貴州省納壩水庫小流量引水隧洞優化設計

（中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東廣州 510610）

1 工程概述

我國西南地區受地形限制，人口及灌面布置較分散，一般采用分散水源進行供水和灌溉，引水規模較小。當這些小流量引水工程取水建筑物采用隧洞型式時，隧洞的設計尺寸一般受最小施工斷面控制。按最小施工斷面控制的隧洞施工難度大，實際施工單價高，工程竣工決算容易超出初設概算。如何優化小流量引水隧洞的結構和布置，是關系到工程工期和投資的重要問題。本文依托貴州納壩水庫開展引水隧洞優化設計研究。

納壩水庫工程位于貴州省黔西南州望謨縣望謨河的一級支流納壩河上，壩址位于納壩河與望謨河匯合口上游約1 km河段上，距望謨縣城約12 km。納壩水庫工程的主要任務是防洪、供水和農田灌溉。工程規模為中型，大壩為2級建筑物，取水和泄洪等建筑物為3級建筑物。水庫正常蓄水位790 m，死水位759 m。年城鎮供水量679萬m3，年灌溉供水量52.3萬m3。引水隧洞最大引水流量為0.425 m3/s，其中供水灌溉流量0.356 m3/s，生態流量0.069 m3/s。該工程于2013年6月開工建設，2017年3月下閘蓄水，2019年完成竣工驗收。

2 工程基本地質條件

工程總體布置示意見圖1。原引水隧洞布置于右岸，泄洪放空兼導流洞布置于左岸，兩條隧洞地質條件類似。洞室圍巖依次為三疊系中統邊陽組第二段（T2b2）青灰色中至厚層狀細砂巖、粉砂巖夾泥頁巖，三疊系中統邊陽組第一段（T2b1）泥質粉砂巖、粉砂質泥巖夾鈣質砂巖，三疊系下統羅樓組（T1ll）淺灰、青灰色薄～中厚層狀頁巖夾少量粉砂質頁巖。洞室除進出口段處于強、弱風化外，其余洞段處于新鮮巖體內。洞段基本位于地下水位之下，圍巖透水性小，施工中地下水干擾較弱。

圖1 工程總體布置示意

3 初步設計方案

3.1 方案布置

初步設計水庫樞紐工程總體布置推薦方案為：河床布置混凝土面板堆石壩，左岸布置溢洪道及泄洪放空洞，右岸布置引水隧洞。

（1）引水隧洞工程布置。引水隧洞布置在大壩右岸，由進口段、閘門井段、洞身段和高位水池組成，總長305.5 m，如圖2所示。根據環評對取水水溫的要求，進口采用分層取水方式，分兩層取水，進口底板高程分別為773 m和756 m。高程773 m以上閘門井段采用明挖方式，以下部分采用豎井開挖。高程756 m進口前設有壓圓型引水隧洞，長28.0 m，洞徑2.5 m。兩層進水口垂直水流方向平行布置，各設一扇攔污柵和平板事故閘門。閘門井與岸邊用交通橋連接。洞身段總長243.00 m，進口底板高程756.00 m，出口底板高程753.57 m，底坡i=0.01。洞身段為有壓取水隧洞，洞徑1.5 m，隧洞出口接錐形閥室，后設300 m3高位水池，池后接生態環境水管和輸水管。

圖2 引水隧洞縱剖面示意

（2）泄洪放空隧洞工程布置。泄洪放空隧洞由導流洞改建而成，布置在大壩左岸，型式為進口段設置有壓短洞的無壓泄洪隧洞，由進口有壓洞段、閘門井段、“龍抬頭”段和導流洞段組成。進口有壓洞段長75 m，為圓形斷面，洞徑3.0 m。閘門井為矩形井筒式結構，高46.7 m，設一扇事故閘門和一扇工作門。“龍抬頭”段長80 m，斷面尺寸從1.5 m×2.5 m漸變到4.6 m×5.5 m。龍抬頭段后利用導流洞段總長220 m，底坡i=0.03，為無壓泄水隧洞，斷面尺寸4.6 m×5.5 m，出口采用底流消能。泄洪放空洞下泄洪水時，設計洪水位最大泄量64 m3/s，校核洪水位最大泄量67 m3/s。

