大洞径溢洪明流泄洪洞设计

2022-07-14詹双桥周自力谢育健郑永兰左全裕

湖南水利水电 2022年1期

詹双桥，周自力，谢育健，郑永兰，左全裕

（1.湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，湖南长沙 410007；2.永州市住房和城乡建设局，湖南永州 425000）

1 工程概况

涔天河水库扩建工程位于湖南省永州市江华瑶族自治县境内的湘江支流潇水上游峡谷出口处，下距江华县城12 km。工程开发的主要任务是灌溉、防洪、下游补水和发电，兼顾航运等综合利用，水库总库容15.1亿m3，防洪库容2.5亿m3，水库正常蓄水位313 m，电站装机容量200 MW，灌溉面积111.46万亩。

涔天河水库扩建工程为一等大（Ⅰ）型水利水电枢纽工程，大坝、泄洪建筑物等为1级建筑物，电站厂房为3级建筑物，导流洞为4级建筑物。

大坝为混凝土面板堆石坝，采用两条高速水流泄洪洞宣泄洪水，其中2#泄洪洞为表孔溢流明流隧洞，采用“龙抬头”布置型式与导流洞结合；1#泄洪洞为深孔短管有压明流隧洞。

2 原设计方案

根据涔天河水库工程地形地质条件及挡水建筑物类型，泄水建筑物采用泄洪隧洞布置型式。经过多方案比较论证，共设置两条泄水隧洞，分别为1#泄洪洞和2#泄洪洞，均布置于大坝右岸山体内，并采用进水口高低搭配的布置型式以满足本工程各工况下泄水要求。

2#泄洪洞为本工程主要泄水建筑物之一，采用“龙抬头”布置型式，施工期结合导流。2#泄洪洞采用开敞式溢流进口，其后接明流洞洞身，洞轴线采用直线布置，与1#泄洪洞轴线平行，轴线平面距离80 m。原设计方案进口距老坝右坝头近150 m，全长880.5 m。导流洞在“龙抬头”正下方与泄洪洞结合。洞身断面型式为“城门洞”形，与导流洞结合段洞身净宽12 m、净高12.5 m，立面采用直线布置，控制段堰顶高程301 m，终点底板高程222.5 m，缓坡段设计纵坡2%，落差78.5 m，洞内设置9道掺气坎槽。最大流速超过33 m/s，属高速水流隧洞，抗空蚀要求高。

3 方案优化缘由

工程开工建设后，有关科研单位进行了泄洪洞减压模型试验，减压模型试验成果表明，在原设计2%的洞身纵坡下，原有掺气体型效果很差，虽然通过减压模型试验重新选定的掺气坎体型一定程度上可以缓解原设计掺气坎效果差的问题，但该掺气坎体型复杂，施工难度较大，施工控制不到位有可能形成新的空化源，给工程安全带来隐患。

基于高速水流掺气减蚀、施工难度、工程进度及运行安全等多方面因素的考虑，提出对泄洪洞布置及相关的结构设计进行优化调整。

4 溢洪明流泄洪洞设计

通过理论计算分析、工程类比及模型试验，结合泄洪洞出口挑流鼻坎布置，并考虑隧洞地质条件、掺气坎保护范围等因素，通过调整“龙抬头”段反弧半径形成跌坎掺气，并根据掺气水深调整局部洞段洞身高度，出口挑流鼻坎结构布置相应调整。

4.1 结构布置

4.1.1 洞轴线布置

2#洞位于1#洞右侧，两洞轴线水平距离80 m，其工程地质条件与1#泄洪隧洞类似，F88、F27、F1、F10、F230、F231和F6等断层斜切洞身。除断层部位属Ⅴ类围岩外，大多属Ⅱ～Ⅳ类围岩。进口边坡基岩为D13岩组之粉砂岩夹砂岩，岩石呈强风化状态，稳定性较好。出口洞脸右侧基本为顺层边坡，边坡稳定条件较差。

2#洞进水口为开敞式实用堰，其后接明流洞洞身。进口距老坝右坝头近150m，洞轴线采用直线布置，2#泄洪洞全长880.5m。导流洞在“龙抬头”正下方与泄洪洞结合。

4.1.2 泄洪洞结构布置

1）进口段（0-035.5～0+000m）

2#泄洪洞进口控制段长35.5 m，为1孔开敞式进水口，堰顶高程301 m，堰净宽18 m，堰型为WES堰，堰面上游平台高程280 m。堰体上游设有钢质平板检修闸门，闸门底坎高程299.5 m，孔口尺寸18 m×13.5 m（宽×高），台车启闭；检修门后设有1孔钢质弧形工作闸门，弧门尺寸18m×15.6m（宽×高），液压启闭机启闭。

WES堰面曲线上游为3∶1斜坡接两段圆弧，下游为Y=0.055 38X1.836幂曲线接1∶1斜坡段。堰体与两侧闸墩为整体式槽型结构，闸墩厚2.5 m，堰面为60 cm厚C40HF抗冲耐磨混凝土。

