劉家峽電站排沙洞巖塞進水口結構設計

姜宏軍，田建海

（華東勘測設計研究院，浙江 杭州 310014）

1 工程概況

劉家峽水電站大壩上游1.5km處右岸有一支流—洮河匯入該水庫。洮河的特點是水少沙多，據統計，多年平均入庫水量僅占該水庫總入庫水量的8%，多年平均入庫沙量占總入庫沙量的31%，該河段死庫容已于1987年淤滿，此后來沙淤積電站有效庫容，且大量推移到壩前，使機組磨損嚴重，嚴重影響電站的正常運行。因此考慮在洮河入河口處的黃河左岸新布置一排沙洞，直接攔截該支流及黃河上游的來沙，排沙洞進水口擬采用水下巖塞爆破方案。排沙洞后期兼作新增機組的引水洞。

2 巖塞進水口位置選擇

巖塞進水口位置的確定主要考慮以下五方面：（1）巖塞進水口處地形應規整，無洼坑、洞穴等復雜地形，邊坡以45°為宜，不宜太陡或太緩。（2）巖塞進水口處巖性應單一，無較大斷層破碎帶，巖石完整性好，風化較輕，透水性小。（3）根據排沙洞整體布置，進水口位置宜在攔河壩上游2.0km范圍內的左岸選擇。（4）排沙洞需考慮排洮河來沙，因此排沙洞進水口位置只能在洮河河口處與攔河壩間選擇。（5）巖塞爆破對原有建筑物的影響應盡可能小，要求巖塞進水口位置應盡可能遠離攔河壩等重要建筑物。綜合考慮，確定巖塞進水口位置在洮河河口處的黃河左岸。

3 巖塞進水口地形 地質情況

排沙洞巖塞進水口段位于黃河左岸一緩突向水庫的山體內，山體向上游延伸較厚、較緩，向下游延伸較薄、較陡。

巖塞進水口段的巖石主要以云母石英片巖為主，局部夾有花崗巖脈或石英巖脈，其中花崗巖脈多沿層面侵入，呈眼珠狀；石英巖脈多充填在裂隙縫隙中，厚度小，呈條帶狀。

4 巖塞進水口設計

巖塞進水口段從前至后分為巖塞體、鎖口段、高邊墻段和集渣坑段4部分，長約75m。

4.1 巖塞體體型設計

（1）巖塞體高程。巖塞體高程的確定主要考慮以下三方面：巖塞爆破時應對邊坡F7上盤不穩定體的影響較小，使之控制在Ⅷ度地震以下，要求巖塞體高程盡可能低；為加大淤泥層的排沙漏斗尺寸，以利于沉沙、排沙，要求巖塞進水口高程盡可能低；巖塞進水口高程越低，巖塞爆破難度越大。

綜合考慮確定巖塞體底高程為1653.52m，淤泥層排沙漏斗順河向開口約240m，橫河向開口約140m，厚約36m。

（2）巖塞直徑。排沙設計流量為600m3/s，巖塞體以云母石英片巖為主，石英巖的抗沖流速為15～22m/s，為安全考慮，取抗沖流速為 10m/s，流量保證系數K取1.2，根據巖塞進口斷面計算經驗公式計算所需的設計斷面面積F：

式中 K=1.2～1.5；V—流速；Q—流量。

通過計算，巖塞體所需斷面面積為72m2，選擇巖塞體直徑為10m。根據排沙效果水工模型試驗，證明該布置滿足設計要求。

（3）巖塞軸線的傾角。根據實踐經驗，巖塞爆破后洞口以上的破裂線均比理論計算值大，洞臉可能發生局部塌方，爆破漏斗口以外的不穩定巖塊滯后于爆破漏斗口以內巖渣的爆落，以滑坡的形式下滑。為防止下滑的巖塊堆積在巖塞段，巖塞軸線的傾角必須大于水下巖塊的堆積安息角，水下巖塊的堆積安息角一般為40°左右。該工程的巖塞進水口處地面坡度約為45°，為使巖塞厚度均勻、下滑的巖塊不能堆積在巖塞段處，巖塞軸線傾角取與地面坡度垂直為45°。

