泄洪隧洞优化设计方案研究

2017-04-15张延奎于加統王传健

福建质量管理 2017年8期

关键词：隧洞布置优化

张延奎于加統王传健

(1.重庆交通大学河海学院重庆 400074；2.中国建筑第八工程局有限公司广东广州 510663； 3广州大鹏建筑工程有限公司广东广州 510660)

泄洪隧洞优化设计方案研究

张延奎1于加統2王传健3

(1.重庆交通大学河海学院重庆 400074；2.中国建筑第八工程局有限公司广东广州 510663； 3广州大鹏建筑工程有限公司广东广州 510660)

为满足水利工程各项任务需要，在地面以下开凿的各种隧洞，称为水工隧洞。水工隧洞按功能分：泄洪、引水输水、灌溉供水、放空排沙、施工导流等隧洞。现今水利工程对泄洪隧洞的设计要求越来越高，故综合考虑泄洪隧洞的工程量，工程造价，结构设计等因素来评价泄洪隧洞的性质非常重要。因此，在实际工程建设中，对泄洪隧洞进行优化设计，不论从经济角度，还是从安全性和适用性角度都是必要的。本文主要从泄洪隧洞总体布置，结构设计等方面进行论述，进而探讨优化方案。

泄洪隧洞；总体布置优化；体型设计；消能方式

一、基本内容

(一)基本概念。泄洪隧洞是通过隧洞，主要用于泄放洪水的泄水建筑物。泄洪隧洞建筑物组成包括：进口段(含拦污栅、喇叭口、闸门室、渐变段)、洞身段、出口段(无压隧洞仅设门框，有压隧洞含渐变段和工作闸门室)。其中进口段，洞身段和出口段的功能分别是控制水流，输送水流和连接消能设施。

泄洪隧洞的分类如下：(1)按照孔口位置：(a)表孔泄洪隧洞、(b)中孔泄洪隧洞、(c)深孔泄洪隧洞。(2)按照布置和隧洞内水流特点：(a)无压泄洪隧洞、(b)有压泄洪隧洞、(c)混合型泄洪隧洞。

(二)优化设计基本要求。根据水工隧洞设计规范，泄洪隧洞优化设计中，布置泄洪隧洞时应遵循以下原则[1]：(1)根据枢纽的任务，对泄水建筑物进行总体规划；(2)在合理选定洞线的基础上，根据地形、地质、水流条件，选定进口位置及进口结构形式，确定闸门在洞口中的位置；(3)确定洞身纵坡及洞身断面形状及尺寸；(4)根据地形、地质、尾水位等条件及建筑物之间的相互关系，选定出口位置，底板高程及消能方式。

因此，对泄洪隧洞的优化设计应该紧紧围绕布置原则进行。

二、优化设计方案

(一)总体布置优化。总体布置优化即优化设计从总体布置、隧洞洞身设计、隧洞出口设计等方面全面地进行优化。

如太原市上游的汾河干流上的汾河水库，优化设计上参考国内外水工隧洞设计和施工经验，降低隧洞底高程，并在隧洞结构上采取取消工作门进水塔，有压隧洞替换无压隧洞等措施，在出口布置弧形工作门[2]。位于乌江北源六冲河下游的乌江洪家渡水电站，在不弱化原有方案水力学条件的基础上，为了优化泄洪系统布置，采用降低洞高，减少洞挖量；减少底坡坡度，抬高隧洞出口高程,并相应缩短隧洞长度，减轻下泄水流对下游右岸边坡影响；出口采用斜鼻坎消能，减轻水流对下游右岸冲刷等措施[3]。

总优化设计，一方面维护了施工现场岩石的稳定性，另一方面也改善施工及运行条件,减少了开挖工程量、材料用量，节约了投资。

(二)体型设计优化。泄洪隧洞体型设计优化即在模拟研究的基础上，通过优化泄洪隧洞体型来达到保持泄洪隧洞稳定性，减少成本等目的。

例如对金沙江溪洛渡水电站，通过数值模拟，调整掺气坎的布置，使泄洪隧道压强分布更趋均匀，空化数平稳，从而改善泄洪隧洞水流的空蚀空化特性[4]；又如在泄洪隧洞下游底部布置曝气装置，可减小侧壁压力曝气腔对邻近侧壁空化特性的影响；依据液压经验和提出的公式来预测速度和与垂直方向θ取得的速度角，从而优化洞身体型和轴线布置，以增强泄洪隧洞的本身稳定性。

(三)进出口结构优化。对泄洪隧洞部分结构进行优化，如进水口悬挑牛腿部位采用预制牛腿模板施工方案不仅可以大幅度降低施工成本，而且可以提高施工安全性，加快施工进度[5]。如合理的对进水塔体顶部牛腿、进水塔体与拦污栅墩之间的连接板、清污门机轨道梁等结构和拦污栅操作排架、交通桥桥面梁模板支撑体系等施工方案进行了优化,在项目管理的进度、成本和安全控制等各方面均可取得巨大的效益[6]。

在对泄洪隧洞出水口设计上，充分利用下游水深可以达到尽量减少消力池结构尺寸、减小工程量和工程占地的目的[7]；对于由结构面组合形成的不稳定或潜在不稳定块体，应及时对其进行支护处理，且须在完成上部分支护的前提之下再进行下部边坡岩体的爆破施工[8]，在节约工程投资同时，应尽量保护岩体稳定性。

(四)出口消能优化设计。根据《水工建筑物(林继庸版)》，泄洪隧洞出口消能方式主要有：(1)挑流消能；(2)底流消能；(3)面流消能等消能方式。各个消能方式优缺点如下[1]：

(1)挑流消能。适用条件：出口高程高于或接近于下游水位，且地形、地质条件允许时。

特点：对尾水变幅适应性强，结构简单，施工、维修方便。

主要形式：斜切式挑流鼻坎、横向扩散挑坎、收缩式窄缝挑坎。

(2)底流消能。适用条件：当出口高程接近于下游水位时，可以采取扩散后的底流水跃消能。

优点：消能比较充分、平稳，应用最广泛。

缺点：开挖量大，施工时间长，材料用量多，造价高。

布置：洞口→水平扩散段→曲线扩散段→斜坡段→消力池。

(3)面流效能。原理：利用泄水建筑物末端的跌坎或戽斗，将下泄急流的主流挑至水面，通过主流在表面扩散及底部旋滚和表面旋滚以消除余能的消能方式。

类型：跌坎面流消能和戽斗面流消能两类。

特点：戽斗面流消能是水流在戽斗内形成水跃后，再在戽斗后形成面流，是兼有底流、面流特点的混合型消能方式。