鄭 洪，詹雙橋，左全裕，姜伯樂，周自力

（1.湖南省水利水電勘測設計規(guī)劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410007；2.永州市住房和城鄉(xiāng)建設局，湖南 永州 425000；3.長江科學院，湖北 武漢 430010）

1 工程概況

涔天河水庫擴建工程位于湖南省永州市江華瑤族自治縣境內(nèi)的湘江支流瀟水上游峽谷出口處，下距江華縣城12 km。工程開發(fā)的主要任務是灌溉、防洪、下游補水和發(fā)電，兼顧航運等綜合利用，水庫總庫容15.1億m3，防洪庫容2.5億m3，水庫正常蓄水位313 m，電站裝機容量200 MW，灌溉面積111.46萬畝。

涔天河水庫擴建工程為一等大（Ⅰ）型水利水電樞紐工程，大壩、泄洪建筑物等為1級建筑物，電站廠房為3級建筑物，導流洞為4級建筑物。

大壩為混凝土面板堆石壩，采用兩條高速水流泄洪洞宣泄洪水，其中2#泄洪洞為表孔溢流明流隧洞，采用“龍?zhí)ь^”布置形式與導流洞結(jié)合；1#泄洪洞為深孔短管有壓明流隧洞。

2 原設計方案

根據(jù)涔天河水庫工程地形地質(zhì)條件及擋水建筑物類型，泄水建筑物采用泄洪隧洞布置形式。經(jīng)過多方案比較論證，共設置兩條泄水隧洞，分別為1#泄洪洞和2#泄洪洞，均布置于大壩右岸山體內(nèi)，并采用進水口高低搭配的布置形式以滿足本工程各工況下泄水要求。

1#泄洪洞為有壓短管進口，其后接明流洞洞身。進口距老壩右壩頭近70 m，洞軸線采用直線布置。原設計方案全長678 m，其中洞身長573 m。洞身斷面型式為“城門洞”形，凈寬10 m、凈高12 m，立面采用直線布置，起點高程260.0 m，終點底板高程224.5 m。樁號0+000～0+573 m全線直線布置、一坡到底，設計縱坡6.2%，落差35.5 m，洞內(nèi)設置8道摻氣坎槽。進口有壓短管出流最大流速約28 m/s，出口挑流鼻坎前最大流速超過33 m/s，全洞大部分洞段流速大于30 m/s，屬高速水流隧洞，抗空蝕要求高。

3 方案優(yōu)化緣由

工程開工建設后，有關(guān)科研單位進行了泄洪洞減壓模型試驗，試驗成果表明，在原設計6.2%的洞身縱坡下，原有摻氣體型效果很差，雖然通過減壓模型試驗重新選定的摻氣坎體型一定程度上可以緩解原設計摻氣坎效果差的問題，但該摻氣坎體型復雜，施工難度較大，施工控制不到位有可能形成新的空化源，給工程安全帶來隱患。另一方面，該摻氣坎要形成穩(wěn)定空腔并控制水面線不超過洞身直墻，摻氣坎上下游要調(diào)整隧洞縱坡并進行洞身擴挖，洞身斷面太多變化，給洞身開挖即襯砌施工帶來非常大的難度。

基于高速水流摻氣減蝕、施工難度、工程進度及運行安全等多方面因素的考慮，提出對泄洪洞布置及相關(guān)的結(jié)構(gòu)設計進行優(yōu)化調(diào)整。

4 深孔明流泄洪洞設計

通過理論計算分析、工程類比及模型試驗，結(jié)合泄洪洞出口挑流鼻坎布置，并考慮隧洞地質(zhì)條件、摻氣坎保護范圍等因素，選定上平洞段3.5%縱坡和龍落尾段20%的布置方案，并根據(jù)摻氣水深需要調(diào)整洞身高度，出口挑流鼻坎結(jié)構(gòu)布置相應調(diào)整。