（4）巖塞厚度。巖塞厚度主要取決于地質條件和巖塞爆破方法，其次與巖塞的直徑、傾角的大小、外水壓力的大小以及滲漏情況等因素有關。

根據國內外已建工程經驗，巖塞厚度與巖塞直徑之比在1.0～1.5之間，當采用洞室爆破或上游水深較大時，其比值宜取較大值。由于該工程水庫正常蓄水位為1735.00m，并且巖塞進水口處還有36m厚的淤泥層，增加了巖塞的壓重。考慮地質情況，取巖塞厚徑比為1.26，采用三維非線性有限元計算程序—ANSYS計算，計算模型采用二維模型模擬三維模型，計算結果表明巖塞體是穩定的。

4.2 集渣坑體型設計

（1）集渣坑型式選擇。該工程為排沙洞工程，但后期利用該洞擴機，因此為減少巖塞爆破后巖渣對隧洞的磨損，避免大量石渣泄入下游河道抬高電站尾水位而影響發電，需在巖塞體后布置集渣坑。

集渣坑型式主要有靴形和長方形，實踐證明：靴形集渣坑有利于爆破時集渣及機組發電運行期間渣坑內巖渣的穩定，因此該工程選用靴形集渣坑。

（2）集渣坑體型設計。根據巖塞體形設計，巖塞體的自然方量2718m3，考慮爆破時不確定因素的影響，取擴大系數1.1，石渣的松散系數取1.4，渣坑利用系數取0.7，則渣坑容積為5980m3。

靴形集渣坑斷面按城門洞形設計，集渣坑長40m，寬10m，頂拱半徑為5.0m的半圓形，高度由15.78m降至12.5m。

4.3 巖塞進水口段結構設計

（1）巖塞進水口段工程布置。巖塞體位于進水口段的最前端，與水平呈45°夾角，巖塞厚12.6m，內徑10.0m巖塞體底高程為1653.52m，樁號為0～149.52m。巖塞體后接長3.0m，內徑10m，鋼筋混凝土襯砌厚1.2m的圓形鎖口段。鎖口段后為與積碴坑段連接的高邊墻段，此段頂拱為R=5.0m的半圓形，底部由半圓形漸變為方形，兩側邊墻最高為25m，由于此段受巖塞爆破影響較大，因此四周均采用1.2m厚的鋼筋混凝土襯砌；為使排沙及發電水流平順，此段的頂拱沿縱向采用一R=7.0m、圓心角為57°03′52″的圓弧將鎖口段與高邊墻段連接。高邊墻段后為40m長的集渣坑段，集渣坑段底部為靴形集渣坑，集碴坑底高程為1625.50m，頂拱及邊墻采用1.0m厚的鋼筋混凝土襯砌；上部為排沙洞，排沙洞內徑10m、鋼筋混凝土襯砌厚1.0m、底坡為i=0.214的反坡，延伸至事故閘門井前漸變段，排沙洞與集碴坑間的巖體厚度在2.5～14m之間。經ANSYS程序計算，在開挖后巖石是穩定的。集渣坑段與事故閘門井前漸變段間的排沙洞受巖塞爆破影響較小，因此襯砌厚度采用0.5m。

此集碴坑形狀經水工模型實驗，集碴效果比較理想，集碴率達到70%以上，滿足設計要求。

（2）巖塞進水口段結構設計。

①襯砌材料。黃河來水夾沙量大，水庫淤積嚴重，排沙洞在排沙運行條件下，流速為7.64m/s，排沙水流的含沙量遠大于2kg/m3，從爆破泄碴及運行排沙兩種工況考慮，襯砌需用高強混凝土，參照《水工混凝土抗沖磨防空蝕技術規范》（送審稿）及其它工程實例，確定排沙洞襯砌混凝土采用C50的高強硅粉混凝土。

