龙官桥水库取水兼放空隧洞比选及结构设计

熊 璐，苏 军

(毕节市勘测设计研究院，贵州？毕节？551700)

1 概 述

贵州省毕节市龙官桥水库位于乌江流域六冲河一级支流白甫河干流上游倒天河段上，坝址以上集雨面积31 km2，河长8.8 km，多年平均流量0.413 m3/s。水库校核洪水位1 657.69 m，正常蓄水位1 655.00 m，总库容1 099万m3，兴利库容751万m3，死库容196万m3。

工程任务是城市供水，工程建成后向“毕节—大方”中心城区内的西部毕节老城区提供综合用水，年供水总量959万m3，可解决城市4.78万人用水需求，城市用水供需矛盾将得到进一步缓解。

工程等别为Ⅲ等，工程规模属中型水库。水库枢纽由混凝土面板堆石坝、开敞式侧槽溢洪道、取水兼放空隧洞组成。针对龙官桥水库需兼顾取水、导流及放空功能，右岸坝基覆盖层厚，局部节理裂隙发育等不利条件，结合工程区地质勘察资料，对“三洞合一”隧洞布置方案和隧洞结构体型等进行详细论证分析，确保泄水及取水兼放空建筑物布置合理、经济。

2 隧洞工程地质条件

库区地震基本烈度为Ⅵ度，区域内构造无复活现象，区域构造稳定性好。取水兼放空隧洞地形主要为25°～75°斜坡地形，局部为陡岩，进出口近河床段地势平缓，坡度在0～10°，第四系覆盖层厚0～5 m，基岩多裸露，斜向坡，自然边坡稳定。经过地层岩性为寒武系中上统娄山关群第一段(∈2—3Ls1)灰至深灰色薄至中厚层泥质白云岩夹白云岩，岩层产状为倾向S80°E，倾角11°，强风化厚5～12 m。洞线走向N70°E，属单斜构造，区域构造线未通过洞线，分别在269 m处和288 m处发育F15和F43两条陡倾角性质不明断层，规模小，属次级构造；断层破碎带较窄，胶结较好，岩体节理裂隙发育。洞线未见岩溶溶洞水出露，岸坡地下水以裂隙水为主。洞线位于地下水位附近，洞室工程地质条件比较复杂。

根据围岩工程地质分类，进出口边坡强风化带属Ⅳ类围岩，隧洞中部洞身段属Ⅲ类围岩；Ⅳ类围岩洞室稳定性较差，开挖时需作临时支护处理。由于整个洞线位于地下水位附近，洞线区岩石产出平缓，节理裂隙较发育，隧洞段考虑地下水的影响，Ⅲ类围岩段也需进行衬砌。

3 隧洞布置方案比选

龙官桥水库建成后将承担西部毕节老城区供水任务，城区受水用户坐落在1 380～1 535 m高程之间。由于龙官桥水库与下游倒天河水库地势较高，可控制库水自流引至受水区，龙官桥水库可利用下游天然河道输水至下游倒天河水库，再利用已建城市供水系统向用户供水。水库下游河道两岸自然边坡稳定，经调查无滑坡、泥石流等不良地质现象。下游河道宽10～20 m，区间河道长12.38 km，河道平均坡降23.2‰，水库下放流量0.36 m3/s，水深约0.1 m，现状天然河道满足输水要求。为此，龙官桥水库不需另建输水工程，利用下游天然河道输水，下放流量0.36 m3/s远大于生态用水流量，隧洞出口下游河段不会出现脱水现象；且龙官桥水库坝址至倒天河水库区间河道无其他用水情况，水库运行期不考虑下放生态用水。

龙官桥水库取水流量为0.36 m3/s，只需从水库取水经下游天然河道输水，无需修建其他输水建筑物，与放空库水的要求相同；水库兴利库容751万m3，设计放空流量远大于取水流量，按放空流量设计的隧洞能够满足取水的要求，由此考虑取水兼放空隧洞二洞合一。另外，若导流隧洞与取水兼放空隧洞分开建设，则后期导流隧洞封堵后失去功能，造成投资浪费[1]；同时隧洞导流能力远大于取水流量。因此，设计考虑利用导流隧洞改建成为取水、放空隧洞即“三洞合一”的形式，既有利于枢纽建筑物整体布置，又可实现临时建筑物和永久建筑物的“永临结合”，节省工程投资[2_3]。

龙官桥水库“三洞合一”隧洞布置拟定左、右岸方案从工程地质、枢纽布置、施工条件及投资等方面进行综合比选，比选结果如表1所示。

表1 左、右岸“三洞合一”布置方案综合比选

从表1可以看出，两种方案工程地质条件差异较小，施工条件也相当。左岸方案虽洞长较长，但可充分利用废弃砂石厂的下游出洞，工程量较小，工程总投资较右岸少43.14万元，在工程布置及工程量投资上均占有优势；因此优选左岸取水兼导流放空“三洞合一”隧洞布置方案。

