遵義下壩水庫(kù)取放水隧洞建筑物優(yōu)化設(shè)計(jì)

張　丹，李　偉

(1.遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義　563000；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌　712100)

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遵義下壩水庫(kù)取放水隧洞建筑物優(yōu)化設(shè)計(jì)

張丹1，李偉2

(1.遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義563000；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌712100)

摘要：針對(duì)下壩水庫(kù)地形地貌、地質(zhì)條件循特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)踏勘后綜合考慮工程占地、施工難度及工程投資等因素，優(yōu)選“利用導(dǎo)流隧洞改為有壓取水/放空隧洞”的一洞三用取放水方案.經(jīng)水力計(jì)算、隧洞襯砌計(jì)算、應(yīng)力穩(wěn)定性復(fù)核等論證分析，結(jié)果表明:隧洞建筑物結(jié)構(gòu)、過(guò)流能力、襯砌裂縫寬度和穩(wěn)定性等，均滿足規(guī)范要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案具有一定的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性.

關(guān)鍵詞：遵義；下壩水庫(kù)；導(dǎo)流隧洞建筑物；取放水；穩(wěn)定復(fù)核

1工程概況

下壩水庫(kù)位于桐梓河左岸二級(jí)支流混子河支流三岔水，屬于長(zhǎng)江流域赤水河水系.壩址以上流域面積32.0 km2，多年平均徑流量1 730萬(wàn)m3，多年平均降水量1 083.4 mm.水庫(kù)正常蓄水位1 000.00 m，死水位978.00 m，正常庫(kù)容923萬(wàn)m3，總庫(kù)容1 236萬(wàn)m3，年供水能力1 063萬(wàn)m3/a.工程任務(wù)為城市供水、農(nóng)村人飲和農(nóng)田灌溉(恢復(fù))，為Ⅲ等中型水庫(kù).

水庫(kù)樞紐主要由攔河大壩、溢洪道和取放水隧洞等建筑物組成.大壩(混凝土面板堆石壩)最大壩高48.0 m，水庫(kù)無(wú)重大防洪對(duì)象，故大壩、泄水建筑物、取放水隧洞建筑物按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)；永久性次要建筑物按4級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，臨時(shí)性建筑物按5級(jí)建筑物設(shè)計(jì).[1]

2取放水隧洞工程地質(zhì)條件

水庫(kù)取放水隧洞布置于左岸，沿線地面高程958.00～1 042.00 m，一般埋深30～50 m，最大埋深75 m.沿線穿越地層依次為奧陶系下統(tǒng)湄潭組第一段(O1m1)砂質(zhì)頁(yè)巖為主，夾粉砂巖、灰?guī)r，第二段(O1m2)中厚層灰?guī)r夾粉砂巖，第三段(O1m3)砂質(zhì)頁(yè)巖夾粉砂巖，巖層產(chǎn)狀N54°W/SW∠12°，基巖強(qiáng)風(fēng)化深5～8 m，區(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造不發(fā)育，構(gòu)造以裂隙為主，主要發(fā)育有：①N75°E/NW∠80°，②N25°W/SW∠60°，③SN⊥，受裂隙切割，巖體較破碎，巖體強(qiáng)風(fēng)化帶完整性較差.洞身多處于碎屑巖地層內(nèi)，地下水主要為基巖裂隙水，發(fā)生巖溶涌水的可能性較小.

隧洞進(jìn)口閘井段多被第四系殘坡粘砂質(zhì)粘土層覆蓋，厚1.5 m左右，局部基礎(chǔ)出露，基巖巖性為O1m1砂質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖.閘井基礎(chǔ)在清除覆蓋層后置于O1m1強(qiáng)風(fēng)化層中下部相對(duì)完整巖體上，并對(duì)局部裂隙進(jìn)行適當(dāng)工程處理后，其承載力能滿足上部建筑物要求.

