山口水電站導流洞設計糙率選擇與過流能力分析

李 江,王 健

(1.新疆水利水電規劃設計管理局,烏魯木齊市 830000;2.新疆水利水電勘測設計研究院,烏魯木齊市 830000)

1 工程概況

山口水電站工程規模為大(2)型，工程等別為Ⅱ等，具有供水、發電等綜合效益。壩址區地震基本烈度為Ⅶ度。水庫正常蓄水位646.00 m，總庫容2.22億m3，主壩最大壩高94 m。電站裝機220 MW，多年平均發電量6.64億kWh，保證出力14.4 MW。

山口水電站工程主要由常態混凝土拱壩、開敞式溢洪道、放水深孔、引水式岸邊廠房等組成。發電引水系統采用1管4機布置型式，電站布置2臺單機80 MW和2臺單機30 MW的水輪發電機組。

2 施工導流方式

2.1 導流方式

主河道呈“V”形河谷，主河床比較狹窄，河道呈轉彎狀，便于布置導流洞，所以推薦拱壩方案施工導流采用河床一次斷流，上下游圍堰擋水，左岸導流隧洞全年導流的方式。導流洞后期封堵。

2.2 導流時段

考慮當地氣候條件，施工時段主要為4—10月，而汛期為5—8月，根據壩址區氣象及水文條件，經分析，一個枯水期內永久建筑物不能修筑至汛期洪水位以上，因此考慮圍堰采用全年擋水，導流建筑物可研階段確定為土石圍堰。初步設計階段結合氣候特點、圍堰擋水風險分析，對導流標準采用20年一遇的土石圍堰和采用10年一遇的混凝土圍堰進行了綜合技術經濟比選，推薦采用堆石混凝土圍堰，導流標準為10年一遇。堰身按遭遇超標準洪水可泄水方式進行設計實施。

根據工程施工總進度計劃，施工總工期為4.5年，在整個施工期內，壩體共經歷3個汛期。綜合考慮樞紐水文、氣象條件、度汛標準、大壩混凝土澆筑強度等因素，大壩施工導流及壩體施工期臨時度汛采用圍堰及壩體臨時斷面擋水、導流洞泄洪方式。① 初期圍堰擋水時段為第3年5月—第4年8月，導流洪水標準采用10年一遇，施工導流由圍堰擋水，導流洞泄流；② 主體工程施工期壩體臨時度汛階段為第4年8月—第5年10月，當壩體澆筑高度超過圍堰頂高程后，度汛洪水標準采用20年一遇，此時壩體度汛期壩前最高水位602.29 m，圍堰為混凝土結構可過水，壩體臨時斷面擋水、導流洞泄流；③ 第5年10月—年底為蓄水完建階段，圍堰拆除，導流洞下閘封堵，由壩體擋水，深孔泄流。

施工導流度汛特性見表1。

3 導流隧洞設計與實施

3.1 導流建筑物布置

導流洞布置在河道左岸，由進口引渠段、閘井段、洞身段和出口明渠段組成。導流洞進口處地面高程596.00 m，洞底板高程570.00 m，埋深26 m。進口引渠為梯形斷面，底寬13.5 m。進口閘井采用岸塔式，進口閘井設1道封堵鋼閘門，孔口尺寸9.5 m ×10.0 m，閘井底板高程570.00 m，閘井平臺高程604.00 m，閘井段長13 m。

導流洞洞身長574.0 m，城門洞形，設計洞徑11.5 m×13.5 m，中心角120°，縱坡1/125，為明滿流交替隧洞。洞身段一般埋深為41 m。導流洞出口明渠坐落在巖基上，長40 m。導流洞設計洪水標準為10年一遇，洪峰流量為1 594 m3/s，相應導流洞泄流為1 423 m3/s。

3.2 導流隧洞地質條件

(1) 進口明渠及閘井段

(2) 洞身段

(3) 出口段

3.3 導流建筑物設計

3.3.1 導流建筑物

(1) 導流洞進口引渠段

引水渠段長度52.223 m，為梯形斷面，底寬13.5 m，巖石開挖邊坡1∶0.3，表層覆蓋層開挖邊坡1∶1.5，每10 m高設1層馬道。

(2) 閘井段

閘井采用岸塔式，設封堵鋼閘門1道，孔口尺寸9.5 m×10 m，綜合導流洞進出口河床高程和截流難度要求等因素，閘井底板高程570.00 m，閘井平臺頂高程604.00 m。閘井段長13 m。

