刘家峡电站排沙洞岩塞进水口结构设计

姜宏军，田建海

（华东勘测设计研究院，浙江 杭州 310014）

1 工程概况

刘家峡水电站大坝上游1.5km处右岸有一支流—洮河汇入该水库。洮河的特点是水少沙多，据统计，多年平均入库水量仅占该水库总入库水量的8%，多年平均入库沙量占总入库沙量的31%，该河段死库容已于1987年淤满，此后来沙淤积电站有效库容，且大量推移到坝前，使机组磨损严重，严重影响电站的正常运行。因此考虑在洮河入河口处的黄河左岸新布置一排沙洞，直接拦截该支流及黄河上游的来沙，排沙洞进水口拟采用水下岩塞爆破方案。排沙洞后期兼作新增机组的引水洞。

2 岩塞进水口位置选择

岩塞进水口位置的确定主要考虑以下五方面：（1）岩塞进水口处地形应规整，无洼坑、洞穴等复杂地形，边坡以45°为宜，不宜太陡或太缓。（2）岩塞进水口处岩性应单一，无较大断层破碎带，岩石完整性好，风化较轻，透水性小。（3）根据排沙洞整体布置，进水口位置宜在拦河坝上游2.0km范围内的左岸选择。（4）排沙洞需考虑排洮河来沙，因此排沙洞进水口位置只能在洮河河口处与拦河坝间选择。（5）岩塞爆破对原有建筑物的影响应尽可能小，要求岩塞进水口位置应尽可能远离拦河坝等重要建筑物。综合考虑，确定岩塞进水口位置在洮河河口处的黄河左岸。

3 岩塞进水口地形 地质情况

排沙洞岩塞进水口段位于黄河左岸一缓突向水库的山体内，山体向上游延伸较厚、较缓，向下游延伸较薄、较陡。

岩塞进水口段的岩石主要以云母石英片岩为主，局部夹有花岗岩脉或石英岩脉，其中花岗岩脉多沿层面侵入，呈眼珠状；石英岩脉多充填在裂隙缝隙中，厚度小，呈条带状。

4 岩塞进水口设计

岩塞进水口段从前至后分为岩塞体、锁口段、高边墙段和集渣坑段4部分，长约75m。

4.1 岩塞体体型设计

（1）岩塞体高程。岩塞体高程的确定主要考虑以下三方面：岩塞爆破时应对边坡F7上盘不稳定体的影响较小，使之控制在Ⅷ度地震以下，要求岩塞体高程尽可能低；为加大淤泥层的排沙漏斗尺寸，以利于沉沙、排沙，要求岩塞进水口高程尽可能低；岩塞进水口高程越低，岩塞爆破难度越大。

综合考虑确定岩塞体底高程为1653.52m，淤泥层排沙漏斗顺河向开口约240m，横河向开口约140m，厚约36m。

（2）岩塞直径。排沙设计流量为600m3/s，岩塞体以云母石英片岩为主，石英岩的抗冲流速为15～22m/s，为安全考虑，取抗冲流速为 10m/s，流量保证系数K取1.2，根据岩塞进口断面计算经验公式计算所需的设计断面面积F：

式中 K=1.2～1.5；V—流速；Q—流量。

通过计算，岩塞体所需断面面积为72m2，选择岩塞体直径为10m。根据排沙效果水工模型试验，证明该布置满足设计要求。

（3）岩塞轴线的倾角。根据实践经验，岩塞爆破后洞口以上的破裂线均比理论计算值大，洞脸可能发生局部塌方，爆破漏斗口以外的不稳定岩块滞后于爆破漏斗口以内岩渣的爆落，以滑坡的形式下滑。为防止下滑的岩块堆积在岩塞段，岩塞轴线的倾角必须大于水下岩块的堆积安息角，水下岩块的堆积安息角一般为40°左右。该工程的岩塞进水口处地面坡度约为45°，为使岩塞厚度均匀、下滑的岩块不能堆积在岩塞段处，岩塞轴线倾角取与地面坡度垂直为45°。

