趙新偉

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

樓莊子水庫位于頭屯河硫磺溝鎮(zhèn)以南25 km處，距下游昌吉市硫磺溝鎮(zhèn)樓莊子村8 km，庫區(qū)下游有國防公路通過，壩址位于制材廠水文站以下8.5 km處，是一座以灌溉、防洪和城市及工業(yè)供水為主要任務的水庫工程。水庫工程由粘土心墻壩、導流兼泄洪沖沙洞、溢洪洞、引水洞等組成。

按照《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2000）和《防洪標準》（GB50201-2014），確定樓莊子水庫為Ⅲ等工程，工程規(guī)模為中型。大壩設計洪水標準為100年一遇，洪峰流量Q=405 m3/s；校核洪水標準為2000年一遇，洪峰流量Q=750 m3/s。消能防沖建筑物的設計洪水標準為30年一遇，最大入庫洪峰流量Q=277 m3/s。導流標準:圍堰施工期施工導流洪水標準為20年一遇，洪峰流量Q=237 m3/s。壩體施工期擋洪度汛洪水標準為50年一遇，洪峰流量Q=330 m3/s。

導流兼泄洪沖沙洞為一條多功能隧洞，前期承擔施工導流的任務，后期承擔泄洪沖沙的任務，布置在河床右岸。導流兼泄洪沖沙洞設校核工況下校核泄量275 m3/s，導流兼泄洪沖沙洞由進口段、閘井段、洞身段、出口消能段組成，全長691.471 m，消能方式采用底流消能。

2 泄水建筑物的任務及要求

2.1 泄水建筑物的任務及運用要求

1）工程最大壩高82.6 m，泄水建筑物布置兩層，即表孔溢洪洞和導流兼泄洪沖沙洞，同時要求導流兼泄洪沖沙洞進口底板高程和孔口尺寸根據(jù)施工導流、度汛要求綜合考慮。

2）泄水建筑物按表、底孔進行不同高程布置，使之滿足在水庫運行調(diào)度中操作靈活、安全可靠的要求。

3）各泄水建筑物孔口高程的設置在滿足金屬結(jié)構安全可靠操作靈活的前提下，盡可能的降低進口高程，減少泄水建筑物孔口尺寸。

4）在泄量分配上:水庫汛期起調(diào)水位為汛限水位（即正常蓄水位），在庫水位小于防洪高水位1397.39 m時，采用表孔溢洪洞控制下泄洪水；在庫水位大于防洪高水位而小于設計洪水位1397.43 m時，也采用表孔溢洪洞控制下泄洪水；在庫水位大于設計洪水位而小于校核水位1397.63 m時，采用底孔導流兼泄洪沖沙洞和表孔溢洪洞同時開啟并控制泄洪。其中溢洪道泄量占總下泄量的50%以上。

5）導流兼泄洪沖沙洞進口采用隧洞形式與閘井相接，應考慮避免此段隧洞被泥沙堵塞。

2.2 各泄水建筑物下泄流量

各泄水建筑物下泄流量見水庫調(diào)洪演算成果見表1。

表1 水庫調(diào)洪演算成果表

3 導流兼泄洪沖沙洞結(jié)構設計

3.1 進口段高程

為了減少導流兼泄洪沖沙洞進口引渠的開挖及邊坡的高度，結(jié)合地形地質(zhì)條件，綜合考慮河床高程及導流要求，防止泥沙對進口段隧洞的影響，將進口段隧洞縱坡加大，隧洞進口高程比河床高8 m左右，確定導流兼泄洪沖沙洞進口底板高程1335.00 m，進洞口處底板高程為1337.40 m。

3.2 泥沙堵塞分析

根據(jù)實測泥沙資料統(tǒng)計，頭屯河汛期懸移質(zhì)泥沙主要集中在汛期5月～8月份，懸移質(zhì)輸沙量占全年的93.32%，其中5月占9.01%，6月占19.93%，7月占46.01%，8月占18.37%，根據(jù)入庫泥沙的特點，在滿足水庫興利的前提下，采取部分汛期調(diào)沙運行的泥沙調(diào)度運行方式，排沙時機選擇在5月下旬庫水位降至死水位運行，導流兼泄洪沖沙洞死水位運行時進口隧洞段流速為9.1 m3/s，由于流速較大，因此進口隧洞段不存在堵塞問題，放水洞進口隧洞段高程較高，水質(zhì)較好，不存在泥沙堵塞問題。

