贵州省纳坝水库小流量引水隧洞优化设计

（中水珠江规划勘测设计有限公司，广东广州 510610）

1 工程概述

我国西南地区受地形限制，人口及灌面布置较分散，一般采用分散水源进行供水和灌溉，引水规模较小。当这些小流量引水工程取水建筑物采用隧洞型式时，隧洞的设计尺寸一般受最小施工断面控制。按最小施工断面控制的隧洞施工难度大，实际施工单价高，工程竣工决算容易超出初设概算。如何优化小流量引水隧洞的结构和布置，是关系到工程工期和投资的重要问题。本文依托贵州纳坝水库开展引水隧洞优化设计研究。

纳坝水库工程位于贵州省黔西南州望谟县望谟河的一级支流纳坝河上，坝址位于纳坝河与望谟河汇合口上游约1 km河段上，距望谟县城约12 km。纳坝水库工程的主要任务是防洪、供水和农田灌溉。工程规模为中型，大坝为2级建筑物，取水和泄洪等建筑物为3级建筑物。水库正常蓄水位790 m，死水位759 m。年城镇供水量679万m3，年灌溉供水量52.3万m3。引水隧洞最大引水流量为0.425 m3/s，其中供水灌溉流量0.356 m3/s，生态流量0.069 m3/s。该工程于2013年6月开工建设，2017年3月下闸蓄水，2019年完成竣工验收。

2 工程基本地质条件

工程总体布置示意见图1。原引水隧洞布置于右岸，泄洪放空兼导流洞布置于左岸，两条隧洞地质条件类似。洞室围岩依次为三叠系中统边阳组第二段（T2b2）青灰色中至厚层状细砂岩、粉砂岩夹泥页岩，三叠系中统边阳组第一段（T2b1）泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹钙质砂岩，三叠系下统罗楼组（T1ll）浅灰、青灰色薄～中厚层状页岩夹少量粉砂质页岩。洞室除进出口段处于强、弱风化外，其余洞段处于新鲜岩体内。洞段基本位于地下水位之下，围岩透水性小，施工中地下水干扰较弱。

图1 工程总体布置示意

3 初步设计方案

3.1 方案布置

初步设计水库枢纽工程总体布置推荐方案为：河床布置混凝土面板堆石坝，左岸布置溢洪道及泄洪放空洞，右岸布置引水隧洞。

（1）引水隧洞工程布置。引水隧洞布置在大坝右岸，由进口段、闸门井段、洞身段和高位水池组成，总长305.5 m，如图2所示。根据环评对取水水温的要求，进口采用分层取水方式，分两层取水，进口底板高程分别为773 m和756 m。高程773 m以上闸门井段采用明挖方式，以下部分采用竖井开挖。高程756 m进口前设有压圆型引水隧洞，长28.0 m，洞径2.5 m。两层进水口垂直水流方向平行布置，各设一扇拦污栅和平板事故闸门。闸门井与岸边用交通桥连接。洞身段总长243.00 m，进口底板高程756.00 m，出口底板高程753.57 m，底坡i=0.01。洞身段为有压取水隧洞，洞径1.5 m，隧洞出口接锥形阀室，后设300 m3高位水池，池后接生态环境水管和输水管。

图2 引水隧洞纵剖面示意

（2）泄洪放空隧洞工程布置。泄洪放空隧洞由导流洞改建而成，布置在大坝左岸，型式为进口段设置有压短洞的无压泄洪隧洞，由进口有压洞段、闸门井段、“龙抬头”段和导流洞段组成。进口有压洞段长75 m，为圆形断面，洞径3.0 m。闸门井为矩形井筒式结构，高46.7 m，设一扇事故闸门和一扇工作门。“龙抬头”段长80 m，断面尺寸从1.5 m×2.5 m渐变到4.6 m×5.5 m。龙抬头段后利用导流洞段总长220 m，底坡i=0.03，为无压泄水隧洞，断面尺寸4.6 m×5.5 m，出口采用底流消能。泄洪放空洞下泄洪水时，设计洪水位最大泄量64 m3/s，校核洪水位最大泄量67 m3/s。

