大洞徑溢洪明流泄洪洞設計

詹雙橋，周自力，謝育健，鄭永蘭，左全裕

（1.湖南省水利水電勘測設計規劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410007；2.永州市住房和城鄉建設局，湖南 永州 425000）

1 工程概況

涔天河水庫擴建工程位于湖南省永州市江華瑤族自治縣境內的湘江支流瀟水上游峽谷出口處，下距江華縣城12 km。工程開發的主要任務是灌溉、防洪、下游補水和發電，兼顧航運等綜合利用，水庫總庫容15.1億m3，防洪庫容2.5億m3，水庫正常蓄水位313 m，電站裝機容量200 MW，灌溉面積111.46萬畝。

涔天河水庫擴建工程為一等大（Ⅰ）型水利水電樞紐工程，大壩、泄洪建筑物等為1級建筑物，電站廠房為3級建筑物，導流洞為4級建筑物。

大壩為混凝土面板堆石壩，采用兩條高速水流泄洪洞宣泄洪水，其中2#泄洪洞為表孔溢流明流隧洞，采用“龍抬頭”布置型式與導流洞結合；1#泄洪洞為深孔短管有壓明流隧洞。

2 原設計方案

根據涔天河水庫工程地形地質條件及擋水建筑物類型，泄水建筑物采用泄洪隧洞布置型式。經過多方案比較論證，共設置兩條泄水隧洞，分別為1#泄洪洞和2#泄洪洞，均布置于大壩右岸山體內，并采用進水口高低搭配的布置型式以滿足本工程各工況下泄水要求。

2#泄洪洞為本工程主要泄水建筑物之一，采用“龍抬頭”布置型式，施工期結合導流。2#泄洪洞采用開敞式溢流進口，其后接明流洞洞身，洞軸線采用直線布置，與1#泄洪洞軸線平行，軸線平面距離80 m。原設計方案進口距老壩右壩頭近150 m，全長880.5 m。導流洞在“龍抬頭”正下方與泄洪洞結合。洞身斷面型式為“城門洞”形，與導流洞結合段洞身凈寬12 m、凈高12.5 m，立面采用直線布置，控制段堰頂高程301 m，終點底板高程222.5 m，緩坡段設計縱坡2%，落差78.5 m，洞內設置9道摻氣坎槽。最大流速超過33 m/s，屬高速水流隧洞，抗空蝕要求高。

3 方案優化緣由

工程開工建設后，有關科研單位進行了泄洪洞減壓模型試驗，減壓模型試驗成果表明，在原設計2%的洞身縱坡下，原有摻氣體型效果很差，雖然通過減壓模型試驗重新選定的摻氣坎體型一定程度上可以緩解原設計摻氣坎效果差的問題，但該摻氣坎體型復雜，施工難度較大，施工控制不到位有可能形成新的空化源，給工程安全帶來隱患。

基于高速水流摻氣減蝕、施工難度、工程進度及運行安全等多方面因素的考慮，提出對泄洪洞布置及相關的結構設計進行優化調整。

4 溢洪明流泄洪洞設計

通過理論計算分析、工程類比及模型試驗，結合泄洪洞出口挑流鼻坎布置，并考慮隧洞地質條件、摻氣坎保護范圍等因素，通過調整“龍抬頭”段反弧半徑形成跌坎摻氣，并根據摻氣水深調整局部洞段洞身高度，出口挑流鼻坎結構布置相應調整。

4.1 結構布置

4.1.1 洞軸線布置

2#洞位于1#洞右側，兩洞軸線水平距離80 m，其工程地質條件與1#泄洪隧洞類似，F88、F27、F1、F10、F230、F231和F6等斷層斜切洞身。除斷層部位屬Ⅴ類圍巖外，大多屬Ⅱ～Ⅳ類圍巖。進口邊坡基巖為D13巖組之粉砂巖夾砂巖，巖石呈強風化狀態，穩定性較好。出口洞臉右側基本為順層邊坡，邊坡穩定條件較差。

