水庫一洞三用取放水隧洞方案設計

劉秀杰 李超

摘 ?要：在水庫取放水隧洞方案優化設計過程中，綜合考慮工程占地、施工難度等因素，從技術可靠性、經濟合理性、施工便捷性等方面，優選“利用臨時導流隧洞改造為后期有壓取水/放空隧洞”的一洞三用取放水方案。并經水力計算、穩定性計算等計算分析，論證結果表明設計方案及參數指標均滿足規范要求，具有較高的安全可靠性、施工便捷性和經濟合理性，為工程施工建設提供了重要技術指導。

關鍵詞：水庫;導流隧洞;水工建筑物;取放水;放空洞

1 工程概況

某水庫以城市供水為主，兼顧農村人飲、農田灌溉和生態環境修復等功能。水庫壩址以上流域面積為28.5km3，多年平均徑流量1584.6萬立方米，多年平均降水量977.40mm。水庫正常蓄水位為932.50m，死水位910.50m，正常庫容867.8萬立方米，總庫容912.7萬立方米，年供水能力908.5萬立方米/年。總庫容912.7萬立方米屬于0.01～0.10億立方米范疇，該水庫為IV等小（1）型水庫，水庫防洪等級一般[1]。

2 取放水隧洞建筑物方案比選分析

2.1 取放水隧洞方案的綜合比選

根據水庫壩址區的地形地質條件并結合水庫工程特性、輸水管線布置等因素，在方案比選過程中設計出三種方案進行對比分析，即：方案一：在大壩右岸單獨新建取水隧洞實現供水;方案二：改造利用大壩臨時導流隧洞為后期的有壓取水/放空隧洞（方案組成為：“龍抬頭”岸塔式取水口+有壓洞身+出口接取/放水管）;方案三：改造利用大壩臨時導流隧洞為后期的無壓取水/放空隧洞（方案組成為：“龍抬頭”岸塔式取水口+無壓洞身+洞內穿取/放水管）。為了確保方案具有較高的安全可靠性和節能經濟性，將三個設計方案從技術、經濟等方面進行對比分析，其分析成果如表1所示。

從表1對比分析成果可以看出：在大壩右岸新建有壓取水隧洞方案相比改造臨時導流隧洞方案，其具有布置緊湊、施工便捷、工期較短等優點，但其整體投資最大，綜合投資性價比較低;利用臨時導流隧洞改為后期無壓取放水方案，壓力管線增加較長，需要壓力鋼管約186t，綜合投資需要1175.21萬元，較不經濟。經技術、經濟、施工便捷等方面的綜合對比分析，設計推薦采用“改造利用臨時導流隧洞為后期的有壓取水/放空隧洞”的設計方案，實現一洞三用即在實現水庫可靠供水功能的基礎上，合理利用水庫大壩結構和臨時建筑物，實現資源的再利用，工程投資和施工建設可靠且經濟。

2.2 一洞三用取放水隧洞建筑物結構設計

將臨時導流隧洞出口改造修筑成取水口和放空洞，即：取水口+隧洞“龍抬頭”改造段+有壓隧洞洞身+放空洞和取水壓力管口等部分組成。經方案優化布置和計算分析，整個隧洞長度為267m，其中取水口閘室段長7.20m，“龍抬頭”改造段長8.50m，與導流隧洞共用隧洞洞身長239.3m，出口放空閘室段長12.0m。在取水口進口處設置1扇3.0×2.0m（長×高）的攔污柵和1扇2.0×2.0m（長×高）的檢修閘門。進口閘井底板高程為908.00m，進口段經水平和豎向轉彎改造后（在取0+000.00～取0+015.70處）接到導流隧洞洞身內部，中段采用導流隧洞洞身供水（在取0+015.70～取0+255.00處），在導流隧洞出口處右側采用φ800鋼管將水接至出口閘閥室，并根據規范和計算值在閘閥前設置φ300mm農田灌溉兼生態環境修復放水管。導流洞出口處改造后作為水庫放空洞，設置1扇1.5×1.5m（長×高）的弧形工作閘門，放空洞底板高程為890.64m。

3 一洞三用取放水隧洞建筑物水力計算分析

3.1 取放水隧洞建筑物水頭損失計算

根據李煒主編《水力計算手冊》和《水工建筑物水力學計算軟件》所列公式和參數指標進行電化運算，計算中隧洞鋼筋混凝土襯砌其糙率系數選擇為n=0.014，而壓力鋼管其糙率系數選擇為n=0.012，經計算隧洞進口段水力損失為0.22m，隧洞洞身段水力損失為0.01m，壓力鋼管段水力損失為0.04m，總計為0.27m，水力損失較小，滿足可靠供水需求。

3.2 取放水隧洞建筑物泄流能力計算

按照《水工隧洞設計規范》（SL279-2002）推薦公式進行計算，計算結果表明：當水庫水位處于死水位910.50m工況時，在閘閥全開條件下，隧洞最大泄流流量為Q=0.98m3/s，比引用流量0.672m3/s（其中：城市供水流量為0.397m3/s，農田灌溉供水流量為0.213m3/s，生態環境修復流量為0.062m3/s），表明優化設計的隧洞水工建筑物的尺寸、結構等均滿足泄流能力技術指標。

3.3 取放水隧洞建筑物最小淹沒深度計算

運用設計規范推薦的戈登公式計算引水隧洞進水口最小淹沒水深計算，其中進水口形狀系數取0.73;閘孔斷面的流速經計算為0.131m/s;閘孔高度為2.0m。經計算得：進水口最小淹沒水深為0.135m。而取水兼放空隧洞進口底板高程設置為908.00mm，在水庫處于死水位910.50m時，閘孔頂板以上最小水深大于0.135m。水庫設計壩前淤沙高程為907.23m，低于進水口底板高程0.77m，能夠滿足水庫安全可靠取水要求，設計高程準確合理。

3.4 取放水隧洞閘室穩定性分析

經閘室抗滑穩定性計算、抗傾覆穩定計算、抗浮穩定計算等[2]，計算結果表明：閘室在各工況條件下其抗滑穩定安全系數基本組合最小值為3.36，特殊組合為2.71，大于規范規定基本組合3.0和特殊組合2.5的技術指標;閘室在各工況條件下其抗傾覆穩定安全系數基本組合最小值為1.39，特殊組合為1.26，大于規范規定基本組合1.30和特殊組合1.15的技術指標;閘室在各工況條件下其抗浮穩定安全系數基本組合最小值為1.45，特殊組合為1.27，大于規范規定基本組合1.10和特殊組合1.05的技術指標。閘室抗滑穩定性、抗傾覆穩定和抗浮穩定均較好。

4 結束語

為確保水庫隧洞水工建筑物設計方案，具有較高安全可靠性和節能經濟性，在規劃設計階段對方案進行了詳細比選及計算論證分析，推薦采用改造臨時導流隧洞為有壓取水/放空隧洞的一洞三用取放水方案。

參考文獻

[1]SL279-2002.水工隧洞設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，2002.

[2]SL285-2003.水利水電工程進水口設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，2003.