(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)研究計(jì)院，成都，610072)

1 工程概況

南江縣紅魚(yú)洞水庫(kù)工程是一座以灌溉、防洪、城鄉(xiāng)生活及工業(yè)供水等綜合利用的水利工程。水庫(kù)壩址位于四川省巴中市南江縣橋亭鄉(xiāng)境內(nèi)的南江河紅魚(yú)洞河段。本工程為Ⅱ等大(2)型水庫(kù)，樞紐由瀝青混凝土心墻堆石壩、右岸開(kāi)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(kù)容1.66億m3，興利庫(kù)容1.31億m3，防洪庫(kù)容0.197億m3。擋水及泄洪建筑物按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，2000年一遇洪水校核，消能防沖建筑物按50年一遇洪水設(shè)計(jì)。

2 地形地質(zhì)條件

壩址區(qū)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(qū)洞室圍巖主要為志留系中統(tǒng)羅惹坪群(S2lr)砂質(zhì)頁(yè)巖、梁山組(P1l)灰?guī)r及黑色頁(yè)巖和二迭系下統(tǒng)茅口-棲霞組(P1m+q)灰?guī)r。

泄洪放空洞布置在大壩左岸，洞室多位于新鮮～弱風(fēng)化巖體內(nèi)，巖性主要為砂質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖構(gòu)成，巖層產(chǎn)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(fā)育三組構(gòu)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(qū)河道左岸為凸岸的地形地質(zhì)條件，泄洪放空洞軸線可“截彎取直”，有利于水流流態(tài)。

(2)根據(jù)施工導(dǎo)流洞布置在左岸，以其橫斷面尺寸及坡降，復(fù)核其滿足明流條件允許的最大過(guò)流能力，能滿足水庫(kù)放空要求，并能承擔(dān)一定泄洪任務(wù)，故選擇泄洪放空洞與施工導(dǎo)流洞結(jié)合，進(jìn)口采用“龍?zhí)ь^”型式，且不再擴(kuò)大洞身斷面加大泄洪放空洞泄洪規(guī)模，剩余泄洪任務(wù)由溢洪道承擔(dān)。

(3)泄洪放空洞出口采用挑流消能的型式，由導(dǎo)流洞出口二期改建而成。

4 泄洪放空洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 方案擬定

為節(jié)約工程投資，將左岸施工導(dǎo)流洞改造為泄洪放空洞。經(jīng)分析地形地質(zhì)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(guò)水，后面采用龍?zhí)ь^無(wú)壓隧洞過(guò)水”布置方案的投資最省，為最優(yōu)泄洪放空洞軸線。選定的泄洪放空洞平面軸線總長(zhǎng)633m，與河道夾角27.9°，結(jié)合段最小側(cè)向埋深35m。

泄洪放空洞進(jìn)口底高程過(guò)低不利于閘門(mén)啟閉，且減少與下部導(dǎo)流洞間的圍巖保護(hù)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(shí)過(guò)水。整個(gè)隧洞由有壓段、塔井段、龍?zhí)ь^段、導(dǎo)流洞結(jié)合段、挑流反弧段組成。

4.2 水力學(xué)模型推薦體型

根據(jù)施工導(dǎo)流洞橫斷面尺寸及底坡，計(jì)算其保證為無(wú)壓流時(shí)允許的最大過(guò)流能力，確定塔井內(nèi)有壓短進(jìn)口孔口尺寸為6m×5.5m(寬×高)，龍?zhí)ь^段的渥奇曲線體型為X2=275Y，斜井段底坡變?yōu)?∶3，反弧段半徑為50m。1#摻氣坎位于渥奇曲線起點(diǎn)，樁號(hào)泄0+027.00m處高程596.5m；2#摻氣坎位于反弧段與導(dǎo)流洞完全結(jié)合點(diǎn)，樁號(hào)0+155.61m。挑坎：左側(cè)邊墻從樁號(hào)0+452.5m起到樁號(hào)0+466.41m以半徑35.0m向左側(cè)偏轉(zhuǎn)23.4°，右側(cè)邊墻從樁號(hào)0+452.5m起到樁號(hào)0+477.46m以半徑165.0m向左側(cè)偏轉(zhuǎn)8.7°。挑坎起挑半徑皆從0+456.0m起，起挑半徑皆為35.0m，左側(cè)挑角為17.3°，右側(cè)挑角為37.7°。