4.1 結(jié)構(gòu)布置

4.1.1 洞軸線布置

1#洞布置在右岸山體內(nèi)。進口地形坡度40°，巖性為石英砂巖與泥質(zhì)粉砂巖互層，走向與洞軸線斜交；洞身從進口至出口依次穿過F88、F27、F1、F105等斷層，斷層走向與洞軸近于正交或大角度斜交，圍巖大多呈微～新鮮狀態(tài)，斷層部位為Ⅴ類圍巖，其余為Ⅲ～Ⅳ類圍巖，穩(wěn)定性較好；隧洞出口洞臉為順向坡，再加上3組節(jié)理的切割組合，對邊坡構(gòu)成不穩(wěn)定體，出口洞臉邊坡穩(wěn)定較差。

1#洞進水口為前段有壓短管，弧形閘門后接明流洞洞身。進口距老壩右壩頭近70 m，洞軸線采用直線布置，0+000.0～0+515.0 m縱坡3.5%，0+515.0 m至隧洞出口縱坡20%，后接反弧及挑坎，坎后設護坦。1#泄洪洞全長664.48 m。

4.1.2 進口段（0-043～0+000 m）

進水口采用有壓短管進口形式，底板高程260.0 m，由進水喇叭口、閘槽段、壓板段及弧門段組成，進口段全長43 m；進水塔頂部高程324 m，有交通橋連接壩區(qū)公路。進水口為整體式現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，邊墻4.5 m厚、底板4 m厚。

喇叭口段全長10.8 m，底板高程260 m，頂部高程273.2 m。平面尺寸由15.4 m漸變?yōu)?0 m，立面尺寸由13.13 m漸變?yōu)?0 m。喇叭進水口兩側(cè)、頂板皆為橢圓曲線，側(cè)面曲線：X2/8.12+Y2/2.72=1，頂板曲線X2/82+Y2/2.672=1。

閘槽段長3.0 m，1孔10 m×10 m孔口，設平板檢修門，固定卷揚機啟閉。壓板段長10 m，頂部壓板斜率1∶5，出口為1孔10 m×8 m孔口。壓板段與洞身段由弧門控制段連接，壓板段長19.4 m，壓板段出口處設1孔10 m×8 m弧形工作閘門，液壓啟閉機啟閉，啟閉臺高程286.6 m，弧門啟閉液壓泵房布置于EL324.0 m以下兩閘墩之間，該部位還布置有壩區(qū)配電間。工作弧門操作區(qū)與進水塔頂部設有混凝土樓梯連接。

0-035.0～0-008.5 m之間布置有檢修門槽、工作弧門槽、短管壓板段等，該范圍閘室設置鋼襯板，鋼襯長度26.5 m，重點對檢修門槽及戶型工作門附近易于空蝕的區(qū)域進行保護。

4.1.3 洞身段（0+000～0+580 m）

1）洞身縱坡。通過長江水科院1#泄洪洞空化試驗及摻氣減蝕試驗研究與優(yōu)化，結(jié)合泄洪洞出口挑流鼻坎布置，并考慮隧洞地質(zhì)條件、摻氣坎保護范圍等因素，選定上平洞段3.5%縱坡和龍落尾段20%的布置形式，陡坡段通過反弧曲線與挑流鼻坎相接。

2）洞斷面尺寸。1#泄洪洞上平洞（起點至摻氣坎之間）長515 m，斷面尺寸為10 m×13.2 m（寬×高），直墻高度10.5 m,頂拱角度113.5°。龍落尾段水深受摻氣坎影響，不能通過計算確定洞身高度，根據(jù)摻氣坎單體模型試驗確定洞身高度16.2 m，直墻高度13.5 m,頂拱角度113.5°，洞身寬度10 m不變。洞身混凝土襯砌每12 m分一伸縮縫，不留縫寬，縫間紫銅片止水。