3.2 優化設計原因

主要從工期、投資及安全3個方面考慮對小直徑隧洞進行優化設計的原因。

（1）根據當地一般企業的施工能力，如此小的施工尺寸，施工通風及出渣等均較難布置，機械化施工難度較大，工期得不到保障，引水隧洞的施工工期存在由非關鍵線路變成制約工程進度的關鍵線路的較大風險。

（2）隨著人工工資的上漲，小斷面隧洞石方開挖、鋼筋制安和混凝土澆筑等的實際發生單價均較概算定額[1]的標準要高，若不進行優化設計，工程竣工決算勢必會超出初設概算。

（3）原設計的引水隧洞的洞徑僅1.5 m，一般施工人員都無法直立工作，安全隱患很大，且與規范要求不符。SL 279-2002《水工隧洞設計規范》[2]規定的圓形斷面內徑不宜小于1.8 m，而SL 279-2016《水工隧洞設計規范》[3]考慮我國生活水平的提高、人們的健康水平改善以及整體身高水平增加等因素，最小施工內徑提高為2.0 m。

4 方案優化設計

4.1 優化原則

方案優化后不能改變工程的功能和規模，因此工程優化基本原則為：保持引水的規模和功能不變，滿足引水流量和供水灌溉高程；滿足環評對取水水溫的要求，保持分層取水的結構布置不變；不能影響泄洪建筑物的功能。

4.2 優化思路

工程最大引水流量僅0.425 m3/s，流量較小，優化總體思路是用一根引水管代替引水隧洞引水，引水管結合現有泄洪放空洞進行布置。現從分層取水、泄洪規模和運管等方面分析優化設計的可行性。

（1）泄洪洞有壓洞段頂高程與引水隧洞2號進水口的底高程均為756 m，分層取水方面具備優化條件。

（2）導流洞段斷面型式為4.6 m×5.5 m的城門洞型，下泄最大洪水時，水面線最大摻氣水深約1.5 m，低于高3.2 m的直墻，適當縮窄后不會影響泄洪功能，泄洪規模方面具有優化條件。

（3）若取消右岸引水隧洞、閘門井和交通橋，由左岸鋼管代替，引、泄水建筑物均集中在左岸，更加緊湊和順暢，有利于后期運行維護，運管方面具有優化條件。

4.3 優化方案

優化方案取消右岸引水隧洞，增設引水管道與左岸泄洪放空洞相結合。

4.3.1 管徑設計

綜合考慮引水管線和輸水管線的管徑及高位水池水位，要保證供水灌溉規模不變。引水鋼管分閘門井前后兩段考慮。閘門井之前鋼管長約75 m，鋼管尺寸主要考慮因素是有壓洞段襯砌結構、事故閘門的尺寸和進口攔污柵的過柵流速。最終確定進口段鋼管尺寸為壁厚8.00 mmDN800鋼管，事故閘門尺寸0.8 m×0.8 m，攔污柵尺寸1.0 m×1.0 m。閘門井之后段鋼管長約300 m，鋼管尺寸主要考慮因素是線路水頭銜接、泄洪洞流態及鋼管與導流洞段的結合。鋼管直徑越大占用導流洞段空間越大，鋼管施工布置越難，泄洪流態越不易控制，出口消力池所需尺寸越大；鋼管直徑越小，水頭損失越大，與下游輸水線路水力銜接越難。最終選擇DN450鋼管，壁厚8 mm，該尺寸布置較容易，泄洪洞剩余尺寸滿足泄洪消能要求，僅水頭損失略大。經計算[4]，總水頭損失達15.86 m，上游最低庫水位為759.00 m，故高位水池水位需調整到742.00 m。工程通過擴大部分供水管線尺寸以減小線路水頭損失，彌補高位水池調整帶來的影響，以保持線路供水能力不變。經復核，輸水灌溉管道前1.6 km管線由DN500擴大為DN630可滿足要求。

