贵州下坝水库取水兼放空隧洞优化设计

张丹，李伟

贵州下坝水库取水兼放空隧洞优化设计

张丹1，李伟2

（1.贵州省遵义水利水电勘测设计研究院，贵州遵义563000；2.西北农林科技大学，陕西杨凌712100）

针对下坝水库地形地貌、地质条件较复杂，受裂隙切割岩体较破碎，岩体强风化带完整性较差，易形成滑坡、崩塌、偏压、泥石流等问题，经现场踏勘，结合《水工隧洞建筑物设计规范》（SL386－2007），（SL279－2002）等，综合考虑工程占地、施工难度及工程投资等因素，优选“利用导流隧洞改为有压取水／放空隧洞”的一洞三用取放水方案。经水力计算、隧洞衬砌计算、应力稳定性复核等论证分析，隧洞建筑物结构、过流能力、衬砌裂缝宽度和稳定性等均满足规范要求，优化设计方案具有较高的技术可行性和经济合理性。

贵州省；下坝水库；隧洞建筑物；取放水；稳定复核

1　工程概况及地质条件

1.1工程概况

贵州下坝水库位于桐梓河左岸二级支流混子河支流三岔水，属于长江流域赤水河水系。坝址以上流域面积为32.0 km2，多年平均径流量为1730万m3，多年平均降水量为1 083.4mm。水库正常蓄水位为1000.00m，死水位为978.00m，正常库容为923万m3，总库容为1 236万m3，年供水能力为1 063万m3，为Ⅲ等中型水库。该水库工程的任务为城市供水、农村人饮和农田灌溉。

水库枢纽主要由拦河大坝、溢洪道和取水兼放空隧洞等建筑物组成。大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高为48.0m。水库无重大防洪对象，故大坝、泄水建筑物、取水兼放空隧洞建筑物按3级建筑物设计；永久性次要建筑物按4级建筑物设计，临时性建筑物按5级建筑物设计。

1.2取水兼放空隧洞工程地质条件

下坝水库取水兼放空隧洞布置于左岸，沿线地面高程为958.00～1 042.00m，一般埋深30～50m，最大埋深75m。沿线穿越地层依次为：奥陶系下统湄潭组第一段（O1m1）以沙质页岩为主，夹粉沙岩、灰岩；湄潭组第二段（O1m2）为中厚层灰岩夹粉沙岩；湄潭组第三段（O1m3）为沙质页岩夹粉沙岩。岩层产状为N54°W／SW∠12°，基岩强风化深5～8m，区内断层构造不发育，构造以裂隙为主，主要发育有：N75°E／NW∠80°，N25° W／SW∠60°，SN⊥。受裂隙切割，岩体较破碎，岩体强风化带完整性较差。洞身多处于碎屑岩地层内，地下水主要为基岩裂隙水，发生岩溶涌水的可能性较小。

隧洞进口闸井段多被第四系残坡黏沙质黏土层覆盖，厚1.5m左右，局部基础出露，基岩岩性为O1m1沙质页岩、粉沙岩。在清除覆盖层后，闸井基础置于O1m1强风化层中下部相对完整岩体上。对局部裂隙进行适当工程处理后，其承载力能满足上部建筑物要求。

洞身段出露地层为O1m1～O1m3沙质页岩、粉沙岩、灰岩等。洞身段位于弱风化、微风化和新鲜岩体中，岩体完整性总体较好。洞身段多为沙质页岩、粉沙岩等软质岩分布，多呈薄层状分布，以Ⅳ类围岩为主。进出口段裂隙发育，由层面与节理裂隙组合，可能产生局部不稳定块体，局部岩体稳定性较差，为Ⅴ类围岩。隧洞开挖后，沙质页岩遇水易软化。因此，建议对隧洞进行全断面衬砌，且应及时进行封闭及支护处理［1］。进出口洞脸边坡为岩质边坡，进口边坡为逆向边坡。出口以斜向边坡为主。边坡结构对边坡稳定有利，但边坡基础多处于强风化岩体，受裂隙切割，岩体较破碎，边坡稳定性较差。因此，进出口洞脸需进行锁口衬砌后方可进行洞挖。同时，隧洞进口段局部存在危岩体分布，应进行清除处理［2］。

出口段基础出露，基岩岩性为O1m3沙质页岩夹粉沙岩。引渠开挖后，将形成2～12m岩质边坡。基岩边坡以斜向坡为主。边坡结构对边坡有利，但边坡多位于强风化层内，受裂隙切割，岩体较破碎，应进行支护处理。

