新疆下坂地水利樞紐泄洪洞結構設計

張磊房剛

（陜西省水利電力勘測設計研究院 陜西 西安 710001）

1 工程概況

下坂地水利樞紐工程泄洪洞位于水庫大壩右岸，是下坂地水利樞紐重要泄洪建筑物，其主要任務是：施工期導流，運行期泄洪及水庫放空。因此泄洪洞采用一洞三用的型式布置，洞身橫斷面型式為圓拱直墻，尺寸由進口段7m×17.05m漸變過渡為7m×10.25m。泄洪底洞進口設計高程為2902m，進口位置河道底高程2897.88m，出口設計高程為2880m，出口位置河底高程為2886m,水流落差22m。泄洪洞采用鋼筋混凝土襯砌結構，洞壁厚度按地質條件不同分0.7m和1.0m兩種。在設計洪水位2960m下泄流量為825m3/s，校核洪水位2963.2m時下泄流量為850m3/s。泄洪洞最大流量920m3/s，最大流速30.9m/s。

2 地質條件

泄洪洞進口段圍巖為角閃片巖及角閃片麻巖，以Ⅳ類圍巖為主，部分位置卸荷巖體為Ⅴ類。進口豎井四周巖性為角閃片麻巖，巖體較為完整，巖體類別為Ⅳ類，豎井基礎處為弱風化的角閃片麻巖，其承載力為3.0MPa。

洞身段圍巖以Ⅲ類為主，弱～微風化，巖體較完整，洞頂圍巖厚40m～300m，洞線方向85°13′，圍巖片麻理走向為312°，傾角62°，巖層走向與洞軸線夾角為47°左右，較有利于洞室穩定。主應力方向NE48°～NE52°，與洞線夾角33°～37°左右。洞身穿越6條寬度小于1.0m斷層帶，2條寬2m～3.5m的斷層帶，斷層及斷層影響帶位置隧洞圍巖類別為極不穩定的Ⅴ類。

出口邊坡坡角為45°，邊坡表層巖體破碎，出口段洞室圍巖較完整，類別為穩定性差的Ⅲ類或不穩定的Ⅳ類。

出口消能采用挑流形式，消能區河床寬90m，岸坡平緩。河床組成物質主要為沖積及冰磧的塊石和漂卵石，夾雜碎石或砂，呈松散或半松散狀，堆積厚約100m。

1.2 泄洪洞總體布置

泄洪洞布置于大壩右岸，斜穿壩肩山體分水嶺。洞軸線與壩軸線水平夾角99°18′。泄洪洞進口距離壩軸線850m，出口距離壩右坡腳600m。隧洞全長1425.85m，洞身長1346.85m，由進口段、豎井、洞身段、挑流鼻坎段組成。

進口段引渠樁號0+000m～0+049m，底板高程為2902m。其中隧洞進口前的扭面段樁號0+020m～0+049m。引渠斷面為梯形，底板寬11.0m，厚1m，引渠深13m，邊墻形式為重力式擋墻。

喇叭口段樁號為0+049m～0+056m，體型采用兩側墻及洞頂沿水流方向收縮的橢圓曲線。

樁號0+056m～0+100m洞斷面為長矩形。

豎井段樁號0+100m～0+126m，豎井底高程2902m，井高65.5m，豎井頂部啟閉機層為鋼筋砼排架結構。樁號0+112.75m處設弧形工作閘門一扇，孔口尺寸5m×6m，動水下閘，靜水開啟豎井2921.9m高程設置液壓啟閉機平臺。

樁號0+126m～0+427.58m段為底洞洞身，圓拱直墻斷面，尺寸7m×10.25m。

樁號0+427.58 m～1+395.85m段為底洞、表孔共用洞段，其中0+427.58 m～0+527.56m段按挑射水平距離、水流沖濺高度設計斷面為圓拱直墻型，尺寸7m×17.05m～7m×10.25m；樁號0+527.56m～0+960m段圓拱直墻斷面尺寸為7×10.25m；樁號0+980m～1+395.85m段圓拱直墻斷面尺寸為7m×11.25m。底洞表孔公用洞段起始高程2902m，末尾高程2881.086m，洞底比降1.63%。

出口明涵段樁號1+395.85m～1+402.85m，圓拱直墻斷面，尺寸7m×9.50m。

挑流鼻坎段樁號1+402.85m～1+425.85m，鼻坎形式為右高左低、右長左短，矩形等圓弧擴散，底板寬從7m漸變為16.17m（斜長），坎頂高程2883.27m～2885.97m，反弧半徑為51.54m。水流挑射角25.46°，最大挑距46m，最大沖坑深9.4m，受回流影響，右岸最大沖刷深13.5m。根據水工模型試驗情況，對鼻坎出口采用齒墻和基礎錨固方式進行抗沖加固。

3 泄洪建筑物等級

根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2000）的有關規定，確定下坂地水利樞紐為Ⅱ等大（2）型工程。泄洪洞按二級建筑物設計，抗震按8度設防。