2#洞進水口為開敞式實用堰，其后接明流洞洞身。進口距老壩右壩頭近150m，洞軸線采用直線布置，2#泄洪洞全長880.5m。導流洞在“龍抬頭”正下方與泄洪洞結合。

4.1.2 泄洪洞結構布置

1）進口段（0-035.5～0+000m）

2#泄洪洞進口控制段長35.5 m，為1孔開敞式進水口，堰頂高程301 m，堰凈寬18 m，堰型為WES堰，堰面上游平臺高程280 m。堰體上游設有鋼質平板檢修閘門，閘門底坎高程299.5 m，孔口尺寸18 m×13.5 m（寬×高），臺車啟閉；檢修門后設有1孔鋼質弧形工作閘門，弧門尺寸18m×15.6m（寬×高），液壓啟閉機啟閉。

WES堰面曲線上游為3∶1斜坡接兩段圓弧，下游為Y=0.055 38X1.836冪曲線接1∶1斜坡段。堰體與兩側閘墩為整體式槽型結構，閘墩厚2.5 m，堰面為60 cm厚C40HF抗沖耐磨混凝土。

進口控制段頂部高程324 m，閘墩與岸坡相接并與壩區公路形成交通通道，閘墩上部布置工作弧門啟閉液壓泵房和檢修門啟閉排架。

2）洞身段（0+000～0+770 m）

洞身斷面型式為“城門洞”形，全長770m，立面采用“龍抬頭”式布置，起點高程282.49 m。控制段后接1∶1斜坡段，斜坡段長13.85 m，該段底寬18 m、凈高14.23 m。斜坡段后接反弧段，反弧段轉彎半徑R=105 m，轉彎角θ=43.85°，末端底板高程237.879 m；該段為洞身漸變段，長72.195 m，底寬由18 m漸變為12 m，凈高由14.23 m漸變為12.5 m。反弧段通過圓弧半徑變化在末端形成跌坎，跌坎下游側墻設置通氣孔，即形成本泄洪洞的摻氣設施。摻氣坎高度1.1 m，通氣孔尺寸0.8 m×1.9 m。

摻氣坎下游為泄洪平洞段，底寬12 m，凈高12.5～14.5 m，i=2%，長683.95 m，隧洞終點底板高程222.5 m，該段與導流洞結合。泄洪平洞段分三大部分：0+86.048～0+664.5 m之間為開挖洞身斷面，0+664.5～0+702.5m之間為現澆混凝土明洞斷面，0+702.5～0+770 m之間為開挖洞身斷面。由于出口洞段受欠挖及洞口偏壓變形影響，原設計1 m的襯砌厚度不能保證，參建各方研究確定將0+720～0+770 m之間洞頂降低0～1 m，0+770 m處洞頂高程由EL237 m降低至EL236 m，洞身凈高由14.5 m降低至13.5 m。洞身混凝土襯砌每12 m分一伸縮縫，不留縫寬，縫間紫銅片止水。

泄洪洞內最大流速位于下彎段末端，達36.65m3/s，抗沖耐磨要求較高，參照國內外近年來已設計、施工及運行的同類工程所總結的經驗，結合本工程特點，隧洞底板面層采用60 cm厚C40HF抗沖耐磨混凝土、下層為C25混凝土，側墻采用C40混凝土襯砌，襯砌厚度根據圍巖類型計算選定。Ⅲ類圍巖襯砌底板厚度0.8m、側墻厚度0.6m，為了解決無頂拱混凝土邊墻在外水壓力作用下易于失穩破壞的問題，洞身側墻增設了Φ28@3m、L=4.5 m的系統錨桿，錨桿外露巖壁設置直角彎并與襯砌鋼筋焊接、錨入襯砌混凝土中；Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯砌底板厚度1.5m、側墻及頂拱厚度1.2 m。由于洞身為無壓流，摻氣水深沒有超過直墻，因此隧洞頂拱Ⅲ類圍巖不設混凝土襯砌，只采取掛網噴混凝土支護處理。

3）出口明渠段（0+770～0+817.27 m）

出口明渠段全長47.27 m，包括27.27 m長直段和20 m長擴散段。明渠段為矩形槽身結構，側墻與底板整體澆筑。

直段凈寬12 m，底板高程222.5 m、側墻頂部高程237.0 m。側墻頂寬2.5 m，底板面層為60 cm厚C40HF抗沖耐磨混凝土，底板下層及側墻為C25現澆混凝土。