2　取水兼放空隧洞布置方案设计

2.1方案比选

根据坝址的地形、地质条件和输水管线的布置情况，推荐3种取放水方案。方案1为左岸单独新建取水隧洞，方案2是将导流隧洞改造成有压取水／放空隧洞（“龙抬头”岸塔式取水口＋有压洞身＋出口接取／放水管），方案3是将导流隧洞改造成无压取水／放空隧洞（“龙抬头”岸塔式取水口＋无压洞身＋洞内穿取／放水管）。对这3种方案从布置、施工、工程投资等方面进行综合对比，其成果如表1所示。

表1　3种取放水方案的技术经济比较表Tab.1 Technical and econom ic comparison of three kinds of water intake and drainage schemes

由表1可知：新建有压取水隧洞方案在布置上与其他枢纽建筑物分散布置，施工条件和工期上均有优势，但投资最大；利用导流隧洞改为无压取放水方案，压力管线增长较多，投资较大，且进口“龙抬头”段及洞内管道安装的施工处理难度相对较大。利用导流隧洞改为有压取放水方案隧洞建筑物区为Ⅲ～Ⅳ类围岩，局部溶蚀段为Ⅴ，地质条件不太好，但对其采取全断面衬砌措施进行补强加固处理后，能够满足工程安全稳定性要求。同时，一洞三用方案在满足工程要求的基础上，能充分利用临时建筑物，也比较经济。对各方案进行综合比较后，本工程采用了方案3。

2.2取水兼放空隧洞整体布置

方案3是采取“龙抬头”的方式将导流隧洞进口改造成取水兼放空隧洞进口，经竖向转弯后至导流隧洞洞身（与导流隧洞共用）。导流隧洞出口改造后，成为放空兼取水隧洞。该方案由取水口＋“龙抬头”改造段＋有压隧洞＋放空和取水压力管道组成。经布置和计算，取放水隧洞总长308.0m，其中取水口闸井段长6.60m，首端压力管道改造段长7.90m，与导流隧洞共用段长282.8m，出口放空闸室段长10.0 m。DN800取水管由放空闸室首部竖向取水引至隧洞出口左侧闸阀房，压力钢管段长20m。取水口设在导流隧洞进口，采取有压取水。取水口进口设3.0 m×2.0m（宽×高）的拦污栅1道和2.0m×2.0m（宽×高）的平板事故检修闸门1扇。进口闸井底板高程为975.50m，进口段经水平和竖向转弯后（桩号取0＋000.00～0＋014.50），接至导流隧洞内。中段与导流隧洞共用（桩号取0＋014.50～0＋297.30）。在导流隧洞出口左侧，采用φ800钢管接至闸阀室，并在之前设置φ400mm生态兼灌溉放水管。导流洞出口改造后，用作水库放空设施。出口设1.5m×1.5m（宽×高）的弧形工作闸门1道，出口底板高程为958.14m。

3　取水兼放空隧洞设计计算

3.1隧洞的水力计算

（1）水头损失。沿程水头损失按曼宁公式计算。计算时，钢筋混凝土衬砌的糙率系数n取0.014，钢管的糙率系数n取0.012。具体计算成果如表2所示。

表2　取水设施水头损失计算成果Tab.2 Head loss calculation results of water intake facility

（2）泄流能力计算。泄流能力是决定泄水建筑物尺寸大小的关键指标，按照《水工隧洞设计规范》（SL279－2002）推荐公式进行隧洞泄流能力计算［3］，如式（1）所示。

式中：A为出口处面积，m2；μ为流量系数，计算隧洞沿程及局部水头损失后，μ＝0.431；HZ为管道出口中心作用水头，m。

经计算，水库水位处于死水位978.00m时，取水隧洞最大泄流量（闸阀全开工况时［3～4］）为1.15m3／s，远大于引用流量0.503m3／s（其中供水流量0.436m3／s，生态流量0.055m3／s，灌溉流量0.012m3／s）。因此，设计建筑物的结构尺寸满足要求。

（3）最小淹没深度计算。运用公式（2）所示的戈登公式计算进水口最小淹没水深［5］。

式中：S为闸孔顶板高程以上最小淹没水深，m；c为进水口形状系数，取＝0.73；v为闸孔断面流速，计算得v＝0.126m／s；d为闸孔高度，d＝2.0m。

3.2隧洞衬砌计算

3.2.1计算方法

取水兼放空隧洞采用钢筋混凝土衬砌，衬砌段长度为290m，侧墙和顶拱衬砌厚度为50 cm，底板衬砌厚度为30 cm，衬砌后尺寸为3.5m×4.5m。衬砌按限裂要求设计，采用北京理正软件设计研究院编制的《理正水工隧洞衬砌计算软件》进行内力计算及配筋计算，并结合水工隧洞的洞型和荷载特点，以计算水工隧洞衬砌在各主动荷载及其组合作用下的内力、位移及抗力分布［5］。

