密云水库潮河输水隧洞进口段改造方案研究

王惠萍

摘要：本文旨在对密云水库潮河输水隧洞进口段改造方案的比较研究，为隧洞进口“龙抬头”形式的工程提供借鉴和参考。

关键词：密云水库，隧洞，“龙抬头”，渐变段，封堵，流态

Abstract: this paper intends to miyun reservoir ChaoHe convey tunnel for import modification plan comparative study, for tunnel import "dragon look up" forms of projects for reference and reference.

Keywords: miyun reservoir, tunnel, "dragon look up", gradual change section, sealing, flow

中图分类号：TV62文献标识码：A 文章编号：

1、工程概况

潮河输水隧洞位于北京密云水库潮河主坝以东，黄各庄村以南延伸近东西向的单薄山脊中，介于第一及第二溢洪道之间，是密云水库枢纽工程中最先施工和最早投入运用的建筑物。建设初期，隧洞的任务是解决潮河地区的施工导流问题、泄洪与灌溉供水，后又增加了发电任务。根据《北京市密云水库防御洪水方案》（2003年），潮河输水隧洞在库水位超过百年一遇调洪最高水位（157.48m）时参与泄洪。

输水隧洞进口引渠自上游河床过水段开始与进口明拱段相连，全长1170m，断面为梯形。明渠末端至进水塔检修门槽为素混凝土明拱段，长60.15m，进口底高程为117.15m，结构型式为圆形，内径为4m。明拱进口处还设有叠梁门检修闸门槽及高程127.0m操作平台。

隧洞进口控制建筑物为一斜卧墩墙式进水塔，进水塔两侧为厚80cm的混凝土墩墙，支承着两层平台，第一层高程为153.0m，为斜门及拦污栅检修平台。第一层高程为160.0m，设置固定卷扬式启闭机，用来启闭检修闸门和拦污栅。

2、存在问题分析

受建设之初材料、施工技术、设计规范以及工期等各种因素的影响，隧洞结构在很多方面均存在安全隐患。结合清华大学关于隧洞的安全鉴定结果，隧洞进口段的存在的主要问题有:

⑴ 进口明拱段当顶拱上塌落土高达5m，157.5m水位泄洪时，顶拱最大拉应力达14.86kg/cm2，超过原设计混凝土标号（100号）的允许拉应力值，明拱安全性差；

⑵ 原设计进水塔按7°地震校核，轴向与侧向稳定均满足要求，现按8°地震核算，弯矩增加了4.6倍，进水塔在8°地震作用下稳定性差；

⑶ 进口检修门门槽前后无渐变段，呈矩形的门槽嵌入圆形洞中，门槽两侧底角处很容易为杂物所堵塞，对检修门封水极为不利，造成底止水因门体不能落底而漏水，漏水量超过1.0m3/s。门槽上游胸墙只修筑到高程130.0m，库水位超过130.0m，库水自胸墙顶部跌入闸门槽，这股水流夹带空气进入洞内与由明拱入流的主水流掺和，发生干扰，影响泄流量；

⑷ 进口检修门门槽埋件只设有两根主轨，无侧轨、反轨，也无封水板及平压管，封水条件极差，门槽尺寸为0.8×0.3m，尺寸偏小，门槽混凝土中未放置剪力筋，高水位挡水时，门槽抗剪强度不够，要求限制在150.0m水位以下运用。

3、进口段改造方案

3.1、方案比选

隧洞进口段的改造，对隧洞泄洪时的流态、结构安全影响较大，比选方案如下：

方案一：“龙抬头”方案。鉴于原引渠末端明拱的不安全性及洞身素混凝土衬砌段满足不了强度的要求，为此，避开明拱，拆除原进口检修门及进水塔，将进口底坎高程由原117.15至130.0m高程，重新布置竖井式进水口，设事故闸门井及相应闸门及启闭设备，闸后设渐变段，再用二个反弯段、斜直段与原洞身相连。