3）洞身襯砌。泄洪洞內(nèi)最大流速位于隧洞末端，接近32.0 m3/s，抗沖耐磨要求較高，參照國內(nèi)外近年來已設計、施工及運行的同類工程所總結(jié)的經(jīng)驗，結(jié)合本工程特點，隧洞底板面層采用60 cm厚C40HF抗沖耐磨混凝土、下層為C25混凝土，側(cè)墻采用C40混凝土襯砌，襯砌厚度根據(jù)圍巖類型計算選定。Ⅲ類圍巖襯砌底板厚度0.8 m、側(cè)墻厚度0.6 m；IV、Ⅴ類圍巖襯砌底板厚度1.5 m、側(cè)墻及頂拱厚度1.2 m。

4）摻氣坎布置及體型。經(jīng)過長江水科院單體模型試驗驗證及優(yōu)化，緩坡段末端0+518 m處設置一道摻氣坎，坎底高程239.5 m，坎頂中心高程241.61 m，坎后接20%縱坡。為了進一步增加水舌挑距，摻氣坎采用翼型挑坎形式，挑角10%，翼型坎可以增大兩側(cè)水舌的挑距，從而減少進入空腔內(nèi)的回水，形成較穩(wěn)定的空腔，通氣孔尺寸2 m×1.6 m。

4.1.4 出口明渠段（0+580～0+634.5 m）

出口明渠段全長54.5 m，包括32.5 m明渠擴散段和22 m挑流鼻坎段。

1）明渠段。明渠段為矩形槽身結(jié)構(gòu)，底寬由10 m漸變?yōu)?2.06 m，底板高程228 m、側(cè)墻頂部高程242.0 m，底板與側(cè)墻為整體澆筑，側(cè)墻頂寬2.5 m。底板面層為60 cm厚C40HF抗沖耐磨混凝土，底板下層及側(cè)墻為C25現(xiàn)澆混凝土。

2）鼻坎段。試驗模型先后進行了無坎方案、直斜坎方案、圓斜坎方案、圓正坎方案、圓弧化直斜坎等多個不同體型的挑坎試驗，經(jīng)過不斷的試驗摸索，選定圓弧化直斜坎作為推薦挑坎。鼻坎布置簡述如下：鼻坎上游明渠底高程228.0 m，左導墻直線布置，墻頂高程242.0～243.5 m，左導墻末端樁號0+621.48 m；右導墻向右側(cè)擴散9.5°，墻頂高程242.0～246.0 m，右導墻末端樁號0+634.50 m；鼻坎在平面上斜向布置，左低右高，明渠底板末端通過反弧與1∶1的斜坡形成鼻坎，鼻坎左側(cè)設1∶0.5的貼塊，貼塊頂高程235.0 m，鼻坎右側(cè)設1∶1.5的貼塊，貼塊頂高程235.5m。鼻坎頂高程230.66～231.69m。

3）出口護坦段（0+621.48～0+666.5 m）。經(jīng)水工模型試驗驗證，1#泄洪洞在宣泄小流量時，出坎水流跌落在挑坎下游，對消能工基礎(chǔ)形成淘刷，因此，在挑坎下游設置39 m長現(xiàn)澆混凝土護坦，混凝土護坦末端設置6 m長格賓墊保護，現(xiàn)澆混凝土護坦頂高程220.0 m，厚度1.15 m，格賓墊厚度1 m。

4）下游防護。由于1#泄洪洞采用“龍落尾”布置方案，主要能量集中到尾部；另一方面，出口挑流鼻坎位置及體型的改變，1#泄洪洞泄洪沖坑向右岸偏移，1#泄洪洞出口至2#泄洪洞鼻坎之間右岸岸坡沖刷加劇。補充整體模型試驗結(jié)果表明，選定鼻坎方案下游河床右側(cè)固體邊界淘刷相對較嚴重，主流歸槽情況好，沖坑上游坡比、左側(cè)坡比各項指示滿足沖坑穩(wěn)定要求，2#滑坡體受水舌沖刷影響較小。根據(jù)模型試驗沖坑發(fā)展范圍，在放空洞出口至2#泄洪洞出口明渠左側(cè)墻之間增設了一排鉆孔灌注樁護壁，利用鋼筋混凝土灌注樁穩(wěn)定固體邊界，抑制沖坑進一步向右岸發(fā)展。護壁樁直徑1.2 m，中心間距1.5 m，樁長13～18 m，共計57根。護壁樁樁頂高程218.85 m，樁頂設置混凝土擋墻和雷諾護墊組成的護坡結(jié)構(gòu)進行防沖保護。

