关于水库导流洞设计探讨

摘　要：导流洞就是施工期将原河道水流从上游围堰前导向下游围堰后的隧洞。介绍了某水库导流洞的工程概况、地质条件及设计标准，分析了导流洞布置的原则，计算了导流洞的泄流能力。

关键词：水利设计；导流洞
　　1 工程概况
　　某水库为了实施大坝截流，需兴建导流洞。该水库属中型Ⅲ等工程，导流建筑物级别为5级，设计导流标准为P=10％～20％。该工程取P=10％标准设计，导流时段为全年，相应洪峰流量340 m3／s。导流洞位于坝址左岸，隧洞全长610．626m。
　　2 地质条件
　　导流洞进口为基岩岸坡，该处修公路时已进行过削坡，下部岸坡坡度50 ?～60?，上部岸坡坡度50 ?～60?。出口位于文峪河左岸公路旁的岸坡处，岸坡坡度2O?～30?，岸坡处发育河流Ⅱ级堆积阶地，出口之后为河流I级堆积阶地。洞身通过的地层岩性主要有下古代界河口群一段混合花岗岩、变粒岩组、二段混合花岗岩组以及大理岩和第四系松散堆积层。导流洞沿线岩体中节理裂隙较发育，主要有4组：第一组为N5?～30?E／NW∠82?-87?，第二组为N70?～80?E／NW∠ 75?一85?．第三组为N45?一70?W／NE 65?一85?，第四组为N?- 30?W／NE 65?-87?；裂隙宽0．1 cm～8．0 cm，发育密度1．5条／m，节理裂隙延伸较长，切割深度大。坝址区的节理裂隙密集带(风化带1、2)可能穿过导流洞。导流洞走向与第一、第三组节理裂隙走向交角较小，对洞身稳定不利。
　　进口段及洞身大部一段混合花岗岩、变粒岩组基岩全强风化层厚度3m～18m，节理裂隙密集(分化带l、带2)带附近可达25m，弱风化层厚度一般12 m一34 m。出口段二段肉红色混合花岗岩组基岩全强风化层厚度8 m～28 m,弱风化层厚度大于28m.
　　从导流洞5个钻孔揭露水位情况来看，推测洞身大部位于地下水位以下，仅进、出口段洞身位于地下水位附近或以上。洞内无线状流水及涌水，仅有少量渗水及滴水，大部分地段干燥，说明地下水主要存在于上部风化带的裂隙中。
　　3 设计标准
　　水库枢纽由大坝、溢洪道、泄洪发电洞和电站组成，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，其他建筑物为5级。导流洞属导流工程的一部分，为建筑物，其建筑物级别为5级。
　　导流建筑物级别为V级，设计洪水标准为P=l0％，相应洪峰流量为340 m3/s 。导流方式为全断面汛期围堰法。根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306--2001)，枢纽工程区地震动峰值加速度为0．1g，相当于地震基本烈度Ⅶ度。根据《水工建筑物抗震设计规范》(SL 203—97)，建筑物抗震设防烈度为Ⅶ度。
　　4 导流洞的设计
　　4．1 洞线选择
　　导流洞洞线是布置在文峪河左岸还是右岸，需进行认真比选。右岸洞线总长550 m，洞进口距围堰上游坡角25 m，出口位于右岸大坝下游152 m；左岸洞线长610 m。右岸洞线较短，但洞体围岩风化严重，特别是进出口段，成洞条件差，全洞线需要喷锚支护，进出段都需要混凝土衬砌；洞出口距坝址较近，水流需从施工区通过，影响施工布置，特别是洪水期对施工影响较大。左岸洞线长，但该洞线所穿过岩石较好，只需对洞进、出口段进行适当衬砌即可，洞身段大部分开挖后不需衬砌，洞出口段距坝址较远，不会影响施工；存在的问题是该洞线距泄洪发电洞距离较近，应考虑施工和运行期对泄洪发电洞的影响。对以上两洞线从地质条件、洞线长度、施工期运行管理等方面对枢纽施工总布置的影响进行综合分析，选择左岸洞线。
　　4．2 导流洞布置
　　导流洞位于泄洪发电洞的右侧，为无压隧洞，过水断面为城门洞形，洞底宽4 m，洞身直墙段2．5 m，顶拱半径2．165 m，拱角135?，洞身长610．387 m。进口轴线与现状输水隧洞轴线相距28m，两洞间最小净距23.5 m，相当于泄洪发电洞洞径的4.7倍，不会因建新建导洞而危及泄洪发电洞的安全。导洞由引渠、洞身段和出口明渠段组成。
　　4．2．1 进口明渠
　　 为了保证水流平稳、顺畅地进入导流洞，在其进口段前设引渠。引渠桩号从泄0—20到泄0+000，长20 m。引渠右侧为围堰挡墙呈直线形，左侧为弧线形，由洞进口向上游呈扩散状。引渠起始处宽12m，高程1 167．2m，洞进口处宽6m，高程1 167．0m；引渠纵坡i=0．01。引渠断面为梯形，左侧开挖边坡1：1，右侧围堰挡墙为直墙。
　　4．2．2 洞身段