4 泄洪洞結構設計

4.1 洞身結構設計

4.1.1 結構計算

a）基本假定

結構計算按施工組織設計確定的全斷面洞室開挖方式選取計算簡圖。同時，根據不同的圍巖類型，采用不同的支護方式。

b）基本資料

特征水位（設計）：2963.20m

特征水位（校核）：2964.60m

特征水位（正常）：2960.00m

水庫死水位：2915.00m

地震設防烈度：8度

容重：混凝土為2.4t/m3，鋼筋砼為2.5t/m3，巖石干密度為2.84t/m3，巖石濕密度為2.85t/m3。

c）洞身結構計算采用程序、基本參數

本工程為壓力進口明流隧洞，洞身除進口段為壓力段外，其余部位均為城門洞型斷面，采用中南院《SDCAD》軟件分別對各典型斷面進行結構計算。

最終配筋結果是依據計算結果和施工過程中所采用的支護措施，并參照同類工程進行工程類比而進行選取。

（1）基本數據

①建筑物等級 2級建筑物

②安全系數

混凝土抗拉極限強度安全系數：

基本荷載組合： 1.8

特殊荷載組合： 1.6

混凝土強度安全系數：

基本荷載組合： 1.5

特殊荷載組合： 1.4

混凝土抗裂安全系數： 1.1

縫限制寬度： 0.3mm

③荷載及荷載組合

一般而言，完建而未通水時期、隧洞放空時期和通水而水頭最大時期，都是隧洞襯砌結構容易發生破壞的時刻，設計時應該定出各時期的荷載組合作為設計的依據。

本次設計分別按以下三種荷載組合情況進行計算：

正常運行工況（工況1）

內水壓力+外水壓力+山巖壓力+襯砌自重+彈性抗力

檢修工況（工況2）

外水壓力+山巖壓力+襯砌自重+彈性抗力

施工工況（工況3）

灌漿壓力+山巖壓力+襯砌自重+彈性抗力

4.1.2 洞身結構設計

4.1.2.1 洞身結構設計總體原則

洞身襯砌厚度根據圍巖分類及隧洞斷面以及運行要求，采用工程類比確定。隧洞整體上以Ⅲ類圍巖為主，約占整個洞身段的80%以上。其余洞段基本上屬于Ⅳ類圍巖段，局部斷層影響破碎帶屬Ⅴ類圍巖。根據《水工隧洞設計規范》的規定，當圍巖為Ⅲ～Ⅴ類時宜采用鋼筋混凝土襯砌結構。Ⅲ類圍巖段是否可以采用噴錨支護作為頂拱的永久支護，為保證施工期洞室的安全，結合永久支護，Ⅲ類圍巖洞段對頂拱進行噴混凝土支護，Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段全斷面噴護，對斷層破碎帶及影響帶根據需要可進行鋼行架支護。隧洞洞身進行全斷面布設固結灌漿及系統錨桿。

4.1.2.2 洞身結構設計具體情況

泄洪洞洞身橫斷面由7m×17.05m變為7m×10.25m的圓拱直墻型，襯砌厚度根據圍巖分類及所處的部位不同分別為0.6m及1.0m，分段長度基本為10m。

由于泄洪洞開挖斷面大，巖石片理和裂隙發育，斷層影響帶寬，為了確保施工順利進行，泄洪洞全斷面布置Φ22系統砂漿錨桿，噴護100mm厚的C20混凝土并局部掛鋼筋網。對于較大的斷層破碎帶采用鋼拱架支護、布置超前錨桿加掛鋼筋網的辦法進行處理，而對于側墻及底板的較小斷層采用挖除并用混凝土進行回填的方法進行處理。

泄洪洞洞身段全斷面進行固結灌漿及在頂拱范圍內進行回填灌漿。灌漿按照先回填后固結的順序依次進行，其質量檢查按《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》（SL62-94）執行，同時作聲波測試。

大壩建成后，大壩帷幕線之前的裂隙水更為豐富，為防止裂隙水對泄洪洞襯砌結構影響，在泄洪洞內設置排水孔，灌漿帷幕之前，排水孔要求深入巖石0.1m，灌漿帷幕之后，排水孔要求深入巖石4m。

4.2 出口段結構設計

4.2.1 明涵及明槽段結構設計

出口明涵橫斷面尺寸與洞身段相同，結構計算采用《水利水電工程PC-1500程序集》中明涵計算程序進行，襯砌材料為C30W6F300鋼筋混凝土，厚度1.0m，頂拱設排水孔，為防止坡面滾石撞砸頂拱，涵頂回填2m厚石碴。

出口明槽為矩形槽結構，按整體進行結構計算，襯砌材料為C30W6F300鋼筋混凝土。

4.2.2 挑流鼻坎段結構設計

挑流鼻坎體型經多次優化并進行水工模型試驗驗證后修改而成，設計為矩形等圓弧擴散，反弧半徑為51.54m，底寬從7m漸變為16.17m。左右邊墻設計為斜直墻，斜率和鼻坎前擴散段相同，鼻坎底圓弧半徑45m，挑角26°17′，鼻坎末底緣圓弧半徑為12.5m，鼻坎齒墻入基巖14.85m，鼻坎中心線頂高程2885.25m。

受回流影響，右岸最大沖刷深13.5m。根據水工模型試驗情況，對鼻坎出口采用齒墻和基礎錨固方式進行抗沖加固。

4.2.3 出口坡面處理

泄洪洞出口段自然邊坡坡角45°左右，受裂隙切割影響，邊坡巖體表層風化破碎，出口段洞室巖體較完整，為局部穩定性差的Ⅲ類～不穩定的Ⅳ類圍巖。建設單位委托有關科研單位對其穩定性進行了計算分析，設計根據科研單位的分析報告，采用系統錨桿及掛網噴護等措施對泄洪洞出口坡面進行了加固處理設計。

5 結束語

下坂地水利樞紐泄洪洞自2007年竣工以來，已安全運行多年，實際運行效果證明泄洪洞工程的結構設計是合理的。陜西水利

[1]水工混凝土結構設計規范（S L/T 191-96）

[2]楊宗仁，金盆水利樞紐溢洪洞洞身及出口結構設計簡介[J]，陜西水利，2009年01期