4.2 基礎(chǔ)處理

4.2.1 上平洞段

上平洞段Ⅳ、Ⅴ類圍巖段頂拱固結(jié)灌漿，排距3 m，每排4孔或5孔，深入基巖6 m或3 m，呈梅花形布置，固結(jié)灌漿壓力（0.3～0.5）MPa，灌漿壓力最終應通過現(xiàn)場灌漿試驗確定，灌漿材料采用純水泥漿材灌注。

上平洞全線頂拱范圍內(nèi)進行回填灌漿，灌漿孔排距3 m，每排4孔和5孔相間布置，灌漿壓力0.2 MPa，灌漿孔深入圍巖0.1 m。

4.2.2 “龍落尾”洞段

為了增強1#泄洪洞“龍落尾”洞段圍巖整體性，抑制硐室側(cè)壁進一步變形，對“龍落尾”洞段側(cè)壁圍巖及底板進行固結(jié)灌漿，具體措施如下：

1）側(cè)壁無蓋重灌漿。0+522.5～0+570.5 m段已形成的左右側(cè)壁設置3排固結(jié)灌漿孔，固灌孔間距3 m，孔深10～15 m，按水平布置，方位角與錨筋樁方位角相同；采用孔口封閉，孔內(nèi)循環(huán)灌漿工藝，分兩序施工；灌漿壓力（0.1～0.3）MPa。

2）側(cè)壁及底板超前灌漿。0+518.5～0+578.5 m段左右側(cè)壁及底板各布置5排固結(jié)灌漿孔，共315孔，固灌孔間距3 m；側(cè)壁固結(jié)灌漿范圍為開挖面以外10 m，灌漿深度6.8～13 m；灌漿壓力（0.5～1.5）MPa。

4.3 初期支護

1）洞內(nèi)錨噴支護。據(jù)地質(zhì)資料，1#泄洪洞、2#泄洪洞沿線為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖，且斷層、軟弱夾層等結(jié)構(gòu)發(fā)育。1#泄洪洞平洞段洞身凈尺寸10 m×13.2 m，開挖洞徑10m＜D＜15m，“龍落尾”段洞身凈尺寸10m×16.2m，開挖洞徑D＞15m；2#泄洪洞“龍?zhí)ь^”段洞身凈尺寸從18 m×12.5 m漸變至12 m×12.5 m，根據(jù)《水工隧洞設計規(guī)范》（DL/T 5195-2004）有關(guān)規(guī)定，隧洞初期支護采用噴錨支護，支護參數(shù)按規(guī)范附錄F選用。Ⅲ類圍巖洞段頂拱結(jié)合永久支護掛Φ6.5@200鋼筋網(wǎng)、噴10 cm厚C20混凝土，布置Φ25系統(tǒng)砂漿錨桿，錨桿長4.5 m、間距2 m、梅花形布置；Ⅳ、Ⅴ類圍巖頂拱及邊墻掛Φ6.5@200鋼筋網(wǎng)、噴20 cm厚C20混凝土，布置Φ25系統(tǒng)砂漿錨桿，錨桿長4.5 m、間距1.5 m、梅花形布置。Ⅳ、Ⅴ類圍巖根據(jù)地質(zhì)情況，必要時設置鋼拱架或格柵拱架。

2）泄洪洞出口強支護。出口地形較陡，洞軸線與地形斜交，巖層走向與洞線夾角42°。巖體呈強風化狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，完整性差，通過坡面的斷層主要有F106、F244、F6、F245、F243和F231等6條，且節(jié)理裂隙發(fā)育。根據(jù)主要結(jié)構(gòu)面赤平投影分析，洞臉邊坡存在受層面控制的不穩(wěn)定組合體；右側(cè)邊坡為順向坡，風化較深，受節(jié)理裂隙、斷層切割后，存在較為突出順層滑動問題，因此隧洞出口應盡量避免大開挖，進洞前采用長管棚強支護進洞方案，管棚長度70 m，分兩個循環(huán)實施，頂拱120°范圍內(nèi)設39根直徑108 mm、間距40 cm的大管棚。