进口控制段顶部高程324 m，闸墩与岸坡相接并与坝区公路形成交通通道，闸墩上部布置工作弧门启闭液压泵房和检修门启闭排架。

2）洞身段（0+000～0+770 m）

洞身断面型式为“城门洞”形，全长770m，立面采用“龙抬头”式布置，起点高程282.49 m。控制段后接1∶1斜坡段，斜坡段长13.85 m，该段底宽18 m、净高14.23 m。斜坡段后接反弧段，反弧段转弯半径R=105 m，转弯角θ=43.85°，末端底板高程237.879 m；该段为洞身渐变段，长72.195 m，底宽由18 m渐变为12 m，净高由14.23 m渐变为12.5 m。反弧段通过圆弧半径变化在末端形成跌坎，跌坎下游侧墙设置通气孔，即形成本泄洪洞的掺气设施。掺气坎高度1.1 m，通气孔尺寸0.8 m×1.9 m。

掺气坎下游为泄洪平洞段，底宽12 m，净高12.5～14.5 m，i=2%，长683.95 m，隧洞终点底板高程222.5 m，该段与导流洞结合。泄洪平洞段分三大部分：0+86.048～0+664.5 m之间为开挖洞身断面，0+664.5～0+702.5m之间为现浇混凝土明洞断面，0+702.5～0+770 m之间为开挖洞身断面。由于出口洞段受欠挖及洞口偏压变形影响，原设计1 m的衬砌厚度不能保证，参建各方研究确定将0+720～0+770 m之间洞顶降低0～1 m，0+770 m处洞顶高程由EL237 m降低至EL236 m，洞身净高由14.5 m降低至13.5 m。洞身混凝土衬砌每12 m分一伸缩缝，不留缝宽，缝间紫铜片止水。

泄洪洞内最大流速位于下弯段末端，达36.65m3/s，抗冲耐磨要求较高，参照国内外近年来已设计、施工及运行的同类工程所总结的经验，结合本工程特点，隧洞底板面层采用60 cm厚C40HF抗冲耐磨混凝土、下层为C25混凝土，侧墙采用C40混凝土衬砌，衬砌厚度根据围岩类型计算选定。Ⅲ类围岩衬砌底板厚度0.8m、侧墙厚度0.6m，为了解决无顶拱混凝土边墙在外水压力作用下易于失稳破坏的问题，洞身侧墙增设了Φ28@3m、L=4.5 m的系统锚杆，锚杆外露岩壁设置直角弯并与衬砌钢筋焊接、锚入衬砌混凝土中；Ⅳ、Ⅴ类围岩衬砌底板厚度1.5m、侧墙及顶拱厚度1.2 m。由于洞身为无压流，掺气水深没有超过直墙，因此隧洞顶拱Ⅲ类围岩不设混凝土衬砌，只采取挂网喷混凝土支护处理。

3）出口明渠段（0+770～0+817.27 m）

出口明渠段全长47.27 m，包括27.27 m长直段和20 m长扩散段。明渠段为矩形槽身结构，侧墙与底板整体浇筑。

直段净宽12 m，底板高程222.5 m、侧墙顶部高程237.0 m。侧墙顶宽2.5 m，底板面层为60 cm厚C40HF抗冲耐磨混凝土，底板下层及侧墙为C25现浇混凝土。

扩散段净宽从12 m渐变为15 m，扩散角4.29°左右对称布置，底板高程222.5 m、侧墙顶部高程237.0 m。侧墙顶宽2.5 m，底板面层为60 cm厚C40HF抗冲耐磨混凝土，底板下层及侧墙为C25现浇混凝土。

4）鼻坎段

根据前期模型试验成果，2#泄洪洞出口挑流鼻坎为异形结构形式，中间主挑坎顶高程230 m，挑射角30°，左右两侧设置贴坎，鼻坎段全长28.73 m。2014年4月导流洞试通水，2014年5月11日，库水位达到250.5 m时，导流洞出口形成压力流，水库水位达到251.3 m时，导流洞出口明渠侧墙顶部漫水，分析原因为导流洞出口挑流鼻坎过高。为此，重新开展了导流洞的水力模型试验，提出了优化挑坎的方案。

根据施工工期安排，导流洞鼻坎降低改造时间选在2014年10月下旬进行，施工时间历时半个月，采用绳锯无损切割混凝土工艺对鼻坎进行拆除改造，即根据模型试验成果，将原设计EL230 m的挑流主鼻坎及左侧贴坎顶高程均降低至EL227 m，左侧贴坎按1∶0.5放坡至EL227 m。绳锯切割工艺有效保证了鼻坎母体混凝土基本无损伤，拆除后的混凝土表面平整度高，降坎后导流洞运行情况良好。

模型试验成果表明，导流期间降低改造后的鼻坎体型可满足导流期洞内流态及下游消能防冲要求，但不满足运行期泄洪是下游消能防冲要求。通过大量试验选定“EL228.0～EL227.5 m斜挑坎”方案，即中间主挑坎右侧顶高228 m、左侧227.5 m，左侧贴块先部分切割拆除，然后浇筑混凝土形成新的斜面贴块，右侧原贴块局部加高形成斜面贴块。