擴散段凈寬從12 m漸變為15 m，擴散角4.29°左右對稱布置，底板高程222.5 m、側墻頂部高程237.0 m。側墻頂寬2.5 m，底板面層為60 cm厚C40HF抗沖耐磨混凝土，底板下層及側墻為C25現澆混凝土。

4）鼻坎段

根據前期模型試驗成果，2#泄洪洞出口挑流鼻坎為異形結構形式，中間主挑坎頂高程230 m，挑射角30°，左右兩側設置貼坎，鼻坎段全長28.73 m。2014年4月導流洞試通水，2014年5月11日，庫水位達到250.5 m時，導流洞出口形成壓力流，水庫水位達到251.3 m時，導流洞出口明渠側墻頂部漫水，分析原因為導流洞出口挑流鼻坎過高。為此，重新開展了導流洞的水力模型試驗，提出了優化挑坎的方案。

根據施工工期安排，導流洞鼻坎降低改造時間選在2014年10月下旬進行，施工時間歷時半個月，采用繩鋸無損切割混凝土工藝對鼻坎進行拆除改造，即根據模型試驗成果，將原設計EL230 m的挑流主鼻坎及左側貼坎頂高程均降低至EL227 m，左側貼坎按1∶0.5放坡至EL227 m。繩鋸切割工藝有效保證了鼻坎母體混凝土基本無損傷，拆除后的混凝土表面平整度高，降坎后導流洞運行情況良好。

模型試驗成果表明，導流期間降低改造后的鼻坎體型可滿足導流期洞內流態及下游消能防沖要求，但不滿足運行期泄洪是下游消能防沖要求。通過大量試驗選定“EL228.0～EL227.5 m斜挑坎”方案，即中間主挑坎右側頂高228 m、左側227.5 m，左側貼塊先部分切割拆除，然后澆筑混凝土形成新的斜面貼塊，右側原貼塊局部加高形成斜面貼塊。

5）出口護坦及護岸（0+846～0+958 m）

挑流鼻坎下游護坦順水流方向長度40 m，右側護岸長度112 m。

根據整體模型試驗成果，原設計護坦及右側均為現澆混凝土結構。護坦采用斜面形式，即根據河床右側高、河床中部低的特點，護坦平面坡比1∶3.5，右側頂高程220.0 m，左側頂高程212.64 m，護坦厚度不小于1.5 m，建基面要求為完整基巖。右側護岸采取現澆貼坡混凝土結構，混凝土護岸頂高程EL230 m,基礎要求嵌入完整基巖的深度不小于1.0 m，護岸厚度1.0 m，面坡坡比1∶1，在EL220 m高程設置1.5 m寬的平臺，并在該平臺設置順水流方向的結構縫。

護坦和護岸設置目的是導流或運行期間對鼻坎下游河床進行有效防沖保護。

由于導流洞出口施工圍堰防滲效果欠佳，2#泄洪洞出口護坦護岸未能在導流洞通水之前完成，導流洞通水前，現場采取了水下灌注混凝土的補救措施。2015年汛期，導流洞出口下游右側護岸沖毀，水下灌注的混凝土護坦也遭到破壞。

根據施工進度安排，2017年枯水期需對下游護岸及右側護岸進行恢復，根據現場實際情況并經咨詢水規總院，對鼻坎下游護坦及右側護岸的結構形式進行了適當調整，調整后改用“水下拋石+格賓石籠”代替EL220 m高程以下尚未實施的現澆混凝土護坦，水下拋石頂面從右側向河道中央放坡。拋石頂部設置一層1 m×2 m×1 m的格賓石籠，格賓石籠右側頂高程EL220.0 m，左側頂高程EL218.0 m。

重新恢復的護岸起點自0+858 m開始，終點樁號0+958 m，護岸體型與原設計略有調整，即合并兩級為一級，取消EL220 m高程的結構縫，混凝土護岸面坡坡比1∶1，厚度1 m，鋼筋混凝土結構，護岸頂高程230.0 m，基腳頂高程220.0 m；要求將護壁樁樁頂澆筑到基礎混凝土內以提高樁體整體性。

