某水库马蹄形断面泄洪洞洞身设计分析探讨

2016-02-06朱厚斌

黑龙江水利科技 2016年11期

关键词：洞身泄洪洞水深

朱厚斌

(临汾市水利勘测设计院，山西临汾 041000)

某水库马蹄形断面泄洪洞洞身设计分析探讨

朱厚斌

(临汾市水利勘测设计院，山西临汾 041000)

文章结合某水库实例，根据水库坝区地质条件、泄流量等，对水库导流泄洪洞设计方法进行详细描述。在泄洪洞布置形式上，拟定了两个方案进行比选，即右岸原状土上建坝下埋管式泄洪洞和右坝肩岸坡上建洞挖式泄洪洞两种，最终优选采用坝下埋管式泄洪洞方案。对水库水流流态进行水工模型试验，表明洞身设计的合理性。

泄洪洞；水库设计；洞身设计；马蹄形断面

1 工程概况

某水库是一座以调蓄浮山供水工程和流域内地表水，为农业灌溉、城镇生活和工业供水的小(1)型水库，水库总库容538.56万m3。根据洪水调节计算，拟定泄洪洞与溢洪道联合进行泄洪，溢洪道底宽12.6m。在泄洪洞布置形式上，拟定了两个方案进行比选，即右岸原状土上建坝下埋管式泄洪洞和右坝肩岸坡上建洞挖式泄洪洞两种，最终优选采用坝下埋管式泄洪洞方案。该水库泄洪洞由引水渠、进水塔、洞身、泄槽、消力池及海漫段组成，总长291.84m。

2 洞身结构设计

根据水库坝址区工程地质，泄洪洞洞身采用受力条件较好并适应软地基的马蹄形断面，泄洪洞进口与进水塔相接，出口与泄槽段相连，洞身长120m。进口底板高程688.5m，出口底板高程686.50m，纵坡为1/60，分进、出口段，中间段。进口段长20m，由矩形洞(宽×高)4.5m×6 m渐变为马蹄形洞6m×6m；出口段长10m，由马蹄形洞渐变为方形洞6m×6m；中间段均为马蹄形洞，洞上部为半圆形，内缘半径R1=3m，两侧墙及底板内缘半径R2=3R1=9m，洞净高与净宽均为6m，半圆形衬砌厚度1.0-1.15m，侧墙外缘为垂直线，为减轻地基压力，底板向左右两侧各加长0.7-1.0m，厚度1.2-1.45m，最大坝高处加大洞身洞壁厚度和基础宽度；洞底板下部设厚0.1 m C15混凝土垫层；泄洪洞共分为12节，每节长10m，节与节之间设2cm伸缩缝，缝内填塞聚乙烯闭孔泡沫板，并加设两道宽0.3m的“651”型橡胶止水带及GB止水条，缝外侧包两布一膜土工膜。洞身每节底板上游侧均设齿墙，其下游侧压在下一块底板上游侧的齿墙上，与其构成搭接缝。在底板下部设0.1m厚C15混凝土垫层。洞身采用 C25F50W8钢筋混凝土浇筑[1]。

为防止坝体渗水沿洞壁产生集中渗漏，在每节洞身中间设一道C25混凝土截水环，洞1、洞6-洞8高度为1m，环顶宽0.5m，底宽1m；洞2-洞5高度为2m，环顶宽0.5m，底宽1.5m。泄洪洞洞身基础如遇软弱地基时，采用夯插片石处理[2]。

3 洞身段水力计算

3.1 洞内水面线推求

洞身段全长120m，设计纵坡1/60，内衬糙率参考其它工程，取n=0.015。设计洪水(3.33%)泄量334.1m3/s，校核洪水(0.33%)泄量373.15m3/s。弧形工作闸门孔口桩号为0+009，孔口高度4.5m，至洞身进口桩号为0+022，底坡i=0。水面线计算从弧形闸门孔口0+009起水深以4.5m计算作为起始断面水深。水面线分析：闸室0+009-0+022之间为平坡，进口水深小于临界水深，水面线型为C0型壅水曲线；进入洞身后0+022-0+132即从洞身进口到出口渐变段上游侧，纵坡1/60为陡坡，水深小于临界水深及正常水深，水面线为C2型壅水曲线；0+132-0+142之间由于断面逐渐扩变为6×6m正方形断面，且出口以下接断面渐宽的陡坡泄槽段，故水面线下落[3]。从进口弧形闸门孔口处(桩号0+009)至洞身出口处(桩号0+142)按分段求和法计算水面线，计算结果见表5-12。

3.2 泄洪洞内掺气水深计算

根据浍河水库泄洪洞模型试验，水库泄洪洞掺气水深采用式(1)计算。

(1)

式中：ha为掺气水深,m ；h为不掺气水深,m；B为洞宽，m；v为计算断面上平均流速，m/s；n为粗糙系数；R为不掺气水深的水力半径,m。根据公式计算出0.33m作为洞身内掺气水深高度，掺气水深见表1。

表1 泄洪洞水力计算表

根据水面线计算成果再加上掺气水深，洞身控制断面0+132处，设计洪水情况下水面总高度为4.02m，洞身净空面积为26.7%，校核洪水情况下水面总高度为4.05m，洞身净空面积为26%。此时，洞内水流佛汝德数的平方(Fr2=v2/gR)>20，据规范要求净空面积应为25%，故净空面积符合要求并比较经济，所选洞身断面尺寸是合适的。泄洪洞洞径和纵坡与浍河水库泄洪洞相同，泄量相近(浍河水库校核泄量375m3/s)，将上述水深数据与浍河水库模型试验水深进行了比较，较为合理。浍河水库水面线模型实验数据表见表3。

表2 浍河水库泄洪洞洞身水面线表

3.3 洞身结构计算

本工程泄洪洞为钢筋混凝土无压涵洞，洞身长120m，洞身断面设计采用马蹄形断面，顶拱内缘半径为3m，侧墙底板半径为9m。初拟前7节(1—7)顶拱、侧墙衬砌厚度为1.15m，底板厚度为1.45m，后5节(8—12)顶拱、侧墙厚度为1m，底板为1.2m。计算工况采用施工完建无水[4]。洞身结构计算采用理正隧道衬砌计算软件进行验算分析，计算结果见表3、表4。

将第6节代表断面顶拱、侧墙衬砌厚度变为1m，底板厚度不变，第9节代表断面顶拱、侧墙厚度为0.9m，底板厚度不变，计算工况仍采用施工完建无水。由于泄洪洞洞身为严格限裂构件，根据SL191—2008水工混凝土结构设计规范表3.2.7，最大裂缝宽度限值取0.35，另根据7.2.5，当验算裂缝宽度不满足要求时，可适当增加受拉区纵向钢筋截面面积，但增加的钢筋截面面积不宜超过承载力计算所需纵向钢筋截面面积的30%。计算结果可知，变薄后裂缝宽度不满足规范要求，经综合分析，选取初拟断面为设计断面。