3.3 孔口尺寸

導流兼泄洪沖沙閘的任務為施工期導流，運行期泄洪、沖沙。

在施工期，初期、中期導流標準P=5%，相應洪峰流量236 m3/s，后期導流標準P=2%，相應洪峰流量330 m3/s；在運行期，根據(jù)水庫調(diào)洪演算成果導流兼泄洪沖砂洞在校核水位1397.63 m時下泄流量為275 m3/s。

導流兼泄洪沖沙洞孔口尺寸按照兩種工況進行比較確定，見表2。

工況一:按施工期導流標準確定孔口尺寸，再復核運行期下泄流量；

工況二:按照運行期下泄流量確定孔口尺寸，再復核施工期下泄流量。

表2 兩種工況成果分析表

根據(jù)計算分析可知，在工況一的情況下，根據(jù)施工期導流標準確定導流兼泄洪沖沙洞孔口尺寸為2.5 m×3.0 m，可滿足施工導流期度汛要求，但在運行期，導流兼泄洪沖沙洞最大下泄流量為119 m3/s，不能滿足運行期泄洪要求。在工況二的情況下，根據(jù)運行期最大泄洪流量275 m3/s確定導流兼泄洪沖沙洞孔口尺寸為3.0 m×4.0 m，其實際最大下泄流量為288 m3/s，滿足泄洪要求，也滿足施工期導流要求。因此確定導流兼泄洪沖沙洞孔口尺寸按照運行期泄洪要求確定。

導流兼泄洪沖沙洞進口段為有壓泄流方式，根據(jù)導流期流量及2000年一遇洪水泄洪要求，經(jīng)計算確定導流兼泄洪沖沙洞工作門孔口尺寸為3.0 m×4.0 m（寬×高）。

3.4 結(jié)構布置

3.4.1 進口段

樁號導0-196.471m～導0+000.000 m為進口段，進口段由進口引渠和進口隧洞段組成。

樁號導0-196.471m～導0-120.000 m段為引渠段，長76.471 m，底板高程為 1338.93 m～1337.40 m，縱坡 i=0.02，斷面型式為矩形，引渠底板寬4 m，為厚0.3 m的C20素混凝土結(jié)構，引渠邊墻為厚0.3 m的C20素混凝土結(jié)構。

樁號導0-120.000m～導0+000.000m為進口隧洞段，長120m。其中樁號導0-120.000m～導0-010.000m為洞身段，段長110m，縱坡i=0.02，斷面型式為城門洞形，洞徑為4m×5.5m（寬×高），C25鋼筋混凝土襯砌厚度為0.6m；樁號導0-010.000m～導0+000.000m為漸變段，段長10m，縱坡i=0.02，斷面型式尺寸由4.0m×5.5m（寬×高）城門洞形漸變?yōu)?.0m×5.0m（寬×高）矩形斷面，采用C25鋼筋混凝土襯砌，厚度為1.2m。

3.4.2 閘井段

樁號導0+000.000 m～導0+025.000 m為閘井段，采用豎井式進水口，將閘井鑲嵌在山體中，閘井順水流方向長25 m，垂直水流方向?qū)? m。設一扇平板事故檢修門，孔口尺寸4.0 m×5.0 m（寬×高）；一扇弧形工作門，孔口尺寸3 m×4 m（寬×高），進口底板高程1335.00 m，閘井頂高程1400.30 m。閘井四周進行固結(jié)灌漿，灌漿孔間排距3.0 m×3.0 m，灌漿孔長4.0 m，閘井為鋼筋混凝土結(jié)構。

3.4.3 洞身段

樁號導0+025.000 m～導0+375.000 m為無壓隧洞洞身段，全長350 m，其中樁號導0+025.000 m～導0+035.000 m為漸變段，斷面形式由4.0 m×5.0 m（寬×高）矩形漸變?yōu)?.0 m×5.5 m（寬×高）城門洞型式；樁號導0+035.000 m～導0+365.000 m為洞身段，樁號導0+365.000 m～導0+375.000 m為明洞段，斷面型式為城門洞形，斷面尺寸為4.0 m×5.5 m（寬×高），洞身直墻高4.345 m，拱頂中心角均為120°，半徑2.309 m。在側(cè)墻與底板相接處設一半徑0.6 m的圓弧。洞身每10.0 m設置一道結(jié)構縫，內(nèi)設一道止水，縱坡i=0.02。邊墻和底板采用C40高性能鋼筋混凝土襯砌，厚度為0.6 m。

