵洞洞徑（或洞寬）；

（2）挪威經(jīng)驗公式：L≥（3～5）H/100，式中H為水頭，L為堵封體長度；

（3）按經(jīng)驗公式：L=HD/50，式中H為水頭，D為洞涇，當隧洞為非圓形時，換算直徑D=(4A/π)(1/2)；

（4）根據(jù)現(xiàn)行水工隧洞設(shè)計規(guī)范（SL 279-2016）中封堵體的抗滑穩(wěn)定公式計算：

式中：K為按抗剪強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，K≥3；S為荷載效應設(shè)計值，kN；∑P為封堵體承受的全部荷載效應對滑動面的最大切向分值，kN；∑W為封堵體承受的全部荷載效應對滑動面的最大法向分值，向下為正，kN；f′為混凝土與巖石或混凝土與混凝土的抗剪斷摩擦系數(shù)；C′為混凝土與巖石或混凝土接觸面的抗剪斷黏聚力，kPa；Ai為除頂拱部位（90°～120°）外，封堵體底面、側(cè)面與圍巖（或砼）接觸面的面積，m2；λi為除頂拱部位（90°～120°）外，封堵體底面、側(cè)面與圍巖（或砼）接觸面的有效面積系數(shù)，底面λ=1，側(cè)面λ=0.7。

4.2 計算結(jié)果

根據(jù)地質(zhì)情況及工程經(jīng)驗類比，堵封體位置處圍巖類別為Ⅳ類，計算圍巖混凝土間的摩擦系數(shù)f=0.6，粘聚力c=400 kPa，混凝土容重γ=2400 kg/cm3，各種方法計算得到的封堵體長度見表10。

表10 導流洞封堵體長度的計算成果

根據(jù)以上結(jié)果可知，4種計算方法所得到的封堵體的長度結(jié)果相差較大，結(jié)果最大相差3.4倍，本工程經(jīng)過綜合對比，最后采用現(xiàn)行《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（SL 297-2016）的計算方法，導流輸水隧洞封堵體長度L取4 m。

5 結(jié)論和建議

1）計選取1.8 m×2.2 m、2.2 m×2.5 m和2.5 m×3.0 m三種斷面形式，從抬頭壩填筑高度、填筑量與施工工期、強度等方面進行比選，結(jié)合工程投資，選擇出符合該樞紐工程的導流洞斷面，既保證了施工工期，又節(jié)省了投資。

2）導流洞進、出口底板高程確定在導流洞設(shè)計中極其重要，不僅關(guān)系到導流洞施工期不受洪水的影響，也直接影響著導流洞調(diào)洪驗算結(jié)果的正確性，影響洞徑斷面選擇。

3）導流洞洞徑選擇后，要進行水力計算，復核選擇導流洞斷面是否滿足過流能力，若不滿足，應重新進行斷面設(shè)計，也可能進行軸線和體型調(diào)整。

4）在計算封堵體長度上相差很大，絕不能采用其中一種方法確定其長度，長度太長，會影響造價及施工工期，太短容易引起水力擊穿或者封堵體滑動。在封堵體體型、受力等確定的前提下，采取幾種方法組合計算封堵體長度，并結(jié)合工程經(jīng)驗最終確定封堵體長度。