3.2.2计算工况及荷载组合

计算工况分为正常运行工况（工况1）、检修工况（工况2）、施工工况（工况3）和非常运行工况（工况4）4种。工况1为基本荷载组合。荷载组合为：围岩压力＋衬砌自重＋设计洪水时的内水压力＋外水压力，允许裂缝宽度为0.25mm。工况2为特殊荷载组合。荷载组合为：围岩压力＋衬砌自重＋可能出现的最大外水压力，允许裂缝宽度为0.30mm。工况3为特殊荷载组合。荷载组合为：围岩压力＋灌浆压力＋衬砌自重＋温度应力＋可能出现的最大外水压力，允许裂缝宽度为0.30mm。工况4为特殊荷载组合。荷载组合为：围岩压力＋衬砌自重＋最大水击压力＋校核洪水时的内水压力＋外水压力，允许裂缝宽度为0.30mm。

3.2.3基本参数取值

基本参数取值为：衬砌容重γ＝25 kN／m3；混凝土弹性模量Eh＝2.55×104N／mm2；C20混凝土抗压极限强度fc＝9.6N／mm2；环向筋及纵向筋均按Ⅱ级钢筋考虑，fy＝300N／mm2。隧洞洞身段的围岩类别主要为Ⅲ～Ⅳ类围岩，局部溶蚀段为Ⅴ类，进出口段为Ⅳ类围岩。岩石坚固系数f＝1～4，弹性抗力系数K0＝1～20MPa／cm。

3.2.4计算结果

隧洞衬砌裂缝宽度计算成果如表3所示。

表3　隧洞衬砌裂缝宽度计算Tab.3 Tunnel lining crack width calculation

从表3可知，在各种运行工况下，计算的裂缝宽度均小于《水工隧洞设计规范》的限裂要求。

3.3放空隧洞出口闸室稳定计算

出口工作闸室总长10.7m，宽5.5m，总基底面积为58.85m2，闸墩高8.4m，厚1.4～2.0m，基础坐落于O1m3沙质页岩夹粉沙岩上。

3.3.1抗滑稳定计算

取水兼放空隧洞出口闸室受到铅直力和水平力的共同作用，要求沿闸室底面的抗滑力必须大于作用在闸室结构水平向的滑动力，并有一定的安全系数［6］，其计算式为式（3）。

式中：K1c为抗剪断强度计算相应的抗滑稳定安全系数；f1、C1分别为建基面的抗剪断摩擦系数和黏结力，分别采用0.43和0.20；ΣW、ΣP分别为建基面上作用力的法向分量总和与切向分量总和；A为建基面面积。

放空隧洞出口闸室抗滑稳定计算荷载组合分为基本组合和特殊组合。基本组合1为设计洪水位＋自重＋静水压力＋扬压力＋雪荷载＋风压力＋活荷载；基本组合2为正常蓄水位＋自重＋静水压力＋扬压力＋雪荷载＋风压力＋活荷载；特殊组合1为施工期挡水＋自重＋静水压力＋扬压力＋雪荷载＋风压力＋活荷载；特殊组合2为校核洪水位＋自重＋静水压力＋活荷载。

取水兼放空隧洞出口闸室抗滑稳定计算成果如表4所示。

表4　抗滑稳定计算成果表Tab.4 Anti-sliding stability calculation results

由表4可知，在基本组合工况设计洪水位和正常蓄水位条件下的抗滑稳定安全系数分别为3.15、3.27，均大于安全标准3.0；在特殊组合工况下，施工期挡水和校核洪水位条件下的抗滑稳定安全系数分别为2.83、2.77，均大于安全标准2.5。所以，出口闸室抗滑稳定性较好。

3.3.2抗倾覆稳定计算

为确保隧道闸室具有较高的安全可靠性，需要复核垂直于闸室基础的抗倾覆稳定性，其计算式为式（4）。

式中：K0为抗倾覆稳定安全系数；为建基面上稳定力矩总和；为建基面上倾覆力矩总和。

放空隧洞出口闸室抗倾覆稳定计算荷载组合同上。经计算，放空隧洞出口闸室抗倾覆稳定计算成果如表5所示。

表5　抗倾覆稳定计算成果表Tab.5 Anti-dumping stability calculation results

由表5可知，在基本组合工况设计洪水位条件下和正常蓄水位条件下的抗倾覆稳定安全系数分别为1.36和1.42；特殊组合工况在施工期挡水条件下和校核洪水位条件下的抗倾覆稳定安全系数分别为1.26和1.18。基本组合和特殊组合工况下，出口闸室抗倾覆稳定安全系数均大于安全标准，抗倾覆稳定性较好。