(3) 洞身段

洞身段為城門洞形，底寬11.5 m，直墻高10.180 m，拱高為3.320 m，圓心角120°，洞身長574.0 m，縱坡為8‰。

(4) 出口明渠段

出口明渠段全長60 m，底寬13.5 m，采用現澆混凝土矩形槽斷面。巖石開挖邊坡1∶0.3，表層覆蓋層開挖邊坡1∶1.5，每10 m高設1層馬道。

3.3.2 導流洞結構設計

導流洞設計為明滿流交替隧洞，洞身段為城門洞形，底寬11.5 m，直墻高10.18 m，拱高為3.320 m，圓心角120°。依據導流洞的地質條件和施工總進度計劃，采用不襯砌型式，隧洞頂拱及邊墻采用錨桿+掛網噴15 cm厚C25混凝土，底板采用厚30 cm C25素混凝土襯砌。其余特殊部位如進口漸變段、鎖口段、堵頭段及破碎帶采用全斷面C25鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為0.8 m。出口明渠坐落在巖基上，出口明渠長60 m，設有消力消能輔助建筑物，設計為矩形槽斷面，底寬13.5 m，底板及邊墻采用厚1 m鋼筋混凝土。導流洞典型斷面見圖1。

3.3.3 水力學計算及糙率選取

導流洞按進口段設置有壓短管的無壓泄流隧洞設計，其泄流能力計算公式：

(1)

式中：H為由有壓短洞出口的閘孔底板高程起算的上游庫水深；ε為有壓短洞出口的工作閘門垂直收縮系數；e、B分別為閘孔開啟高度和水流收縮斷面處的底寬；μ為短管的有壓段的流量系數。

圖1 導流洞典型斷面圖 單位：mm

(2)

式中：ω為隧洞出口斷面面積；ξi、ωi分別為某一局部能量損失系數及相應的斷面面積；li為隧洞某段長度，與之相應的斷面面積ωi;Ri為水力半徑；Ci為謝才系數。

根據美國陸軍工程兵團水利設計準則中尼古拉茲試驗的相關資料，糙率可采用簡化公式計算，即與粗糙度△相關的糙率估算公式n[1]。

(3)

根據上述公式，經過計算不襯砌導流洞糙率n1=0.031，底板糙率n2=0.014，經過加權平均，噴錨段糙率n′=0.027，綜合襯砌段與非襯砌段按長度加權后綜合糙率n=0.024。國內外噴錨混凝土隧洞糙率系數一般都在0.038以下，如DL5058—1996《水電站調壓室設計規范》根據不同的施工方法，給出糙率系數n=0.022～0.03(光面爆破)，n=0.028～0.037(鉆爆法), 加拿大n=0.020～0.025，前蘇聯n=0.020～0.025[3]。因此，本工程選擇n=0.031較為合適。

3.4 導流洞實施情況

導流洞開挖斷面為城門洞形，開挖斷面(寬×高)為12.3 m×14.64 m，開挖面積約165 m2，屬Ⅱ、Ⅲ類圍巖。采用流水作業施工方式臺階法施工。上臺階開挖斷面(面積約100 m2)為城門洞形，由三臂鑿巖臺車鑿孔，光面爆破，側卸式裝載機裝自卸汽車運至利用料堆放場和棄碴場；下臺階開挖斷面(面積約65 m2)為矩形斷面，由潛孔鉆或手風鉆鉆孔爆破，側卸式裝載機裝自卸汽車運輸。噴護混凝土采用強制式攪拌機拌料，混凝土噴射機噴護。錨桿采用錨桿臺車鉆孔，自動注漿器壓漿。全斷面混凝土襯砌采用鋼模臺車支模，30 m3/h型混凝土泵入倉澆筑；底板混凝土采用混凝土攪拌車運輸，皮帶機入倉澆筑，機械振搗，人工灑水養護。

根據圍巖類別情況，樁號0+000.00 m～0+020.00 m與0+554.00 m～0+574.00 m段為進出口鎖口段，全斷面鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為80 cm，襯砌段長度40.0 m；樁號0+020.00 m～0+072.32 m與0+190.00 m～0+220.00 m段穿越斷層，巖體破碎，采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為50 cm，襯砌段長度為82.32 m。其余段底板采用混凝土襯砌、邊頂拱采用噴錨支護，采用工程類比法進行設計，基本設計參數為：邊墻及頂拱Φ25砂漿錨桿，掛Φ8@200鋼筋網, 噴護C25混凝土8～10 cm。合計導流洞全斷面襯砌段長度為124.32 m，占總長的21.65%，其余噴錨支護段長度449.68 m，占總長的78.35%。