3.2 优化设计原因

主要从工期、投资及安全3个方面考虑对小直径隧洞进行优化设计的原因。

（1）根据当地一般企业的施工能力，如此小的施工尺寸，施工通风及出渣等均较难布置，机械化施工难度较大，工期得不到保障，引水隧洞的施工工期存在由非关键线路变成制约工程进度的关键线路的较大风险。

（2）随着人工工资的上涨，小断面隧洞石方开挖、钢筋制安和混凝土浇筑等的实际发生单价均较概算定额[1]的标准要高，若不进行优化设计，工程竣工决算势必会超出初设概算。

（3）原设计的引水隧洞的洞径仅1.5 m，一般施工人员都无法直立工作，安全隐患很大，且与规范要求不符。SL 279-2002《水工隧洞设计规范》[2]规定的圆形断面内径不宜小于1.8 m，而SL 279-2016《水工隧洞设计规范》[3]考虑我国生活水平的提高、人们的健康水平改善以及整体身高水平增加等因素，最小施工内径提高为2.0 m。

4 方案优化设计

4.1 优化原则

方案优化后不能改变工程的功能和规模，因此工程优化基本原则为：保持引水的规模和功能不变，满足引水流量和供水灌溉高程；满足环评对取水水温的要求，保持分层取水的结构布置不变；不能影响泄洪建筑物的功能。

4.2 优化思路

工程最大引水流量仅0.425 m3/s，流量较小，优化总体思路是用一根引水管代替引水隧洞引水，引水管结合现有泄洪放空洞进行布置。现从分层取水、泄洪规模和运管等方面分析优化设计的可行性。

（1）泄洪洞有压洞段顶高程与引水隧洞2号进水口的底高程均为756 m，分层取水方面具备优化条件。

（2）导流洞段断面型式为4.6 m×5.5 m的城门洞型，下泄最大洪水时，水面线最大掺气水深约1.5 m，低于高3.2 m的直墙，适当缩窄后不会影响泄洪功能，泄洪规模方面具有优化条件。

（3）若取消右岸引水隧洞、闸门井和交通桥，由左岸钢管代替，引、泄水建筑物均集中在左岸，更加紧凑和顺畅，有利于后期运行维护，运管方面具有优化条件。

4.3 优化方案

优化方案取消右岸引水隧洞，增设引水管道与左岸泄洪放空洞相结合。

4.3.1 管径设计

综合考虑引水管线和输水管线的管径及高位水池水位，要保证供水灌溉规模不变。引水钢管分闸门井前后两段考虑。闸门井之前钢管长约75 m，钢管尺寸主要考虑因素是有压洞段衬砌结构、事故闸门的尺寸和进口拦污栅的过栅流速。最终确定进口段钢管尺寸为壁厚8.00 mmDN800钢管，事故闸门尺寸0.8 m×0.8 m，拦污栅尺寸1.0 m×1.0 m。闸门井之后段钢管长约300 m，钢管尺寸主要考虑因素是线路水头衔接、泄洪洞流态及钢管与导流洞段的结合。钢管直径越大占用导流洞段空间越大，钢管施工布置越难，泄洪流态越不易控制，出口消力池所需尺寸越大；钢管直径越小，水头损失越大，与下游输水线路水力衔接越难。最终选择DN450钢管，壁厚8 mm，该尺寸布置较容易，泄洪洞剩余尺寸满足泄洪消能要求，仅水头损失略大。经计算[4]，总水头损失达15.86 m，上游最低库水位为759.00 m，故高位水池水位需调整到742.00 m。工程通过扩大部分供水管线尺寸以减小线路水头损失，弥补高位水池调整带来的影响，以保持线路供水能力不变。经复核，输水灌溉管道前1.6 km管线由DN500扩大为DN630可满足要求。