4.3.2 鋼管和隧洞結合設計

鋼管和隧洞結合設計包括進口段、“龍抬頭”段和導流洞段，見圖3。

（1）進口段長約75.0 m，DN800壓力鋼管布置在隧洞左上角襯砌內，洞口中心線高程756.0 m，可保證進水口高程與原方案基本一致；

（2）“龍抬頭”段長約80 m，為減少對“龍抬頭”段的影響，便于與導流洞段銜接，DN450壓力鋼管布置在隧洞左下角襯砌內，左下角開挖斷面適當加大；

（3）導流洞段長約220 m，DN450壓力鋼管布置在隧洞左側，外包二期混凝土寬0.8 m，高1～2.5 m。

4.3.3 金屬結構設計

泄洪放空洞的進口事故閘門和工作閘門、1號進水口的攔污柵和隔水事故閘門以及出口工作閥均維持不變。僅對2號進水口的攔污柵和事故閘門等配合引水鋼管進行優化設計。

2號進水口的攔污柵為粗格直柵，預埋螺栓固定，不設專門清污設備。攔污柵孔口尺寸為1.0 m×1.0 m，設計水頭為4.0 m。事故閘門為潛孔平面滑動鋼閘門，下游止水，利用水柱動水閉門，小開度提門充水平壓啟門，由1臺250kN固定卷揚機配拉桿操作。事故閘門孔口尺寸為0.8 m×0.8 m，設計水頭為40.0 m。在消力池末端管線最低處增設一個排污口，排污口設偏心半球閥作為工作閥。

圖3 鋼管布置（單位：m）

4.3.4 閘門井設計

引水洞和泄洪洞兩閘門井功能合并到泄洪洞閘門井內，閘門井采用上大下小的結構型式，閘門井結構圖見圖4。高程771.0 m以下尺寸受2號進水口和泄洪洞的金屬結構設備影響，斷面尺寸為14.5 m×9.3 m；高程771.0 m以上的尺寸受1號進水口、2號進水口和泄洪洞的金屬結構設備影響，斷面尺寸為14.5 m×12.5 m。閘門井內1號進水口在事故門之后漸變到DN450壓力鋼管，壓力鋼管沿閘門井側墻向下布置，在高程756.0 m與2號進水壓力鋼管通過三通管連接。

4.3.5 泄洪放空洞優化設計

圖4 閘門井結構（單位：m）

泄洪放空洞進口段、事故門和工作門的布置和尺寸均維持不變，僅龍抬頭段末端及導流洞段的過流寬度由原來的4.6 m變為3.8 m，泄洪放空洞的泄流能力不變，變窄后水深增加，最大摻氣水深由1.49 m增加到1.92 m，滿足規范[3]要求。

4.3.6 方案優化前后對比

方案優化前后，工程結構主要變化對比詳見表1。

工程優化后，節省投資約53萬元，泄洪放空系統和引水系統互相獨立，不影響各自的功能和使用，泄洪放空系統泄流規模不變，引水系統的引水能力不變，分層取水功能不變。

4.3.7 優化方案總體布置

引水系統由高程773.0 m的1號引水隧洞、高程756.0 m的2號引水壓力鋼管、龍抬頭段壓力鋼管、導流洞段壓力鋼管、出口消力池段壓力鋼管和高位水池組成。總體布置見圖5。1號引水隧洞斷面為直徑2.0 m圓形洞，在閘門井內布置攔污柵和檢修門，檢修門之后隧洞漸變到DN450壓力鋼管，壓力鋼管沿閘門井側墻向下布置，在高程756 m與2號引水壓力鋼管通過三通管連接。2號引水壓力鋼管進口布置在高程756 m有壓洞襯砌的外側，長75 m；在閘門井內布置檢修門，檢修門之后漸變到DN450壓力鋼管，之后和1號洞的引水管通過三通管連接，龍抬頭段壓力鋼管布置在隧洞襯砌的底部，長80 m；到導流洞段，鋼管布置在隧洞左側，外包混凝土，長220 m；出口消力池段，鋼管依然采用外包混凝土布置，長50 m，在消力池尾部布置鎮墩，壓力鋼管從鎮墩處轉彎向上接到高位水池，鎮墩處設排污閥1個。壓力鋼管出口高程設置錐形閥，錐形閥后接高位水池。

表1 方案優化前后結構變化對比

圖5 三洞合一縱剖面示意

5 結論

（1）當引水流量較小時，采用鋼管代替隧洞是一種可選的設計方案。充分利用其他隧洞的支護結構和多余空間布置鋼管，使各建筑物功能互不干擾，是優化設計的關鍵。

（2）納壩水庫通過把引水、泄洪放空和導流3種功能合而為一，優化了工程布置，能降低了施工難度和安全隱患，節省了工程投資，保障了施工工期。

（3）引水隧洞優化后對工程的規模、功能、運行和生態環境等無不利影響，運行至今，工程防洪度汛、供水和灌溉等運行狀況良好。