出口洞臉邊坡設間距3 m，φ25的砂漿錨桿，錨桿長4.0 m邊坡采用C30混凝土噴護，噴護厚度100 mm，并掛φ8@200 mm×200 mm的鋼筋網(wǎng)。

3.4.4 出口消能段

樁號導0+375.000 m～導0+480.000 m為出口消能段，其中包括泄槽段、擴散段、消力池段。其中樁號導0+375.000 m～導0+385.000 m為泄槽段，長10 m，底板縱坡i=0.02。樁號導0+385.000 m～導0+430.000 m為擴散段，長45 m，縱坡i=1/3，斷面形式為矩形，由底寬4.0 m擴散到底寬8.0 m，邊墻和底板均采用C25鋼筋混凝土襯砌，襯厚1.0 m。樁號導0+430.000 m～導0+480.000 m為消力池段，長50 m，縱坡i=0，斷面形式為矩形，底寬8.0 m，高7.0 m，邊墻和底板均采用C25鋼筋混凝土襯砌，襯厚分別為1.5 m和2.0 m；消力池后接15 m扭面連接后部退水建筑物。

4 導流兼泄洪沖砂洞結(jié)構計算

4.1 穩(wěn)定計算

導流兼泄洪沖沙洞為豎井開挖，閘井緊密的鑲嵌在山體中，因此無需進行穩(wěn)定計算。

4.2 洞身結(jié)構計算

洞身結(jié)構結(jié)構計算采用結(jié)構力學方法計算，由《水利水電工程PC1500程序集》中G-12進行計算。

對導流兼泄洪沖沙洞的不同樁號位置作為典型段面進行結(jié)構計算:計算樁號為0+035 m、0+200 m、0+350 m。

4.2.1 計算工況及荷載組合

計算內(nèi)力組合分為施工期、運行期和檢修期三種工況。

施工期:自重+山巖壓力+灌漿壓力；

運行期:內(nèi)水壓力+外水壓力+自重+山巖壓力；

檢修期:外水壓力+自重+山巖壓力。

灌漿壓力按0.2 MPa計，作用于洞室頂部；洞身尺寸4.0 m×5.5 m（b×h）的城門洞型；圍巖容重 γ巖=2.69 g/cm3；內(nèi)摩擦角φ=39°；洞身為Ⅳ類圍巖，單位彈抗K0=667 N/cm3～1944 N/cm3。圍巖泊松比μ=0.25。

外水壓力受圍巖構造裂隙、完整程度及排水措施等多方因素的影響，依據(jù)《水工隧洞設計規(guī)范》（SL 279-2002），應予折減。依據(jù)本工程的地質(zhì)情況參考規(guī)范規(guī)定，計算外水時上游以校核洪水位1397.63 m、下游以出洞口洞頂為出溢點拉一直線認為是外水浸潤線，在各計算斷面截取對應的水頭，乘以相應的折減系數(shù)，即為計算外水?？紤]工程的地質(zhì)情況和頂拱設置排水孔，漸變段外水不折減，洞身段外水折減系數(shù)0.6。

4.2.2 計算成果

導流兼泄洪沖沙洞為無壓明流洞，襯砌厚度及配筋受內(nèi)壓控制，其主控荷載是外水壓力，經(jīng)結(jié)構計算漸變段襯砌厚度為0.8 m，洞身段襯砌厚度0.6 m。計算成果見3。

表3 導流兼泄洪沖沙洞洞身段結(jié)構計算成果表

根據(jù)計算結(jié)果采用鋼筋為Φ25@190 mm。配筋面積為2584 mm。計算截面尺寸為1000 mm×600 mm，保護層厚度為50 mm，配筋率為0.47%，大于最小配筋率0.15%。襯砌結(jié)構尺寸合理。

5 結(jié)語

樓莊子水庫工程導流兼泄洪沖沙洞建成截流通水后，導流度汛運行狀況良好，通過兩年來運行情況看，進一步驗證了其設計與計算滿足規(guī)范要求及運行使用要求，可為類似工程設計提供一定參考，相信后期隨著后期大壩、溢洪洞及引水洞工程的陸續(xù)建成，必將極大地促進當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展與社會進步。