5）出口护坦及护岸（0+846～0+958 m）

挑流鼻坎下游护坦顺水流方向长度40 m，右侧护岸长度112 m。

根据整体模型试验成果，原设计护坦及右侧均为现浇混凝土结构。护坦采用斜面形式，即根据河床右侧高、河床中部低的特点，护坦平面坡比1∶3.5，右侧顶高程220.0 m，左侧顶高程212.64 m，护坦厚度不小于1.5 m，建基面要求为完整基岩。右侧护岸采取现浇贴坡混凝土结构，混凝土护岸顶高程EL230 m,基础要求嵌入完整基岩的深度不小于1.0 m，护岸厚度1.0 m，面坡坡比1∶1，在EL220 m高程设置1.5 m宽的平台，并在该平台设置顺水流方向的结构缝。

护坦和护岸设置目的是导流或运行期间对鼻坎下游河床进行有效防冲保护。

由于导流洞出口施工围堰防渗效果欠佳，2#泄洪洞出口护坦护岸未能在导流洞通水之前完成，导流洞通水前，现场采取了水下灌注混凝土的补救措施。2015年汛期，导流洞出口下游右侧护岸冲毁，水下灌注的混凝土护坦也遭到破坏。

根据施工进度安排，2017年枯水期需对下游护岸及右侧护岸进行恢复，根据现场实际情况并经咨询水规总院，对鼻坎下游护坦及右侧护岸的结构形式进行了适当调整，调整后改用“水下抛石+格宾石笼”代替EL220 m高程以下尚未实施的现浇混凝土护坦，水下抛石顶面从右侧向河道中央放坡。抛石顶部设置一层1 m×2 m×1 m的格宾石笼，格宾石笼右侧顶高程EL220.0 m，左侧顶高程EL218.0 m。

重新恢复的护岸起点自0+858 m开始，终点桩号0+958 m，护岸体型与原设计略有调整，即合并两级为一级，取消EL220 m高程的结构缝，混凝土护岸面坡坡比1∶1，厚度1 m，钢筋混凝土结构，护岸顶高程230.0 m，基脚顶高程220.0 m；要求将护壁桩桩顶浇筑到基础混凝土内以提高桩体整体性。

共布置95根钻孔灌注桩对护岸基础和鼻坎基础进行保护，其中鼻坎下游右侧护壁桩起点桩号0+859.217m，终点桩号0+956.77 m，共70根，桩顶高程219.5 m，桩底高程204.0～208.0 m；鼻坎末端及左侧增设25根钻孔灌注桩以加强对鼻坎和明渠左侧墙基础的防冲保护，护壁桩顶高程217.0～221.0 m，桩底高程207.0～210.0 m。

4.2 水力设计

4.2.1 泄流能力

1）计算公式

式中 Q——下泄流量（m3/s）；

e、B——水流收缩断面的底宽（m）；

ε——收缩系数；

cm——经修正的流量系数；

σs——淹没系数；

H0——包括行近流速的堰前水头（m）。

2）试验泄流能力与计算泄流能力比较

试验泄流能力和计算泄流能力对比分析发现，库水位为301m以上时，2#泄洪洞试验泄流能力较计算泄流能力有增有减，高水位时，试验泄流能力明显大于计算泄流能力，说明2#泄洪洞高水位时超泄能力较强。两泄洪洞试验泄流能力大于计算泄流能力，为确保工程安全，2#泄洪洞高水位时的超泄能力留作安全储备，利用设计计算的泄流曲线进行调洪演算确定水库特征水位，见表1。

表1 试验泄流能力与计算泄流能力比较表（2#泄洪洞）

3）设计采用泄流能力

设计采用泄流能力计算成果见表2。

表2 推荐泄流能力计算成果表（2#泄洪洞）

4.2.2 水面线计算

1）计算公式

①计算清水深h

②计算掺气水深ha（霍尔经验公式）

其中K是与掺气量有关的常数——槽壁材料系数，K=0.006；

2）计算成果

计算成果见表3。

由表3可知，2#泄洪洞在宣泄校核流量，由“理论计算清水深”推求的掺气水面线以上空间占断面总面积的28%～51%，净空面积均超过断面面积的20%，且水面没有超过直墙，满足规范要求；2#泄洪洞在宣泄校核流量，由模型试验实测清水深计算的掺气水面线以上空间占断面总面积的26%～46%，净空面积均超过断面面积的20%，且水面没有超过直墙，满足规范要求。上述计算成果表明，模型试验实测水面线与理论计算水面线在大部分洞段比较接近，局部洞段略有差异，设计泄洪洞断面尺寸可以同时满足理论计算和模型试验的要求，设计断面尺寸经济合理。试验过程中发现，2#泄洪洞掺气下游段0+106.048附近断面直墙高度不够，洞顶余幅也不够，根据试验成果，将0+086.048～0+126.048之间洞顶进行扩挖，扩挖高度2 m，扩挖后掺气水面以上净空满足设计要求。