紅魚洞水庫“龍抬頭”式泄洪放空洞設計

(四川省水利水電勘測設研究計院，成都，610072)

1 工程概況

南江縣紅魚洞水庫工程是一座以灌溉、防洪、城鄉生活及工業供水等綜合利用的水利工程。水庫壩址位于四川省巴中市南江縣橋亭鄉境內的南江河紅魚洞河段。本工程為Ⅱ等大(2)型水庫，樞紐由瀝青混凝土心墻堆石壩、右岸開敞式溢洪道、左岸泄洪放空洞和灌溉取水口組成。正常蓄水位650.0m，總庫容1.66億m3，興利庫容1.31億m3，防洪庫容0.197億m3。擋水及泄洪建筑物按100年一遇洪水設計，2000年一遇洪水校核，消能防沖建筑物按50年一遇洪水設計。

2 地形地質條件

壩址區河流流向呈“S”型，兩岸山體雄厚，為“V”型河谷，基巖大部裸露，自然坡度一般40°～65°，河床高程550m～557m。壩區洞室圍巖主要為志留系中統羅惹坪群(S2lr)砂質頁巖、梁山組(P1l)灰巖及黑色頁巖和二迭系下統茅口-棲霞組(P1m+q)灰巖。

泄洪放空洞布置在大壩左岸，洞室多位于新鮮～弱風化巖體內，巖性主要為砂質頁巖、粉砂巖構成，巖層產狀N85°E/SE∠78°。巖層走向與隧洞軸向大角度相交，巖體中主要發育三組構造裂隙。巖體完整性差～較完整，圍巖以Ⅳ～Ⅴ類圍巖為主。

3 泄洪放空洞布置原則

(1)利用樞紐區河道左岸為凸岸的地形地質條件，泄洪放空洞軸線可“截彎取直”，有利于水流流態。

(2)根據施工導流洞布置在左岸，以其橫斷面尺寸及坡降，復核其滿足明流條件允許的最大過流能力，能滿足水庫放空要求，并能承擔一定泄洪任務，故選擇泄洪放空洞與施工導流洞結合，進口采用“龍抬頭”型式，且不再擴大洞身斷面加大泄洪放空洞泄洪規模，剩余泄洪任務由溢洪道承擔。

(3)泄洪放空洞出口采用挑流消能的型式，由導流洞出口二期改建而成。

4 泄洪放空洞結構設計

4.1 方案擬定

為節約工程投資，將左岸施工導流洞改造為泄洪放空洞。經分析地形地質條件，“利用左岸1#沖溝地形下切修建塔井段，前面采用短有壓隧洞過水，后面采用龍抬頭無壓隧洞過水”布置方案的投資最省，為最優泄洪放空洞軸線。選定的泄洪放空洞平面軸線總長633m，與河道夾角27.9°，結合段最小側向埋深35m。

泄洪放空洞進口底高程過低不利于閘門啟閉，且減少與下部導流洞間的圍巖保護厚度，故取與右岸灌溉取水口的底高程相同，即598.0m，可互相保障檢修時過水。整個隧洞由有壓段、塔井段、龍抬頭段、導流洞結合段、挑流反弧段組成。

4.2 水力學模型推薦體型

根據施工導流洞橫斷面尺寸及底坡，計算其保證為無壓流時允許的最大過流能力，確定塔井內有壓短進口孔口尺寸為6m×5.5m(寬×高)，龍抬頭段的渥奇曲線體型為X2=275Y，斜井段底坡變為1∶3，反弧段半徑為50m。1#摻氣坎位于渥奇曲線起點，樁號泄0+027.00m處高程596.5m；2#摻氣坎位于反弧段與導流洞完全結合點，樁號0+155.61m。挑坎：左側邊墻從樁號0+452.5m起到樁號0+466.41m以半徑35.0m向左側偏轉23.4°，右側邊墻從樁號0+452.5m起到樁號0+477.46m以半徑165.0m向左側偏轉8.7°。挑坎起挑半徑皆從0+456.0m起，起挑半徑皆為35.0m，左側挑角為17.3°，右側挑角為37.7°。

4.3 結構設計

泄洪放空洞位于大壩左岸，其進口位于大壩軸線前約285m處陡坎，出口處位于大壩下游左岸紅魚洞公路隧洞外側，前段為有壓隧洞，中段為閘室，中后段采用“龍抬頭”結構型式與導流洞結合；總長度646.0m，其中引水渠段長9.6m，有壓隧洞長152.0m，閘室段長27.0m，無壓隧洞長432.4m，挑流段長度25.0m。