由于巖塞爆破以后水流夾帶大部分石碴迅速涌入集碴坑，短時間內占滿整個集碴坑，以后集碴坑洞壁不再受到沖刷干擾，故集碴坑襯砌混凝土采用C20的普通混凝土。

②荷載。山巖壓力和襯砌結構自重。進水口段圍巖為Ⅰ～Ⅱ類圍巖，巖石容重為28kN/m3。由于此段結構在巖塞爆破后沒有維護條件，因此為安全考慮，在鎖口段與高邊墻段間的山巖壓力按其上部25m高的巖體受爆破沖擊波影響全部塌落進行設計；集渣坑段的山巖壓力按0.3倍開挖跨度的塌落拱計。鋼筋混凝土襯砌的結構自重按照容重為25kN/m3考慮。

內水壓力與外水壓力。內水壓力按照庫水位為正常蓄水位1735.0m考慮。根據地勘資料進水口段地下水位與庫水位基本一致，因此外水壓力按照庫水位為正常蓄水位1735.0m時乘以0.9的外水折減系數考慮。

爆破荷載。該次巖塞爆破對近區地面的影響，大致控制在8度地震左右，但由于進水口段直接與巖塞爆破部位相接，處于沖擊波和應力波傳播范圍之內，參照有關工程經驗，進水口結構所受的靜荷載均乘以0.5的動力系數做為爆破荷載考慮。

③結構設計。鎖口段和高邊墻段。由于鎖口段的結構尺寸和受力條件均優于高邊墻段，因此只對高邊墻段進行結構設計。設計工況考慮2種：正常排沙運行工況及巖塞爆破工況。正常運行工況內、外水壓力基本平衡，僅相差一流速水頭，類似于外水壓力作用在襯砌上，所以此工況不是控制工況；巖塞爆破工況的主要荷載有外水壓力、垂直的山巖壓力以及爆破產生的動荷載。

由于此段的底部直接連接到集碴坑的底部，坡度達到51°，因此計算斷面取距最高斷面0.5倍開挖跨度處的斷面進行計算，計算斷面的邊墻高度為17m。采用ANSYS計算程序計算，計算過程沒有考慮錨桿及排水孔的作用。經計算，巖塞爆破工況下在高邊墻段底角處混凝土襯砌內層單元被拉裂，但爆破以后此處即處于內外水平衡狀態，雖然局部的混凝土襯砌內層單元被拉裂損壞，但不影響結構的整體性，因此綜合分析，厚1.2m的C50混凝土襯砌，雙層配筋情況下結構是安全的。

集渣坑段。設計工況考慮3種：正常排沙運行工況、巖塞爆破工況及巖塞爆破后工況。運行工況的主要荷載有內、外水壓力，垂直的山巖壓力；巖塞爆破工況主要荷載有外水壓力、垂直的山巖壓力以及爆破產生的動荷載；巖塞爆破后工況是在巖塞爆開后，水及巖渣混合物進入集碴坑但還沒有進入上部的排沙洞時的情況，此工況下集渣坑有水擊壓力而排沙洞內無壓力，根據鏡泊湖巖塞爆破觀測資料分析，集碴坑端部立面所受的水擊壓力較大，約2倍作用水頭，而頂拱、邊墻及底部所受的水擊壓力較小，在設計中取1.5倍作用水頭。

3種設計工況均采用ANSYS計算程序計算，經計算，上部排沙洞結構是安全、穩定的；在集碴坑開挖過程中底角處巖石進入塑性；巖塞爆破后工況在集碴坑端部的頂拱混凝土襯砌內層單元被拉裂，其它部位的結構均是安全的。考慮巖塞爆破時間很短，爆破以后集渣坑即處于內外水平衡狀態，雖然計算結果中顯示集渣坑個別部位有局部破損的可能，但不影響集渣坑的整體結構及使用要求。綜合分析，厚1.0m的混凝土襯砌，雙層配筋情況下結構是安全的。

由于地質探洞在排沙洞上部，最小部位都已挖穿，因此地質探洞在巖塞爆破前須封堵，采用C15混凝土封堵后還需進行回填灌漿。