（4）岩塞厚度。岩塞厚度主要取决于地质条件和岩塞爆破方法，其次与岩塞的直径、倾角的大小、外水压力的大小以及渗漏情况等因素有关。

根据国内外已建工程经验，岩塞厚度与岩塞直径之比在1.0～1.5之间，当采用洞室爆破或上游水深较大时，其比值宜取较大值。由于该工程水库正常蓄水位为1735.00m，并且岩塞进水口处还有36m厚的淤泥层，增加了岩塞的压重。考虑地质情况，取岩塞厚径比为1.26，采用三维非线性有限元计算程序—ANSYS计算，计算模型采用二维模型模拟三维模型，计算结果表明岩塞体是稳定的。

4.2 集渣坑体型设计

（1）集渣坑型式选择。该工程为排沙洞工程，但后期利用该洞扩机，因此为减少岩塞爆破后岩渣对隧洞的磨损，避免大量石渣泄入下游河道抬高电站尾水位而影响发电，需在岩塞体后布置集渣坑。

集渣坑型式主要有靴形和长方形，实践证明：靴形集渣坑有利于爆破时集渣及机组发电运行期间渣坑内岩渣的稳定，因此该工程选用靴形集渣坑。

（2）集渣坑体型设计。根据岩塞体形设计，岩塞体的自然方量2718m3，考虑爆破时不确定因素的影响，取扩大系数1.1，石渣的松散系数取1.4，渣坑利用系数取0.7，则渣坑容积为5980m3。

靴形集渣坑断面按城门洞形设计，集渣坑长40m，宽10m，顶拱半径为5.0m的半圆形，高度由15.78m降至12.5m。

4.3 岩塞进水口段结构设计

（1）岩塞进水口段工程布置。岩塞体位于进水口段的最前端，与水平呈45°夹角，岩塞厚12.6m，内径10.0m岩塞体底高程为1653.52m，桩号为0～149.52m。岩塞体后接长3.0m，内径10m，钢筋混凝土衬砌厚1.2m的圆形锁口段。锁口段后为与积碴坑段连接的高边墙段，此段顶拱为R=5.0m的半圆形，底部由半圆形渐变为方形，两侧边墙最高为25m，由于此段受岩塞爆破影响较大，因此四周均采用1.2m厚的钢筋混凝土衬砌；为使排沙及发电水流平顺，此段的顶拱沿纵向采用一R=7.0m、圆心角为57°03′52″的圆弧将锁口段与高边墙段连接。高边墙段后为40m长的集渣坑段，集渣坑段底部为靴形集渣坑，集碴坑底高程为1625.50m，顶拱及边墙采用1.0m厚的钢筋混凝土衬砌；上部为排沙洞，排沙洞内径10m、钢筋混凝土衬砌厚1.0m、底坡为i=0.214的反坡，延伸至事故闸门井前渐变段，排沙洞与集碴坑间的岩体厚度在2.5～14m之间。经ANSYS程序计算，在开挖后岩石是稳定的。集渣坑段与事故闸门井前渐变段间的排沙洞受岩塞爆破影响较小，因此衬砌厚度采用0.5m。

此集碴坑形状经水工模型实验，集碴效果比较理想，集碴率达到70%以上，满足设计要求。

（2）岩塞进水口段结构设计。

①衬砌材料。黄河来水夹沙量大，水库淤积严重，排沙洞在排沙运行条件下，流速为7.64m/s，排沙水流的含沙量远大于2kg/m3，从爆破泄碴及运行排沙两种工况考虑，衬砌需用高强混凝土，参照《水工混凝土抗冲磨防空蚀技术规范》（送审稿）及其它工程实例，确定排沙洞衬砌混凝土采用C50的高强硅粉混凝土。