3.3.3抗浮稳定计算

为了评价取水兼放空隧洞出口闸室抗浮力抗拔稳定性［7］，进行抗浮稳定性计算，计算式为式（5）。

式中：Kf为抗浮稳定安全系数；ΣV为建基面上垂直力总和（不含设备重量）；ΣU为建基面上扬压力总和。

取水兼放空隧洞出口闸室抗浮稳定计算荷载组合同上。经计算，取水兼放空隧洞出口闸室抗浮稳定计算成果如表6所示。

由表6可知，在基本组合工况的设计洪水位条件下和正常蓄水位条件下的抗浮稳定安全系数分别为1.38和1.49，均大于安全标准1.10；在特殊组合工况的施工期挡水条件下和校核洪水位条件下的抗浮稳定安全系数分别为1.33和1.24，均大于安全标准1.05。所以，出口闸室抗浮稳定性较好。

4　结语

下坝水库属峡谷型水库，工程区地形、地质条件复杂，受裂隙切割岩体较破碎，岩体强风化带完整性较差。为确保隧洞的安全稳定性，提高项目投资经济效益，在规划设计阶段，进行了方案比选及设计优化。

（1）下坝水库取放水隧洞工程地质条件较复杂，边坡稳定性较差，易形成滑坡、崩塌、偏压、泥石流等问题，经隧洞进口段危岩体清除、洞身全断面衬砌、出口段破碎岩体支护等处理，可满足工程安全稳定要求。

表6　抗浮稳定计算成果Tab.6 Anti-floating stability calculation results

（2）在充分考虑工程区地形地质、大坝枢纽布置、施工临时建筑物及取水兼放空隧洞平顺连接等条件的基础上，从技术、经济方面进行了综合比较，优选了具有布置紧凑合理、易于施工和工程量小等优点的“利用导流隧洞改为有压取水兼放空隧洞”放水方案。

（3）取水兼放空隧洞整体由取水口＋“龙抬头”改造段＋有压隧洞＋放空和取水压力管道组成。取水口设在导流隧洞进口，采取有压取水。导流隧洞出口左侧采用φ800钢管接至闸阀室，并再设φ400mm生态兼灌溉放水管。

（4）水力计算、隧洞衬砌计算及出口闸室稳定计算结果表明：隧洞水头损失较小，泄流能力和最小淹没深度满足要求。各种运行工况下的裂缝宽度，抗滑稳定、抗倾覆稳定和抗浮稳定等安全系数，均满足规范要求。

［1］张伟.水库放水隧洞的不良地质情况的处理［J］.山西水利科技，2012（2）：75－76.

［2］SL386－2007，水利水电工程边坡设计规范［S］.

［3］SL285－2003，水利水电工程进水口设计规范［S］.

［4］SL279－2002，水工隧洞设计规范［S］.

［5］李建伟.水工深埋隧洞固结灌浆应力变形分析［J］.水利科技与经济，2015（01）：15－17.

［6］薛超，郑源.有压管道过渡过程的数值计算［J］.人民黄河，2011（10）：113－115.

［7］李文君，张文友.南拒马河倒虹吸进出口渐变段抗浮稳定措施研究［J］.水科学与工程技术，2010（03）：60－62.

[责任编辑杨明庆]

On W ater Intake and Drainage Tunnel Optim ization Design of Xiaba Reservoir of Guizhou Province

Z HANG Dan1，L I Wei2
（1.Zunyi Water Conservancy and Hydropower Survey Design Institute，Zunyi 563000，Guizhou，China；2.Northwest Agriculture and Forestry University，Yangling 712100，Shanxi，China）

Aiming at the complex topography and geological conditions，the mass fractured rock by fissures cutting，the poor integrity of strong weathering zone which is easy to form landslides，collapse，unsymmetrical pressure，debris flow and other problems in Xiaba reservoir，after the reconnaissance trip，combined with＜Specification for design of hydraulic tunnel building＞（SL386－2007），（SL279－2002），this paper takes overall consideration the engineering land occupation，the construction difficulty and the engineering investment and other factors，optimal chooses the water intake and drainage scheme of reconstruction the diversion tunnel as the pressurized water taking／venting tunnel which can realize three function by one tunnel.From the hydraulic calculation，the tunnel lining calculation，the stress stability check and others analysis，the results showed that the structure，flow capacity，crack width and stress stability of the tunnel buildings can meet the standards requirements and the optimization design scheme has higher technical feasibility and economic rationality.

Guizhou Province；Xiaba Reservoir；tunnel building；water intake and drainage；stability check

TV697

A

1008-486X（2016）01-0006-05

2015－11－28

张丹（1987－），女，贵州遵义人，回族，助理工程师，主要从事水利水电工程设计工作；李伟（1974－），男，陕西渭南人，高级工程师，硕士，主要从事水利工程教学及管理工作。