洞身段出露地層為O1m1～O1m3砂質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖、灰?guī)r等，洞身段位于弱至新鮮巖體中，巖體完整性總體較好.洞身段多為砂質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖等軟質(zhì)巖分布，多呈薄層狀分布，以Ⅳ類(lèi)圍巖為主.進(jìn)出口段裂隙發(fā)育，由層面與節(jié)理裂隙組合可能產(chǎn)生局部不穩(wěn)定塊體，局部巖體穩(wěn)定性較差，為Ⅴ類(lèi)圍巖.隧洞開(kāi)挖后，砂質(zhì)頁(yè)巖遇水易軟化，建議對(duì)隧洞進(jìn)行全斷面襯砌，且應(yīng)及時(shí)進(jìn)行封閉及支護(hù)處理[2].進(jìn)出口洞臉邊坡為巖質(zhì)邊坡，進(jìn)口邊坡為逆向邊坡，出口以斜向邊坡為主.邊坡結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡穩(wěn)定有利，但邊坡基礎(chǔ)多處于強(qiáng)風(fēng)化巖體，受裂隙切割，巖體較破碎，邊坡穩(wěn)定性較差.因此，進(jìn)出口洞臉需進(jìn)行鎖口襯砌后方可進(jìn)行洞挖，同時(shí)隧洞進(jìn)口段局部存在危巖體分布，應(yīng)進(jìn)行清除處理[3].

出口段基礎(chǔ)出露，基巖巖性為O1m3砂質(zhì)頁(yè)巖夾粉砂巖，引渠開(kāi)挖后將形成2～12 m巖質(zhì)邊坡.基巖邊坡以斜向坡為主，邊坡結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡有利，但邊坡多位于強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)，受裂隙切割，巖體較破碎，應(yīng)進(jìn)行支護(hù)處理.

3取放水隧洞建筑物布置方案設(shè)計(jì)

3.1取放水方案比選

根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件并結(jié)合輸水管線的布置，方案比選時(shí)設(shè)計(jì)推薦三種取放水方案，即：左岸單獨(dú)新建取水隧洞、改造利用導(dǎo)流隧洞成為有壓取水/放空隧洞(“龍?zhí)ь^”岸塔式取水口+有壓洞身+出口接取/放水管)、改造利用導(dǎo)流隧洞成為無(wú)壓取水/放空隧洞(“龍?zhí)ь^”岸塔式取水口+無(wú)壓洞身+洞內(nèi)穿取/放水管)的取放水方案.經(jīng)技術(shù)可靠性、經(jīng)濟(jì)合理性和施工便捷性等方面進(jìn)行綜合比較，優(yōu)選三種取放水建筑物布置方案進(jìn)行同精度設(shè)計(jì)，從布置、施工、工程投資等多方面進(jìn)行綜合對(duì)比分析，其比較成果(見(jiàn)表1).

表1　取放水建筑物技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較成果

從表1對(duì)比可知：新建有壓取水隧洞方案在布置上與其它樞紐建筑物分散布置，施工條件和工期上均有優(yōu)勢(shì)，但投資最大；利用導(dǎo)流隧洞改為無(wú)壓取放水方案，壓力管線增長(zhǎng)較多，投資較不經(jīng)濟(jì)，且進(jìn)口龍?zhí)ь^段及洞內(nèi)管道安裝的施工處理難度相對(duì)較大.利用導(dǎo)流隧洞改為有壓取放水較其他兩種方案：①投資上較經(jīng)濟(jì)；②雖該方案隧洞建筑物區(qū)為Ⅲ～Ⅳ類(lèi)圍巖，局部溶蝕段為Ⅴ，地質(zhì)條件不太好，但對(duì)其采取全斷面襯砌措施進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固處理后，能夠滿足工程安全穩(wěn)定性要求.同時(shí)，一洞三用方案在滿足工程要求的基礎(chǔ)上，能充分利用臨時(shí)建筑物.綜合必選后，設(shè)計(jì)推薦采用“改造利用導(dǎo)流隧洞成為有壓取水/放空隧洞”的一洞三用取放水方案.