4.4 水力設計

4.4.1 泄流能力

式中 Q——下泄流量（m3/s）；

μ——短管有壓段的流量系數(shù)；

e、B——分別為閘孔開啟高度和水流收縮斷面的底寬（m）；

ε——收縮系數(shù)；

H——由有壓短管出口的閘孔底板高程算起的上游庫水深（m）。

2）試驗泄流能力與計算泄流能力比較。試驗泄流能力和計算泄流能力對比分析發(fā)現(xiàn)，庫水位301 m以上時，1#泄洪洞試驗泄流能力較計算泄流能力普遍增大，增大幅度1.66%～2.71%，計算流量系數(shù)0.876，試驗流量系數(shù)0.89～0.9，對比情況見表1。鑒于此，將1#泄洪洞計算泄流能力進行適當修正加大利用修正后的泄流曲線進行調(diào)洪演算確定水庫特征水位。

表1 試驗泄流能力與計算泄流能力比較表（1#泄洪洞）

3）設計采用泄流能力。根據(jù)對比分析，1#泄洪洞泄流能力計算流量系數(shù)采用μ=0.895，后續(xù)設計采用修正后的泄流曲線。推薦泄流能力計算成果見表2。

表2 推薦泄流能力計算成果表（1#泄洪洞）

4.4.2 水面線計算

1）計算公式

①計算清水深h

②計算摻氣水深h a（霍爾經(jīng)驗公式）

其中K是與摻氣量有關(guān)的常數(shù)——槽壁材料系數(shù)，K=0.006；

2）計算成果。計算成果見表3。

由表3可知，1#泄洪洞在宣泄校核流量，由“理論計算清水深”推求的摻氣水面線以上空間占斷面總面積的24%～43%，由理論計算清水深計算的摻氣水面線以上空間占斷面總面積的28%～51%，凈空面積均超過斷面面積的20%，且水面沒有超過直墻，滿足規(guī)范要求；計算成果表明，模型試驗實測水面線與理論計算水面線在大部分洞段比較接近，局部洞段略有差異，設計泄洪洞斷面尺寸可以同時滿足理論計算和模型試驗的要求，設計斷面尺寸經(jīng)濟合理。

表3 泄洪洞水面線計算成果表

4.4.3 流速分布及防空蝕措施

1）流速分布。校核水位320.27 m時，1#泄洪洞宣泄最大下泄量為Q=2308 m3/s，其流速分布見表4。

表4 下泄最大流量時流速分布表（Q=2 308 m3/s）

2）防空蝕措施。計算結(jié)果表明，泄洪洞在宣泄校核洪量時，洞身沿線流速較大，1#泄洪洞全線流速在28 m/s以上，最大流速出現(xiàn)在隧洞末端，達31.88 m/s。根據(jù)《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5207-2005）有關(guān)要求，本工程泄洪洞應有必要的防空蝕措施：

①選取合理的泄水建筑物體型以提高水流空化數(shù)，通過水工模型試驗和減壓模型試驗，選定合適本工程的摻氣體型及布置位置。1#洞摻氣坎布置在“龍落尾”洞段起始部位（樁號0+518 m）。

②采用合適的抗沖磨護面材料或高性能混凝土襯砌，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，結(jié)合本工程特點，泄洪洞襯砌采用高性能混凝土，底板C40HF混凝土，側(cè)墻C40混凝土。

③嚴格控制襯砌表面不平整度，不平整部位高差控制在3 mm以內(nèi)，凸起進行打磨，縱向坡度控制在1∶40，橫向坡度控制在1∶30。抗沖磨混凝土澆筑后，應及時保溫保濕，防止開裂。