　　导流洞轴线布置在泄洪发电洞的下游侧，布置原则保证两洞之间有足够的岩体厚度，同时不至于太靠近围堰，给围堰的施工带来不利影响；隧洞进口轴线距泄洪发电洞轴线28 m，出口布置在电站右侧。在桩号0+453．033设拐点，其角度为17．481?，转向右侧，沿直线至隧洞出口处(桩号0+610．676)，设拐点的目的主要是考虑导流洞工期紧，便于施工布置。
    导流洞0+000-0+005段为喇叭形进口，喇叭形进口为顶拱单面收缩，高度由4．836 m渐变为3．836 m，过水面曲线方程为+  =1(mm)。0+005～0+610．676为城门洞形，其底宽4m，直墙高2.5 m，顶拱半径2.165 m，拱角135?。该洞全长610．676m，进口底高程1 067．0m，出口底高程1052.351 m，纵坡i=0.024。
　　考虑到进口围岩稳定性，对桩号0+000～0+010段采用C25混凝土衬砌，衬砌厚度30 cm。桩号0+010—0+543.431段因围岩大多为Ⅱ、Ⅲ类，Ⅳ类围岩较少，从已开挖的泄洪发电洞看，Ⅳ类围岩不需要支护，也能稳定。鉴于上述情况，在该洞段不进行混凝土衬砌。但在施工过程中，承包人若发现断层、节理密集带等不利地质情况，应及时采取喷锚等必要的支护措施。
　　桩号0+543.431～0+610.387段，洞体位于强风化线以上及卵石混合土区，围岩类别主要是V类，围岩自稳能力差。对该洞段进行混凝土衬砌，衬砌厚度30 cm，每10 m设一道伸缩缝，缝内埋设651橡胶止水带，出口最后一个洞段长度为15 m。该段围岩稳定性差，边开挖边衬砌，必要时采取钢拱架支护等必要的施工措施确保开挖顺利进行。
　　出口洞脸开挖与明渠开挖结合起来，洞脸开挖边坡在1056.687m以下为1：0.3，以上为1：1并与地面相交。因洞帘处为卵石混合土，稳定性差，设贴坡式挡土墙护坡，其顶宽0．8 m，底宽2.124m，临空面坡度1：0.5，墙顶高程1056.987 m，墙角与洞底齐平。挡土墙底长度6 m，顶长度14.272 m，两岸边坡1:1。
　　4．2.3 出口明渠段
　　桩号0+610.387-0+688.431为出口明渠段，连接导流洞出口与河槽，与隧洞出口为同一方向，呈直线布置。明渠断面为梯形，渠底净宽6 m， 两边坡为1：l，与地面相交；明渠纵坡i=0.0l，起始端与导流洞出口齐平，末段高程l 051．67 m。该明渠渠底采用铅丝笼块石护底，两边坡采用块石衬砌。
　　5 泄流能力计算
　　水力学计算为导流洞的过流能力，并复核其能否满足导流标准。导流洞断面为城门洞形，洞宽4 m，直墙高度2.5 m，洞高3.836 m，洞长610.676 m，底坡i=0.024。由于导流洞不衬砌过流，计算时糙率采用0.035。
　　5．1 短洞与长洞的判断
　　经计算，导流洞底坡为缓坡且接近于临界坡度，依据《水力学计算手册》，其计算公式为：式中：H为上游水深。实际洞长l=600 m>12x1.3x5=78 m；所以为长洞。
　　5．2 无压流水力学计算
　　对导流洞，当水位为1 067m -1 071．6m时，其为长洞，由以下两式联立求解： (2)式中：b为矩形隧洞过水断面的宽度，当过水断面为非矩形时， ； 为临界水深；wk为相应于h k时的过水断面面积；为淹没系数；m为流量系数；R为水力半径；c为谢才系数， n为糙率，因隧洞未衬砌，取0．035。
　　5．3 有压流水力学计算 ．
　　对导流洞，当水超过1 072．75 m，为有压流。依据《水力学计算手册》，其计算公式为：式中： u为流量系数；To为上游水面与隧洞出口底板高程差及上游行近流速水头之和;hp为隧洞出口断面水流的平均单位势能，约等于出口洞高；to为隧洞出口断面面积。
　　具体计算结果见表1。经分析，利用导流洞进行导流，可满足原P=10％的导流标准。
　　表1水位－泄量关系表
　　
　　
水位/m 导流洞泄量/(m3/s)水位/m导流洞泄量/(m3/s)1067.000.0001072.0061.6001067.502.1421073.0063.5481068.006.0591074.0065.4381068.5011.1321074.6066.5471069.0017.1391075.82199.7561069.5023.9521076.00200.8391070.0031.4861077.00206.7531070.5039.6771078.00212.5011071.0048.4761079.00218.0971071.6059.7821080.00223.551
　　6 结语
　　导流洞的兴建必将为大坝截流提供坚实的保障。当截流完成后，导流洞还可设置封堵体，改为交通洞使用，大大提高了工程的利用率。 本文链接：http://www.qk112.com/lwfw/sklw/slgc/249283.html