3.2取放水隧洞建筑物整體布置

利用導(dǎo)流隧洞改為“一洞三用”，即利用臨時(shí)建筑物導(dǎo)流隧洞，將導(dǎo)流隧洞進(jìn)口采取“龍?zhí)ь^”改造成取放水隧洞進(jìn)口，通過(guò)豎向轉(zhuǎn)彎后至導(dǎo)流隧洞洞身(與導(dǎo)流隧洞共用)，導(dǎo)流隧洞出口改造后成為放空兼取水隧洞的“一洞三用”方案，該方案由取水口+“龍?zhí)ь^”改造段+有壓隧洞+放空和取水壓力管道組成.經(jīng)布置和計(jì)算，取放水隧洞總長(zhǎng)308.0 m，其中取水口閘井段長(zhǎng)6.60 m，首端壓力管道改造段長(zhǎng)7.90 m，與導(dǎo)流隧洞共用段長(zhǎng)282.8 m，出口放空閘室段長(zhǎng)10.0 m.DN800取水管由放空閘室首部豎向取水引至隧洞出口左側(cè)閘閥房，壓力鋼管段長(zhǎng)20 m.取水口設(shè)在導(dǎo)流隧洞進(jìn)口，采取有壓取水，取水口進(jìn)口設(shè)3.0 m×2.0 m的攔污柵1道和2.0 m×2.0 m的平板事故檢修閘門(mén)1扇，進(jìn)口閘井底板高程975.50 m，進(jìn)口段經(jīng)水平和豎向轉(zhuǎn)彎后(樁號(hào)取0+000.00～取0+014.50)接至導(dǎo)流隧洞內(nèi)，中段與導(dǎo)流隧洞共用(樁號(hào)取0+014.50～取0+297.30)，在導(dǎo)流隧洞出口左側(cè)采用φ800鋼管接至閘閥室，并在之前設(shè)φ400 mm生態(tài)兼灌溉放水管.導(dǎo)流洞出口改造后作水庫(kù)放空設(shè)施，出口設(shè)1.5 m×1.5 m(寬×高)的弧形工作閘門(mén)1道，出口底板高程958.14 m.

4取放水隧洞建筑物設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1隧洞建筑物水力計(jì)算

(1)水頭損失

根據(jù)武漢水利電力學(xué)院編《水力計(jì)算手冊(cè)》所列公式和參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，沿程水頭損失按曼寧公式計(jì)算.計(jì)算中鋼筋混凝土襯砌的糙率系數(shù)n=0.014，鋼管的糙率系數(shù)n=0.012.計(jì)算結(jié)果表明取水設(shè)施總水頭損失為0.28 m(見(jiàn)表2).

表2　取水設(shè)施水頭損失計(jì)算成果

(2)泄流能力計(jì)算

泄流能力是決定泄水建筑物尺寸大小的關(guān)鍵指標(biāo)，按照《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL279—2002)推薦公式進(jìn)行隧洞泄流能力計(jì)算[3]，即：

(1)

式中：A—出口處面積，m2；

μ—流量系數(shù)，計(jì)算隧洞沿程及局部水頭損失后，μ=0.431；

Hz—管道出口中心作用水頭，m.

經(jīng)計(jì)算，水庫(kù)水位處于死水位978.00 m，取水隧洞最大泄流流量(閘閥全開(kāi)工況時(shí)[3,5])Q=1.15 m3/s，遠(yuǎn)大于引用流量0.503 m3/s(其中供水流量0.436 m3/s，生態(tài)流量0.055 m3/s，灌溉流量0.012 m3/s)，設(shè)計(jì)建筑物尺寸結(jié)構(gòu)滿足要求.

(3)最小淹沒(méi)深度計(jì)算

運(yùn)用戈登公式計(jì)算進(jìn)水口最小淹沒(méi)水深[4-5]，即：

v=Q/A

(2)

式中：S—閘孔頂板高程以上最小淹沒(méi)水深，m；

c—進(jìn)水口形狀系數(shù)，取c=0.73；

v—閘孔斷面流速，計(jì)算得v=0.126m/s；

d—閘孔高度，d=2.0m.

4.2隧洞襯砌計(jì)算

取水兼放空隧洞采用鋼筋混凝土襯砌，鋼筋混凝土襯砌段長(zhǎng)度為290 m，側(cè)墻和頂拱C20F50W6混凝土襯砌厚50 cm，底板C20F50W6砼襯砌厚30 cm，襯砌后尺寸3.5 m×4.5 m.襯砌按限裂要求設(shè)計(jì)，采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院編制的《理正水工隧洞襯砌計(jì)算軟件》進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算及配筋計(jì)算，并結(jié)合水工隧洞的洞型和荷載特點(diǎn)，以計(jì)算水工隧洞襯砌在各主動(dòng)荷載及其組合作用下的內(nèi)力、位移及抗力分布[6].計(jì)算工況分四種，即：

工況1(基本荷載組合)——正常運(yùn)行工況：荷載組合為圍巖壓力+襯砌自重+設(shè)計(jì)洪水時(shí)的內(nèi)水壓力+外水壓力，允許裂縫寬度為0.25 mm；