共布置95根鉆孔灌注樁對護岸基礎和鼻坎基礎進行保護，其中鼻坎下游右側護壁樁起點樁號0+859.217m，終點樁號0+956.77 m，共70根，樁頂高程219.5 m，樁底高程204.0～208.0 m；鼻坎末端及左側增設25根鉆孔灌注樁以加強對鼻坎和明渠左側墻基礎的防沖保護，護壁樁頂高程217.0～221.0 m，樁底高程207.0～210.0 m。

4.2 水力設計

4.2.1 泄流能力

1）計算公式

式中 Q——下泄流量（m3/s）；

e、B——水流收縮斷面的底寬（m）；

ε——收縮系數；

cm——經修正的流量系數；

σs——淹沒系數；

H0——包括行近流速的堰前水頭（m）。

2）試驗泄流能力與計算泄流能力比較

試驗泄流能力和計算泄流能力對比分析發現，庫水位為301m以上時，2#泄洪洞試驗泄流能力較計算泄流能力有增有減，高水位時，試驗泄流能力明顯大于計算泄流能力，說明2#泄洪洞高水位時超泄能力較強。兩泄洪洞試驗泄流能力大于計算泄流能力，為確保工程安全，2#泄洪洞高水位時的超泄能力留作安全儲備，利用設計計算的泄流曲線進行調洪演算確定水庫特征水位，見表1。

表1 試驗泄流能力與計算泄流能力比較表（2#泄洪洞）

3）設計采用泄流能力

設計采用泄流能力計算成果見表2。

表2 推薦泄流能力計算成果表（2#泄洪洞）

4.2.2 水面線計算

1）計算公式

①計算清水深h

②計算摻氣水深ha（霍爾經驗公式）

其中K是與摻氣量有關的常數——槽壁材料系數，K=0.006；

2）計算成果

計算成果見表3。

由表3可知，2#泄洪洞在宣泄校核流量，由“理論計算清水深”推求的摻氣水面線以上空間占斷面總面積的28%～51%，凈空面積均超過斷面面積的20%，且水面沒有超過直墻，滿足規范要求；2#泄洪洞在宣泄校核流量，由模型試驗實測清水深計算的摻氣水面線以上空間占斷面總面積的26%～46%，凈空面積均超過斷面面積的20%，且水面沒有超過直墻，滿足規范要求。上述計算成果表明，模型試驗實測水面線與理論計算水面線在大部分洞段比較接近，局部洞段略有差異，設計泄洪洞斷面尺寸可以同時滿足理論計算和模型試驗的要求，設計斷面尺寸經濟合理。試驗過程中發現，2#泄洪洞摻氣下游段0+106.048附近斷面直墻高度不夠，洞頂余幅也不夠，根據試驗成果，將0+086.048～0+126.048之間洞頂進行擴挖，擴挖高度2 m，擴挖后摻氣水面以上凈空滿足設計要求。

表3 泄洪洞水面線計算成果表

4.2.3 流速分布及防空蝕措施

1）流速分布

校核水位320.27 m時，2#泄洪洞宣泄最大下泄量為Q=2878 m3/s，其流速分布見表4。

表4 下泄最大流量時流速分布表

2）防空蝕措施

計算結果表明，泄洪洞在宣泄校核洪量時，洞身沿線流速較大，2#泄洪洞最大流速達36.65m/s。根據《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術規范》（DL/T 5207-2005）有關要求，本工程泄洪洞應有必要的防空蝕措施：

①選取合理的泄水建筑物體型以提高水流空化數，通過水工模型試驗和減壓模型試驗，選定合適本工程的摻氣體型及布置位置。2#洞摻氣坎布置在龍抬頭洞段末端（樁號0+086.05 m）。

②采用合適的抗沖磨護面材料或高性能混凝土襯砌，根據相關工程經驗，結合本工程特點，泄洪洞襯砌采用高性能混凝土，底板C40HF混凝土，側墻C40混凝土。

③嚴格控制襯砌表面不平整度，不平整部位高差控制在3mm以內，凸起進行打磨，縱向坡度控制在1∶40，橫向坡度控制在1∶30。抗沖磨混凝土澆筑后，應及時保溫保濕，防止開裂。