4 隧洞结构优化设计

4.1 隧洞结构设计计算

(1)计算工况条件

根据大坝防渗帷幕灌浆线布置，隧洞洞身段需穿越帷幕线，可考虑将隧洞分为两段考虑，即帷幕灌浆线上游段(桩号0+000.00～0+100.41 m，Ⅳ类围岩)和帷幕灌浆线下游段(桩号0+100.41～0+306.57 m，其中：0+100.41～0+210.03 m段为Ⅲ类围岩，其余为Ⅳ类围岩)。帷幕灌浆线上游段外水压力考虑为全水头(即校核洪水位减洞底板高程)，且为确保安全不考虑折减系数，选取桩号0+100.41 m断面(以下简称断面一)进行计算，即：外水压力41.27 m，内水压力0.979 m。帷幕灌浆线下游段选取两个特征断面进行计算，分别位于桩号0+147.36 m(以下简称断面二)及桩号0+347.12 m(以下简称断面三)，其中：断面二处外水压力最大为11.9 m，内水压力1.399 m；断面三为隧洞末端，运行期内水压力最大为1.804 m，外水压力为5.84 m。

根据衬砌厚度及衬砌材料容重确定，钢筋混凝土容重γc取25 kN/m3。按设计水深作用于衬砌内缘表面，边墙按三角形分布荷载分布，底板按矩形荷载分布。水容重γw取9.81 kN/m3。Ⅲ类围岩单位弹性抗力系数：K0=20～50 MPa/cm；Ⅳ类围岩单位弹性抗力系数：K0=5～20 MPa/cm。回填灌浆压力对钢筋混凝土衬砌采用0.3～0.5 MPa，取0.4 MPa。由于回填灌浆在衬砌完成后进行，在灌浆压力小于外水压力时可不予计算。

结合工程实际，计算时考虑三种工况：即运行期、施工期、检修期，计算荷载组合为：

(2)断面计算参数

根据《水工隧洞设计规范》(SL 279—2016)[4_5]计算得各断面计算参数取值，详见表2。

表2 各断面计算参数取值

(3)计算成果分析

结合表2计算结果，隧洞衬砌内力采用结构力学方法分析[6]，计算得不利断面在不同运行工况条件下的结构受力特性参数，详见表3。

表3 不利断面结构受力特性参数

根据表3计算结果可知，施工期为控制工况，在结构设计时应以施工期计算结果进行衬砌及钢筋配置。

4.2 隧洞结构设计

取水兼放空隧洞布置于大坝左岸，平面上呈“J”型布置。前部设龙抬头与导流隧洞后段相连，导流隧洞前段与取水兼放空隧洞在平面上呈“卜”形错开布置。取水兼放空隧洞系统总长372.48 m，由进水渠、进口段、洞身段、出口段组成。放0-020.00～放 0+000.00 m为进水渠，底宽15.60～5.7 m，底板采用30 cm厚C20钢筋混凝土衬砌，底板高程1 631.10 m。放空进水口与取水进水口采取独立布置，两者轴线在平面上正交。隧 0+000～隧 0+306.50 m为隧洞洞身段，隧洞为无压隧洞，城门洞形断面，尺寸为b×h=2.4 m×2.6 m。隧洞出口底板高程1 607.05 m，底宽2.4 m，出口洞脸顶部1 611.16 m高程以下边墙采用厚1 m的C20混凝土进行衬砌，1 611.16 m高程以上开挖边坡进行锚喷支护。尾 0+000.00～尾 0+010.00 m为出口扩散段；尾0+010.00～尾0+031.60 m为消力池。

隧洞沿线地质条件较好，隧洞围岩以Ⅲ、Ⅳ类为主。结合表3计算结果，对Ⅲ类围岩，衬砌厚30 cm，配单层钢筋，顶拱回填灌浆，帷幕灌浆上游段进行固结灌浆；对Ⅳ类围岩，衬砌厚40 cm，配双层钢筋，顶拱回填灌浆，帷幕灌浆上游段进行固结灌浆。隧洞底板及边墙采用C30HF抗冲耐磨钢筋混凝土结构，顶拱为C25钢筋混凝土结构，其中桩号0+000.00～0+120.41 m段、桩号0+210.03～0+306.57 m段衬砌厚度30 cm，桩号0+120.41～0+210.03 m段衬砌厚度40 cm。桩号0+000.00～0+120.41 m段(帷幕灌浆上游段)布设固结灌浆孔，1排5孔，排距3 m，孔深2.0 m；桩号0+120.41～0+306.50 m段(帷幕灌浆下游段)衬砌洞顶拱120°范围内考虑设置系统排水孔，每一横断面有2个排水孔、孔深3 m、排距3 m。隧洞全段顶拱120°范围布置回填灌浆孔，灌浆孔深入基岩0.1 m，间排距3.0 m，呈梅花型布置。

5 结 论

龙官桥水库属山区峡谷型水库，工程区地形地质条件整体较好，但局部存在节理裂隙发育，可能影响洞室稳定。为确保“三洞合一”隧洞结构具有较高安全性和经济性，对隧洞整体布置方案和结构计算进行了详细论证分析。

(1)隧洞基岩以Ⅲ、Ⅳ类泥质白云岩为主，整个洞线位于地下水位附近，考虑到岩石节理裂隙较发育及地下水的影响，设计采用混凝土全断面衬砌支护，以增强洞室围岩稳定性。

(2)左岸“三洞合一”隧洞方案，将取水、导流及放空功能集为一体，枢纽建筑物布置紧凑；同时充分利用了废弃砂石厂的下游出洞，具有较高的技术可行性和经济性。

(3)不利断面不同荷载条件下的结构受力分析表明，施工期为控制工况。采取合理的全断面衬砌、顶拱回填灌浆和固结灌浆等措施处理，隧洞具有较好的安全稳定性。

工程于2021年9月下闸蓄水投运，历经两年汛期洪水检验，整体运行反馈良好。