工況2(特殊荷載組合)——檢修工況：荷載組合為圍巖壓力+襯砌自重+可能出現(xiàn)的最大外水壓力，允許裂縫寬度為0.30 mm；

工況3(特殊荷載組合)——施工工況：荷載組合為圍巖壓力+灌漿壓力+襯砌自重+溫度應(yīng)力+可能出現(xiàn)的最大外水壓力，允許裂縫寬度為0.30 mm；

工況4(特殊荷載組合)——非常運(yùn)行工況：荷載組合為圍巖壓力+襯砌自重+最大水擊壓力+校核洪水時(shí)的內(nèi)水壓力+外水壓力，允許裂縫寬度為0.30 mm.

(1)基本參數(shù)

襯砌容重，γ=25kN/m3；混凝土彈性模量，Eh=2.55×104N/mm2；C20混凝土抗壓極限強(qiáng)度，fc=9.6N/mm2；環(huán)向筋及縱向筋均按Ⅱ級(jí)鋼筋考慮，fy=300N/mm2.隧洞洞身段的圍巖類(lèi)別主要為Ⅲ～Ⅳ類(lèi)圍巖，局部溶蝕段為Ⅴ，進(jìn)出口段為Ⅳ類(lèi)圍巖.巖石堅(jiān)固系數(shù)f=1～4，彈性抗力系數(shù)K0=1～20MPa·cm-1.隧洞襯砌裂縫寬度計(jì)算成果(見(jiàn)表3).

表3　隧洞襯砌裂縫寬度計(jì)算

從表1可知，經(jīng)隧洞襯砌裂縫寬度計(jì)算復(fù)核，在各種運(yùn)行工況下計(jì)算裂縫寬度均小于規(guī)范限裂要求.

4.3放空隧洞出口閘室穩(wěn)定計(jì)算

出口工作閘室總長(zhǎng)10.7 m，寬5.5 m，總基底面積58.85 m2，閘墩高8.4 m，厚1.4～2.0 m，基礎(chǔ)坐落于O1m3砂質(zhì)頁(yè)巖夾粉砂巖上.

(1)抗滑穩(wěn)定計(jì)算

放空隧洞出口閘室受到鉛直力和水平力的共同作用下，要求沿閘室底面的抗滑力必須大于作用在閘室結(jié)構(gòu)水平向的滑動(dòng)力，并有一定的安全系數(shù)[7]，即：

(3)

f′、C′—建基面的抗剪斷摩擦系數(shù)、粘結(jié)力,分別采用0.43和0.20；

∑W、∑P—分別為建基面上作用力的法向分量總和和切向分量總和；

A—建基面面積.

放空隧洞出口閘室抗滑穩(wěn)定計(jì)算荷載組合分為基本組合和特殊組合：

基本組合1：設(shè)計(jì)洪水位+自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+雪荷載+風(fēng)壓力+活荷載；

基本組合2：正常蓄水位+自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+雪荷載+風(fēng)壓力+活荷載；

特殊組合1：施工期擋水+自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+雪荷載+風(fēng)壓力+活荷載；

特殊組合2：校核洪水位+自重+靜水壓力+活荷載；

經(jīng)計(jì)算，放空隧洞出口閘室抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果(見(jiàn)表4).

表4　抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

由表4可知，基本組合工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：設(shè)計(jì)洪水位條件下為3.15，正常蓄水位條件下為3.27；特殊組合工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：施工期擋水條件下為2.83，校核洪水位條件下為2.77.基本組合和特殊組合工況下，出口閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范技術(shù)指標(biāo)，抗滑穩(wěn)定性較好.

(2)抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算

為確保隧道閘室具有較高的安全可靠性，需要復(fù)核垂直于閘室基礎(chǔ)的抗傾覆穩(wěn)定性，即：

(4)

式中：K0—抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑Ms—建基面上穩(wěn)定力矩總和；

∑M0—建基面上傾覆力矩總和.

放空隧洞出口閘室抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算荷載組合同上.經(jīng)計(jì)算，放空隧洞出口閘室抗傾穩(wěn)定計(jì)算成果(見(jiàn)表5).

表5　抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算成果

由表5可知，基本組合工況下抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為：設(shè)計(jì)洪水位條件下為1.36，正常蓄水位條件下為1.42；特殊組合工況下抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為：施工期擋水條件下為1.26，校核洪水位條件下為1.18.基本組合和特殊組合工況下，出口閘室抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范技術(shù)指標(biāo)，抗傾覆穩(wěn)定性較好.