4.3.2 钢管和隧洞结合设计

钢管和隧洞结合设计包括进口段、“龙抬头”段和导流洞段，见图3。

（1）进口段长约75.0 m，DN800压力钢管布置在隧洞左上角衬砌内，洞口中心线高程756.0 m，可保证进水口高程与原方案基本一致；

（2）“龙抬头”段长约80 m，为减少对“龙抬头”段的影响，便于与导流洞段衔接，DN450压力钢管布置在隧洞左下角衬砌内，左下角开挖断面适当加大；

（3）导流洞段长约220 m，DN450压力钢管布置在隧洞左侧，外包二期混凝土宽0.8 m，高1～2.5 m。

4.3.3 金属结构设计

泄洪放空洞的进口事故闸门和工作闸门、1号进水口的拦污栅和隔水事故闸门以及出口工作阀均维持不变。仅对2号进水口的拦污栅和事故闸门等配合引水钢管进行优化设计。

2号进水口的拦污栅为粗格直栅，预埋螺栓固定，不设专门清污设备。拦污栅孔口尺寸为1.0 m×1.0 m，设计水头为4.0 m。事故闸门为潜孔平面滑动钢闸门，下游止水，利用水柱动水闭门，小开度提门充水平压启门，由1台250kN固定卷扬机配拉杆操作。事故闸门孔口尺寸为0.8 m×0.8 m，设计水头为40.0 m。在消力池末端管线最低处增设一个排污口，排污口设偏心半球阀作为工作阀。

图3 钢管布置（单位：m）

4.3.4 闸门井设计

引水洞和泄洪洞两闸门井功能合并到泄洪洞闸门井内，闸门井采用上大下小的结构型式，闸门井结构图见图4。高程771.0 m以下尺寸受2号进水口和泄洪洞的金属结构设备影响，断面尺寸为14.5 m×9.3 m；高程771.0 m以上的尺寸受1号进水口、2号进水口和泄洪洞的金属结构设备影响，断面尺寸为14.5 m×12.5 m。闸门井内1号进水口在事故门之后渐变到DN450压力钢管，压力钢管沿闸门井侧墙向下布置，在高程756.0 m与2号进水压力钢管通过三通管连接。

4.3.5 泄洪放空洞优化设计

图4 闸门井结构（单位：m）

泄洪放空洞进口段、事故门和工作门的布置和尺寸均维持不变，仅龙抬头段末端及导流洞段的过流宽度由原来的4.6 m变为3.8 m，泄洪放空洞的泄流能力不变，变窄后水深增加，最大掺气水深由1.49 m增加到1.92 m，满足规范[3]要求。

4.3.6 方案优化前后对比

方案优化前后，工程结构主要变化对比详见表1。

工程优化后，节省投资约53万元，泄洪放空系统和引水系统互相独立，不影响各自的功能和使用，泄洪放空系统泄流规模不变，引水系统的引水能力不变，分层取水功能不变。

4.3.7 优化方案总体布置

引水系统由高程773.0 m的1号引水隧洞、高程756.0 m的2号引水压力钢管、龙抬头段压力钢管、导流洞段压力钢管、出口消力池段压力钢管和高位水池组成。总体布置见图5。1号引水隧洞断面为直径2.0 m圆形洞，在闸门井内布置拦污栅和检修门，检修门之后隧洞渐变到DN450压力钢管，压力钢管沿闸门井侧墙向下布置，在高程756 m与2号引水压力钢管通过三通管连接。2号引水压力钢管进口布置在高程756 m有压洞衬砌的外侧，长75 m；在闸门井内布置检修门，检修门之后渐变到DN450压力钢管，之后和1号洞的引水管通过三通管连接，龙抬头段压力钢管布置在隧洞衬砌的底部，长80 m；到导流洞段，钢管布置在隧洞左侧，外包混凝土，长220 m；出口消力池段，钢管依然采用外包混凝土布置，长50 m，在消力池尾部布置镇墩，压力钢管从镇墩处转弯向上接到高位水池，镇墩处设排污阀1个。压力钢管出口高程设置锥形阀，锥形阀后接高位水池。

表1 方案优化前后结构变化对比

图5 三洞合一纵剖面示意

5 结论

（1）当引水流量较小时，采用钢管代替隧洞是一种可选的设计方案。充分利用其他隧洞的支护结构和多余空间布置钢管，使各建筑物功能互不干扰，是优化设计的关键。

（2）纳坝水库通过把引水、泄洪放空和导流3种功能合而为一，优化了工程布置，能降低了施工难度和安全隐患，节省了工程投资，保障了施工工期。

（3）引水隧洞优化后对工程的规模、功能、运行和生态环境等无不利影响，运行至今，工程防洪度汛、供水和灌溉等运行状况良好。