導流洞工程施工歷時2 a，洞身段施工完成后，經檢查，噴錨支護及混凝土襯砌段均滿足設計要求，但洞身綜合斷面過流能力如何，還需要進一步分析驗證。

4 導流洞過流能力復核

4.1 導流洞糙率復核

4.1.1 洞壁平整度檢測

導流洞施工過程中及完工后驗收時對全洞噴錨支護段、混凝土襯砌段進行了全面檢查，檢測結果為：① 隧洞無欠挖，最大平均徑向超挖值230 mm，最小平均徑向超挖值130 mm，平均徑向超挖值190 mm，相當于隧洞徑向尺寸擴大了190 mm；② 隧洞開挖壁面平整度偏差值，開挖面平整度2～39 cm，平均5.9 cm，大于10 cm所占比例為14.3%，滿足合格等級；③ 噴射混凝土厚度有2種，分別為150 mm和100 mm，共檢測948個點，其中150 mm平均噴護厚度164 mm，小于設計厚度的占8.15%；100 mm平均噴護厚度125 mm，小于設計厚度的占6.14%；④ 襯砌施工后對外形輪廓尺寸進行了檢測，每5 m一個檢測斷面，邊頂拱輪廓線尺寸誤差范圍，均為本區段內的極值。邊頂拱襯砌輪廓線尺寸誤差0～+62 mm，均值+35 mm；底板襯砌高程誤差-12～+39 mm，結構縫部位誤差范圍-10～+69 mm；以上驗收結果說明導流洞開挖、噴護、混凝土襯砌施工質量良好。

4.1.2 糙率復核

4.2 導流洞過流能力復核

若按無壓隧洞洞身段的過流能力，按明渠均勻流公式計算：

(4)

式中：Q為流量；ω為過水斷面面積；C為謝才系數,C=R1/6/n；R為斷面水力半徑,R=ω/x；i為水道底面坡降。

導流洞L/D0=574/13.54=42.4，洞長與洞徑之比在100以下是大直徑導流洞常見的，文獻[4]對部分工程L/D0進行了統計。如二灘水電站為51.8、建溪水電站為30.4、龍灘水電站為98.8、劉家峽水電站為77.7等。

導流洞已于2009年9月底完工，本導流洞為局部襯砌，設計泄流能力為10年一遇，相應的泄流流量為1 445 m3/s，最大流速為18.034 m/s，此時對導流洞的沖刷影響不大。當洪水頻率為20年一遇、50年一遇時的相應泄流流量為1 690 m3/s 和2 006 m3/s，相應的最大流速為22.012 m/s和26.605 m/s。綜上所述，當洪水頻率大于10年一遇時，原設計混凝土圍堰過水，此時水流流速較高，含砂水流對導流洞底板可能會有一定磨蝕。

4.3 實測值與計算值對比分析

根據2012年在導流洞進出口的實際觀測，測得了部分導流洞進出口的水流數據，根據實測數據的分析計算后，計算出相應的糙率，詳見表2。

表2 糙率n量測及計算結果表

根據表2實測數據反算糙率可以看出，隨著流量的增大糙率值逐漸減小，符合水力學規律，但和計算數據存在差異，分析原因如下：

(1) 導流洞出口明渠為解決小流量消能問題，增加了1.5 m高的消力墩，當流量較小時，消力效果較為明顯，從而使導流洞出口形成了淹沒出流，導致導流洞出口實際測量的數據與計算數據偏差較大。

(2) 2009年導流洞出口施工完畢后，施工導流洞出口的預留巖坎未完全爆破，因此導致小流量時導流洞出口形成回水，致使實際測量數據與計算數據偏差較大。

(3) 由于現場地形條件及儀器限制，現場未能對導流洞內多個典型斷面進行量測，可能導致實測糙率存在一定的誤差。

5 結 語

(1) 從目前的研究水平看，凡位于完整、堅硬、滲透性小的巖體中的隧洞，當洞內水流沖刷不致破壞巖石，且內水外滲不致影響相鄰建筑物、圍巖和山坡穩定時，尤其是導流隧洞，只要條件許可，不襯砌隧洞方案常是隧洞設計中優先考慮的方案。但不襯砌隧洞對圍巖條件要求較高，它的范圍受一定限制，較長的水工隧洞穿過不同地層，圍巖條件各段不一，部分洞段不進行襯砌通常是可行的。如能設計成不襯砌隧洞，不僅可省去造價較高的混凝土襯砌，更能顯著縮短隧洞施工期。工程可提前發揮效益，其經濟效益尤為可觀。

(2) 山口水電站導流洞歷經2次超標準洪水考驗，但洪水歷時較短。導流洞封堵后，經檢查洞內邊頂拱噴護混凝土及底板混凝土局部均存在沖刷，但絕大部分保存完整，說明設計參數較為合理，可供其他工程借鑒。

參考文獻:

[1] 晉國輝,張文倬.輸水隧洞噴錨混凝土糙率系數估算[J].云南水力發電,2005,21(4)：27-28.

[2] 劉軍.檳榔江勐乃水電站導流洞水力計算[J].小水電,2008,143(5)：29-30.

[3] 肖金鍵.錨噴支護隧洞的糙率系數計算公式中使用單位的淺析[J].湖南水利水電,2007,(2)：8-9.

[4] 韓立.大直徑混凝土隧洞的糙率問題[J].云南水電技術,2000,133(4)：64-68.