石門水庫導流隧洞設計

張 新

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，烏魯木齊 830002）

1 工程概況

石門水庫徑流區(qū)所在的莫勒切河，發(fā)源于巴音郭楞蒙古自治州南部昆侖山北麓和阿爾金山的兩條東西相鄰河流，流域面積合計1.62 萬km2。水庫壩址位于莫勒切河出山口處，壩址以上徑流面積2422 km2。石門水庫是一座具有灌溉、發(fā)電等綜合效益的山區(qū)水庫工程，水庫總庫容為7362 萬m3，興利庫容為4315萬m3。

2 導流隧洞地質(zhì)條件

導流隧洞布置于大壩左岸，由進口引渠、閘井、洞身段、出口明槽段組成，長度420.61 m（與泄洪隧洞結(jié)合段長340.07 m）。大壩左岸多為基巖裸露，局部表層有少量坡積碎石土覆蓋，厚度2～4 m。高程2420 m以下坡度35°左右，以上坡度45°左右。

導流隧洞引水渠、閘井段基巖裸露，巖性為變質(zhì)砂巖，中硬巖，巖體強風化厚度為5～8 m，弱風化厚度為14～18 m；進口洞室段地層巖性為變質(zhì)砂巖，中硬巖，強風化層厚6.0～9.0 m，弱風化層厚13.8～22.0 m；直洞段（與泄洪隧洞結(jié)合段）巖性為變質(zhì)砂巖及花崗巖，中硬巖，圍巖類別為Ⅱ～Ⅳ類，出口段位于強風化層內(nèi)，基巖表層覆蓋坡積碎石土層，圍巖類別為Ⅲ～Ⅳ類，出口明槽段地層巖性為沖積卵礫石層，冰水沉積卵礫石層，結(jié)構(gòu)密實，承載力較好。

3 導流隧洞的設計

3.1 設計標準

石門水庫工程等別為Ⅲ等中型，大壩為2級，溢洪道、泄洪排砂洞、灌溉引水發(fā)電洞為3 級，導流隧洞取4 級建筑物標準[1]。

3.2 洞線選擇

導流隧洞洞線的選擇，對左右岸進行綜合比選。

（1）右岸。①地形為凹岸，洞軸線布置存在彎道，高速水流條件不好；②導流隧洞引渠長，隧洞進水口兩側(cè)砂礫石深厚，導流隧洞引水渠底板低，運行時易塌方，淤堵進口，且進口處為山洪溝，山洪對進口存在安全威脅；③隧洞后半段在砂礫石段中，開挖難度加大，砂礫石隧洞的安全運行條件較差。

（2）左岸。①隧洞進口基巖裸露，處理工程量小，運行安全可靠；②可以利用左岸為凸岸的地形特征，洞線布置為直線，滿足高速水流無壓隧洞布置的基本要求；③進水塔及洞身段均位于巖石之中，運行較右岸安全。

通過上述左右兩岸地形地質(zhì)條件、洞軸線布置條件、水力條件、運行安全等方面比較，導流隧洞宜布置在綜合條件較優(yōu)的左岸。同時左岸具備導流隧洞與泄洪排砂洞結(jié)合布置條件，施工期導流隧洞導流過洪，運行期對導流隧洞前段進行封堵，泄洪排砂洞投入使用，滿足導流度汛要求，同時可合理節(jié)約投資。

3.3 隧洞布置

導流隧洞由引水渠段、豎井段、洞身段、消能段及尾水渠段組成，總長779.0 m。其中引水渠段長20.18 m，豎井段長10.2 m，洞身段長420.61 m，消能段長178 m，尾水渠段長150 m，其中洞室后段340.07 m與泄洪排砂洞相結(jié)合。

3.4 導流時段及標準分析

導流隧洞導流時段為兩個階段：初期導流階段、主體工程施工期導流階段。①初期導流階段由圍堰擋水，導流隧洞泄洪，導流臨時度汛洪水標準10 年一遇，相應洪峰流量Q=461 m3/s；②主體工程施工期導流階段由壩體臨時斷面擋水，導流隧洞泄洪，導流臨時度汛洪水標準50 年一遇，相應洪峰流量Q=781.0 m3/s。

3.5 導流方式

壩體施工導流采用河床一次斷流，上、下游圍堰擋水，導流隧洞全年導流的方式。根據(jù)工程施工進度安排，工程開工后第2 年9 月底截流；第3 年汛期由上、下游圍堰擋水，導流隧洞泄洪；第4 年汛期由壩體臨時斷面擋水，導流隧洞泄洪。

3.6 選定方案水力學指標

經(jīng)綜合比選，選定導流隧洞豎井孔口尺寸4.5 m×4.5 m（b×h）為推薦方案，導流隧洞與泄洪沖砂洞結(jié)合布置，結(jié)合圍堰、度汛壩體前庫容，進行水庫調(diào)洪計算得出樞紐導流度汛特性參數(shù)（見表1）。