前緣有壓進口直接在巖壁成洞；圓形有壓隧洞段在平面上設一轉彎，隧洞直徑8.16m，全斷面襯砌C30混凝土厚80cm；閘室段在壩軸線上游105m左岸1#沖溝溝底處，明挖修建塔井段，閘室段長27.0m，孔口尺寸為6m×5.5m(寬×高)。

無壓隧洞采用城門洞型，龍抬頭段水平長度128.6m，上部轉彎采用冪曲線，斜段坡比1∶3.0，下部轉彎為弧段，半徑50.0m，轉角18.4°；與導流洞結合段長300.4m，縱坡比為8/1000。對易發生空蝕的部位設1#和2#摻氣槽，相應樁號泄0+027.0m、泄0+155.61m。洞身為城門洞形，洞寬7.0m，洞凈高9.5m，頂拱半徑3.62m。洞身采用鋼筋混凝土襯砌，邊墻及頂拱襯混凝土厚0.6m～1.0m。

挑流反弧段為模型推薦體型，反弧最低高程559.07m，半徑35m，最大挑角37.7°。整體為C20混凝土結構，過流面底板用0.5m厚C40抗沖耐磨混凝土、邊墻抹7mm厚環氧砂漿以抗沖耐磨。為避免對挑流坎基礎的沖刷，在挑坎后基礎550m高程上設1.0m厚混凝土護底，長度為20m。挑流區：水流影響5#堆積體穩定，予以開挖清除。為減輕下游河床紊亂水流對兩岸的沖刷，采用C15混凝土護坡對岸邊進行保護。

圖1 匯洪放空洞平面布置及縱剖面

5 設計計算及水力學模型試驗

5.1 泄流能力計算

泄洪放空洞泄流能力計算公式為：

Q=μω(2g(H-D))0.5

其中：μ——綜合流量系數，采用0.86；

ω——出口斷面面積；

D——孔口高度(m)；

H——上游水深。

表1泄洪放空洞泄流能力計算成果與模型試驗成果對比

工況洪水頻率入庫流量庫內水位泄洪放空洞最大泄流量計算值模型試驗值偏差pm3/smm3/sm3/s%校核工況0.05%4590651.82823830.50.91%設計工況1%2770650.10809814.90.73%

從表1可知，泄洪放空洞最大泄流量試驗值略大于計算值，泄洪放空洞尺寸滿足要求。

5.2 水面線計算

以泄洪放空洞閘孔收縮斷面處為起點，采用棱柱體明渠恒定非均勻流能量方程分段求和法試算，并計算相應摻氣水深。通過模型試驗驗證校核洪水工況下隧洞內的水面線，成果見表2。

表2校核工況計算和實測水面線成果

從表2可以看出，泄洪放空洞的洞頂余幅最小為37.69%，在泄洪放空洞靠近出口的地方，摻氣水深均處于直墻高度以下，能安全下泄校核洪水，滿足設計要求。

5.3 挑流消能計算

經計算，宣泄校核洪水時，單寬流量82.3m3/s·m，挑坎頂流速21.58m/s，挑距96.9m，沖坑深23.1m。挑距坑深比4.2，大于4.0。據模型試驗成果，設計與校核工況沖刷最深點位置和深度均比較相似，主沖坑主要為溢洪道挑坎下游170.0m處的河道中央，在泄洪放空洞出口下游未見明坑，且有2.0m～3.0m厚淤積。主沖坑最低底高程為532.28m，低于基巖頂板線14.72m，與泄洪放空洞挑坎出口的沖坑坡度為1∶4.16。

故泄洪放空洞的挑坎基礎是安全的，結構合理。

5.4 無壓隧洞襯砌結構應力計算

采用圓拱直墻現澆混凝土襯砌，計算所采用的程序為中南院“水工隧洞鋼筋混凝土襯砌計算機輔助設計系統SDCAD4.0”水利版。根據不同圍巖段的地質參數(f、k、φ值)，分帷幕前及帷幕后按邊值法進行運行期、檢修期、施工期共3種工況的結構計算。無壓隧洞段計算成果見表3。

表3無壓隧洞段結構計算成果

6 結語

(1)本工程泄洪放空洞采用與導流相結合的型式，節約了工程投資；

(2)泄洪放空洞采用“龍抬頭”型式，通過水力學模型試驗，論證了泄洪放空洞結構設計的合理性，并進行了體型結構優化設計；

(3)截止目前，泄洪放空洞基本施工完畢，“龍抬頭”段隧洞施工相對有一定難度，需做好隧洞的臨時支護措施。