(3)抗浮穩(wěn)定計(jì)算

為了評(píng)價(jià)放空隧洞出口閘室抗浮力抗拔穩(wěn)定性[8]，進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性計(jì)算，即：

(5)

式中：Kf—抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑V—建基面上垂直力總和(不含設(shè)備重量)；

∑U—建基面上揚(yáng)壓力總和.

放空隧洞出口閘室抗浮穩(wěn)定計(jì)算荷載組合同上.經(jīng)計(jì)算，放空隧洞出口閘室抗浮穩(wěn)定計(jì)算成果(見(jiàn)表6).

表6　抗浮穩(wěn)定計(jì)算成果

由表6可知，基本組合工況下抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為：設(shè)計(jì)洪水位條件下為1.38，正常蓄水位條件下為1.49；特殊組合工況下抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為：施工期擋水條件下為1.33，校核洪水位條件下為1.24.基本組合和特殊組合工況下，出口閘室抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范技術(shù)指標(biāo)，抗浮穩(wěn)定性較好.

5結(jié)論

下壩水庫(kù)屬峽谷型水庫(kù)，工程區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，受裂隙切割巖體較破碎，巖體強(qiáng)風(fēng)化帶完整性較差.為確保隧洞建筑物具有較高安全穩(wěn)定性，提高項(xiàng)目投資經(jīng)濟(jì)效益，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了方案比選及設(shè)計(jì)優(yōu)化，減少了施工難度和工程占地，重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面.

(1)取放水隧洞工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，邊坡穩(wěn)定性較差,易形成滑坡、崩塌、偏壓、泥石流等問(wèn)題，經(jīng)隧洞進(jìn)口段危巖體清除、洞身全斷面襯砌、出口段破碎巖體支護(hù)等處理，可滿足工程安全穩(wěn)定要求.

(2)從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行綜合比較，并充分考慮工程區(qū)地形地質(zhì)、大壩樞紐布置、施工臨時(shí)建筑物及取放水隧洞平順連接等條件，優(yōu)選具有布置緊湊合理、易于施工和工程量小等優(yōu)點(diǎn)的“利用導(dǎo)流隧洞改為有壓取水/放空隧洞”的一洞三用取放水方案.

(3)取放水隧洞整體由取水口+“龍?zhí)ь^”改造段+有壓隧洞+放空和取水壓力管道組成，取水口設(shè)在導(dǎo)流隧洞進(jìn)口，采取有壓取水；導(dǎo)流隧洞出口左側(cè)采用φ800鋼管接至閘閥室，并在設(shè)φ400 mm生態(tài)兼灌溉放水管.

(4)水力計(jì)算、隧洞襯砌計(jì)算及出口閘室穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表明:隧洞水頭損失較小，泄流能力和最小淹沒(méi)深度滿足要求.各種運(yùn)行工況下的裂縫寬度，抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定和抗浮穩(wěn)定等安全系數(shù)，均滿足規(guī)范要求.

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Optimization Design of Water Intake and Drainage Tunnel in Xiaba Reservoir

ZHANG Dan1, LI Wei2

(1.Zunyi Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower, Zunyi 563000, China;2.Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China)

Abstract:The complex conditions of topography and geological characteristics of Xiaba Reservoir are introduced, including the mass fractured rock by fissures cutting and the poor integrity of strong weathering zone, which is easy to form landslides, avalanches, bias and other problems. Combined with the site reconnaissance and SL386-2007, SL279-2002 and other standards for the hydraulic tunnel building design, and considering the project land covering, the construction difficulties, the engineering investment and the other factors, the water intake and drainage scheme of diversion tunnel reconstruction as the pressurized water intake / drain tunnel has been optimal chosen, which can realize three function by one tunnel. From the hydraulic calculation, the tunnel lining calculation, the stress stability check and others analysis, the results showed that the structure, flow capacity, crack width and stress stability of the tunnel buildings can meet the standards and the optimization design scheme has high technical feasibility and economic rationality.

Key words:Xiaba reservoir; diversion tunnel building; water intake and drainage; stability check

中圖分類(lèi)號(hào)：TV512

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-536X(2016)02-0032-05

作者簡(jiǎn)介：張丹(1987-)，女，貴州遵義人，助理工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作.

收稿日期：2015-09-12