表1 導流隧洞導流度汛特性表

3.7 隧洞體型設計

導流隧洞引水渠段長20.18 m，梯形斷面，底板7.5～11.4 m，邊坡1∶0.5；進水豎井采用岸塔式，長10.2 m，寬4.5 m，豎井底板高程2329 m，孔口尺寸為4.5 m×4.5 m，豎井平臺高程2348 m，豎井啟閉平臺高程2 355.5 m。豎井進水口頂部采用橢圓曲線，長半軸取4.5 m，短半軸為1.5 m；導流隧洞臨時洞身段長80.56 m，采用城門洞型，其中0+000～0+012段為漸變段1，尺寸由4.5 m×6.2 m（b×h）漸變?yōu)?.0 m×6.2 m，0+012～0+049.35段采用城門洞形，斷面尺寸5.0 m×6.2 m，0+049.35～0+080.55 段為漸變段2，尺寸由5.0 m×6.2 m漸變?yōu)?.5 m×7.3 m，導流隧洞與泄洪沖砂洞結(jié)合段為0+080.55～0+420.61，采用城門洞形5.5 m×7.3 m；導流隧洞全斷面采用C25鋼筋混凝土襯砌。消能段及尾水渠段結(jié)合泄洪沖砂洞進行結(jié)構(gòu)設計，限于篇幅在此不作分析。

3.8 水力計算分析

3.8.1 孔口泄流能力計算

導流隧洞在施工期運行過程中，根據(jù)其進口流態(tài)及上游水位的變化，分為進口無壓、半有壓和有壓泄流3種工況，計算導流隧洞泄流能力，可直接采用有壓流泄流能力計算[2]。

式中：Q為泄流流量，m3/s；H為有壓短管出口的閘孔底板高程算起的上游庫水深，m；ε為有壓短管出口的工作閘門垂直收縮系數(shù)；e、B分別為閘孔開啟高度和水流收縮斷面處的底寬，m；μ為短管有壓段的流量系數(shù)；φ為流速系數(shù)；ω 為收縮斷面面積，ω=εBe，m2；ζi為自進口上游漸變流斷面至有壓短管出流后的收縮斷面之間的任一局部能量損失系數(shù)；Li為有壓短管的長度，m；ωi、Ri和Ci分別為有壓短管的平均過水斷面面積及相應的水力半徑和舍齊系數(shù)。局部水頭損失系數(shù)計算表見表2，流量系數(shù)計算表見表3。

表2 局部水頭損失系數(shù)計算表

表3 流量系數(shù)計算表

經(jīng)計算，施工第3年汛期，采用圍堰擋水，導流標準10年一遇，導流隧洞孔口過流能力為257.08 m3/s；施工第4 年汛期，采用壩體擋水，導流標準50 年一遇，導流隧洞孔口過流能力為325.79 m3/s。導流隧洞孔口過流能力均滿足各汛期需泄量要求（見表1）。

3.8.2 洞內(nèi)水面曲線計算

式中：hb為計入波動及摻氣的水深，m；h為不計入波動及摻氣的水深，m；v為不計入波動及摻氣的計算斷面上的平均流速，m/s；ξ為修正系數(shù)，可取1.0～1.4，視流速和斷面收縮情況而定，當流速大于20 m/s時，宜采用較大值。

施工第3 年汛期，采用圍堰擋水，導流標準10年一遇，混凝土的糙率n取0.016，底寬4.5～5.5 m，底坡1/70～1/70.4。導流隧洞（施工第3 年汛期，P=10%）水面線計算成果見表4。

表4 導流隧洞（施工第3年汛期，P=10%）水面線計算成果表

施工第4 年汛期，采用壩體擋水，導流標準50年一遇，混凝土的糙率n為0.016，底寬4.5～5.5 m，底坡1/70～1/70.4。導流隧洞（施工第4 年汛期，P=50%）水面線計算成果見表5。

表5 導流隧洞（施工第4年汛期，P=50%）水面線計算成果表

由表4、表5 可知，施工導流期間，導流隧洞過10年一遇、50年一遇洪水時，考慮摻氣水深后，導流隧洞凈空率均大于15%的規(guī)范要求，以上擬定的洞型及尺寸滿足過流要求，選型合適。

4 結(jié)語

導流隧洞是決定水庫樞紐工程是否能順利施工的關(guān)鍵工程，對于工程總體進度把控起著至關(guān)重要的作用。對于大中型水庫樞紐工程，考慮到施工度汛洪水標準較高，相應洪峰流量較大，會造成導流隧洞規(guī)模較大，投資較高。導流隧洞的規(guī)劃設計，在滿足施工導流度汛安全的同時，其經(jīng)濟合理性十分重要，因此導流隧洞規(guī)劃設計時，應充分考慮其與其他水工洞室的結(jié)合使用，減小臨時工程所占比例，合理節(jié)約投資。

本工程充分利用左岸較好的地形地質(zhì)條件，將導流隧洞與泄洪沖砂洞結(jié)合布置，導流隧洞臨時部分僅占總洞室長度的19.15%，既滿足施工導流度汛安全，又具有較好的經(jīng)濟性。后期通過對導流隧洞臨時部分進行封堵，可保證壩體及泄洪隧洞的安全運行。