在原检修斜门进水塔拆除之前，对原检修门进行加固改造，做好封水装置，门周边用棉织物包裹，将检修门沉入原闸门槽117.0m底坎上，使之尽可能起挡水作用，然后对位于龙抬头下方的原洞身进行封堵。封堵完成后，对龙抬头部分进行施工开挖以及洞身的二次固结灌浆和混凝土衬砌可同时进行。

进口引渠宽6.0m，长15m，两侧开挖成1:0.75的边坡，在引渠前部临水库水面处预留一块梯形岩体不开挖，作为施工围堰挡水用，此处岩面顶高程约为140.0m。为满足库水位143.0m挡水，需在顶部砌筑浆砌石，高3m，在预留岩体后开挖出竖井进水口。由桩号0+020.5m起开挖洞段，洞脸开挖坡度为1:0.5，洞身进口尺寸为4×4.2m，建设水平段洞身长16m。桩号0+036.5至0+043.5m新建事故闸门井，闸室段长7m，孔口尺寸由4×4.2m过渡到4×4m。闸门井后接6m长渐变段，由矩形4×4m过渡到直径为4m的圆形洞身。渐变段后为斜洞段，包括竖曲线段、斜线段和反弧段，于桩号0+082m处与原洞身顺接。

进口预留岩体需要灌浆处理，以减少施工期的围堰渗水量。待进水口改建完毕，闸门及启闭机可以正常操作后，再拆除预留岩体。拆除可以采用水下爆破，水下清碴来解决，或者可待水库水位下降后逐层挖除清理，因为预留岩体后新开挖的竖井进水口，可以满足高水位泄洪过流的要求。

方案二：进口检修门改建方案。拆除原检修门前部的一段明拱混凝土，高程153.0m以下的门槽全部拆除重建，重新制作检修闸门。首部设小龙抬头进水口，底坎高程为120.0m，闸门孔口尺寸为4×4.2m（斜高），门后设渐变段使之逐步过渡到直径为4m的圆洞。

此方案在施工时，需要在上游明拱之上修建高达26m左右的土石围堰，防渗需采用混凝土墙。为保证明拱不被土石围堰的垂直土重压跨，还需在明拱顶上采用大口径钻孔灌柱桩水下混凝土填实。土石围堰高26m，若围堰按30m长，坝顶按5m宽，上、下游坝坡按1:2考虑，计算工程量与方案一比较如下：

表1 进水口方案工程量对比表

从上表可以看出，方案二立足于充分利用现状建筑物，开挖、拆除及新建的混凝土工程量比较小，但施工部分的工程量很大。土石填筑方量4.5万m3，相当于一座土石坝的工程量，且土石围堰仅为一临时工程，工程完建后，需要对围堰进行拆除，若拆除的不彻底，进水口就有可能被淤堵。方案二在减少永久工程的工程量的同时大幅的增加了临时工程的工程量，且围堰的填筑、拆除、混凝土防渗墙及钻孔灌注桩的施工均存在较大的难度，对施工单位要求较高，推荐采用方案一。

3.2、进口段水力计算

⑴ 进口及连接段的设计

① 进口边界曲线

隧洞进口采用三面收缩的四分之一椭圆曲线，长半轴a＝洞高h＝4.2m，短半轴b＝a/3＝1.4m，椭圆方程为x2/4.22＋y2/1.42＝1。

② 斜洞段曲线

对于“龙抬头”式隧洞，其斜洞部分一般由竖曲线段、斜线段和反弧段组成，参考《水工设计手册》得:

竖曲线段:采用抛物线方程 x2＝4Kф2H0y

式中:K—为防止负压采用有压安全系数，取K=1.2；

ф—流速系数；

H0—包括行近流速水头在内的总水头H0=H＋v2/2g

计算得竖曲线段抛物线方程为:x2＝65y

反弧段:反弧半径R=（0.2~0.5）（H+P）

H+P—设计水位与反弧段底板高差

按千年一遇设计洪水对应水位计算，取反弧半径R＝20m<（7.5~10）×（洞高h）。