4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泄洪放空洞位于大壩左岸，其進(jìn)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(yú)洞公路隧洞外側(cè)，前段為有壓隧洞，中段為閘室，中后段采用“龍?zhí)ь^”結(jié)構(gòu)型式與導(dǎo)流洞結(jié)合；總長(zhǎng)度646.0m，其中引水渠段長(zhǎng)9.6m，有壓隧洞長(zhǎng)152.0m，閘室段長(zhǎng)27.0m，無(wú)壓隧洞長(zhǎng)432.4m，挑流段長(zhǎng)度25.0m。

前緣有壓進(jìn)口直接在巖壁成洞；圓形有壓隧洞段在平面上設(shè)一轉(zhuǎn)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(zhǎng)27.0m，孔口尺寸為6m×5.5m(寬×高)。

無(wú)壓隧洞采用城門(mén)洞型，龍?zhí)ь^段水平長(zhǎng)度128.6m，上部轉(zhuǎn)彎采用冪曲線，斜段坡比1∶3.0，下部轉(zhuǎn)彎為弧段，半徑50.0m，轉(zhuǎn)角18.4°；與導(dǎo)流洞結(jié)合段長(zhǎng)300.4m，縱坡比為8/1000。對(duì)易發(fā)生空蝕的部位設(shè)1#和2#摻氣槽，相應(yīng)樁號(hào)泄0+027.0m、泄0+155.61m。洞身為城門(mén)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(jié)構(gòu)，過(guò)流面底板用0.5m厚C40抗沖耐磨混凝土、邊墻抹7mm厚環(huán)氧砂漿以抗沖耐磨。為避免對(duì)挑流坎基礎(chǔ)的沖刷，在挑坎后基礎(chǔ)550m高程上設(shè)1.0m厚混凝土護(hù)底，長(zhǎng)度為20m。挑流區(qū)：水流影響5#堆積體穩(wěn)定，予以開(kāi)挖清除。為減輕下游河床紊亂水流對(duì)兩岸的沖刷，采用C15混凝土護(hù)坡對(duì)岸邊進(jìn)行保護(hù)。

圖1 匯洪放空洞平面布置及縱剖面

5 設(shè)計(jì)計(jì)算及水力學(xué)模型試驗(yàn)

5.1 泄流能力計(jì)算

泄洪放空洞泄流能力計(jì)算公式為：

Q=μω(2g(H-D))0.5

其中：μ——綜合流量系數(shù)，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(jì)算成果與模型試驗(yàn)成果對(duì)比

工況洪水頻率入庫(kù)流量庫(kù)內(nèi)水位泄洪放空洞最大泄流量計(jì)算值模型試驗(yàn)值偏差pm3/smm3/sm3/s%校核工況0.05%4590651.82823830.50.91%設(shè)計(jì)工況1%2770650.10809814.90.73%

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

5.2 水面線計(jì)算

以泄洪放空洞閘孔收縮斷面處為起點(diǎn)，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(jì)算相應(yīng)摻氣水深。通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證校核洪水工況下隧洞內(nèi)的水面線，成果見(jiàn)表2。

表2校核工況計(jì)算和實(shí)測(cè)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(shè)計(jì)要求。

5.3 挑流消能計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，宣泄校核洪水時(shí)，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(jù)模型試驗(yàn)成果，設(shè)計(jì)與校核工況沖刷最深點(diǎn)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(jiàn)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(chǔ)是安全的，結(jié)構(gòu)合理。

5.4 無(wú)壓隧洞襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算

采用圓拱直墻現(xiàn)澆混凝土襯砌，計(jì)算所采用的程序?yàn)橹心显骸八に矶翠摻罨炷烈r砌計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)SDCAD4.0”水利版。根據(jù)不同圍巖段的地質(zhì)參數(shù)(f、k、φ值)，分帷幕前及帷幕后按邊值法進(jìn)行運(yùn)行期、檢修期、施工期共3種工況的結(jié)構(gòu)計(jì)算。無(wú)壓隧洞段計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3無(wú)壓隧洞段結(jié)構(gòu)計(jì)算成果

6 結(jié)語(yǔ)

(1)本工程泄洪放空洞采用與導(dǎo)流相結(jié)合的型式，節(jié)約了工程投資；

(2)泄洪放空洞采用“龍?zhí)ь^”型式，通過(guò)水力學(xué)模型試驗(yàn)，論證了泄洪放空洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并進(jìn)行了體型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；

(3)截止目前，泄洪放空洞基本施工完畢，“龍?zhí)ь^”段隧洞施工相對(duì)有一定難度，需做好隧洞的臨時(shí)支護(hù)措施。