由于岩塞爆破以后水流夹带大部分石碴迅速涌入集碴坑，短时间内占满整个集碴坑，以后集碴坑洞壁不再受到冲刷干扰，故集碴坑衬砌混凝土采用C20的普通混凝土。

②荷载。山岩压力和衬砌结构自重。进水口段围岩为Ⅰ～Ⅱ类围岩，岩石容重为28kN/m3。由于此段结构在岩塞爆破后没有维护条件，因此为安全考虑，在锁口段与高边墙段间的山岩压力按其上部25m高的岩体受爆破冲击波影响全部塌落进行设计；集渣坑段的山岩压力按0.3倍开挖跨度的塌落拱计。钢筋混凝土衬砌的结构自重按照容重为25kN/m3考虑。

内水压力与外水压力。内水压力按照库水位为正常蓄水位1735.0m考虑。根据地勘资料进水口段地下水位与库水位基本一致，因此外水压力按照库水位为正常蓄水位1735.0m时乘以0.9的外水折减系数考虑。

爆破荷载。该次岩塞爆破对近区地面的影响，大致控制在8度地震左右，但由于进水口段直接与岩塞爆破部位相接，处于冲击波和应力波传播范围之内，参照有关工程经验，进水口结构所受的静荷载均乘以0.5的动力系数做为爆破荷载考虑。

③结构设计。锁口段和高边墙段。由于锁口段的结构尺寸和受力条件均优于高边墙段，因此只对高边墙段进行结构设计。设计工况考虑2种：正常排沙运行工况及岩塞爆破工况。正常运行工况内、外水压力基本平衡，仅相差一流速水头，类似于外水压力作用在衬砌上，所以此工况不是控制工况；岩塞爆破工况的主要荷载有外水压力、垂直的山岩压力以及爆破产生的动荷载。

由于此段的底部直接连接到集碴坑的底部，坡度达到51°，因此计算断面取距最高断面0.5倍开挖跨度处的断面进行计算，计算断面的边墙高度为17m。采用ANSYS计算程序计算，计算过程没有考虑锚杆及排水孔的作用。经计算，岩塞爆破工况下在高边墙段底角处混凝土衬砌内层单元被拉裂，但爆破以后此处即处于内外水平衡状态，虽然局部的混凝土衬砌内层单元被拉裂损坏，但不影响结构的整体性，因此综合分析，厚1.2m的C50混凝土衬砌，双层配筋情况下结构是安全的。

集渣坑段。设计工况考虑3种：正常排沙运行工况、岩塞爆破工况及岩塞爆破后工况。运行工况的主要荷载有内、外水压力，垂直的山岩压力；岩塞爆破工况主要荷载有外水压力、垂直的山岩压力以及爆破产生的动荷载；岩塞爆破后工况是在岩塞爆开后，水及岩渣混合物进入集碴坑但还没有进入上部的排沙洞时的情况，此工况下集渣坑有水击压力而排沙洞内无压力，根据镜泊湖岩塞爆破观测资料分析，集碴坑端部立面所受的水击压力较大，约2倍作用水头，而顶拱、边墙及底部所受的水击压力较小，在设计中取1.5倍作用水头。

3种设计工况均采用ANSYS计算程序计算，经计算，上部排沙洞结构是安全、稳定的；在集碴坑开挖过程中底角处岩石进入塑性；岩塞爆破后工况在集碴坑端部的顶拱混凝土衬砌内层单元被拉裂，其它部位的结构均是安全的。考虑岩塞爆破时间很短，爆破以后集渣坑即处于内外水平衡状态，虽然计算结果中显示集渣坑个别部位有局部破损的可能，但不影响集渣坑的整体结构及使用要求。综合分析，厚1.0m的混凝土衬砌，双层配筋情况下结构是安全的。

由于地质探洞在排沙洞上部，最小部位都已挖穿，因此地质探洞在岩塞爆破前须封堵，采用C15混凝土封堵后还需进行回填灌浆。