詹雙橋，周自力，謝育健，鄭永蘭，左全裕

（1.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.永州市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，湖南 永州 425000）

1 工程概況

涔天河水庫擴(kuò)建工程位于湖南省永州市江華瑤族自治縣境內(nèi)的湘江支流瀟水上游峽谷出口處，下距江華縣城12 km。工程開發(fā)的主要任務(wù)是灌溉、防洪、下游補(bǔ)水和發(fā)電，兼顧航運(yùn)等綜合利用，水庫總庫容15.1億m3，防洪庫容2.5億m3，水庫正常蓄水位313 m，電站裝機(jī)容量200 MW，灌溉面積111.46萬畝。

涔天河水庫擴(kuò)建工程為一等大（Ⅰ）型水利水電樞紐工程，大壩、泄洪建筑物等為1級(jí)建筑物，電站廠房為3級(jí)建筑物，導(dǎo)流洞為4級(jí)建筑物。

大壩為混凝土面板堆石壩，采用兩條高速水流泄洪洞宣泄洪水，其中2#泄洪洞為表孔溢流明流隧洞，采用“龍?zhí)ь^”布置型式與導(dǎo)流洞結(jié)合；1#泄洪洞為深孔短管有壓明流隧洞。

2 原設(shè)計(jì)方案

根據(jù)涔天河水庫工程地形地質(zhì)條件及擋水建筑物類型，泄水建筑物采用泄洪隧洞布置型式。經(jīng)過多方案比較論證，共設(shè)置兩條泄水隧洞，分別為1#泄洪洞和2#泄洪洞，均布置于大壩右岸山體內(nèi)，并采用進(jìn)水口高低搭配的布置型式以滿足本工程各工況下泄水要求。

2#泄洪洞為本工程主要泄水建筑物之一，采用“龍?zhí)ь^”布置型式，施工期結(jié)合導(dǎo)流。2#泄洪洞采用開敞式溢流進(jìn)口，其后接明流洞洞身，洞軸線采用直線布置，與1#泄洪洞軸線平行，軸線平面距離80 m。原設(shè)計(jì)方案進(jìn)口距老壩右壩頭近150 m，全長(zhǎng)880.5 m。導(dǎo)流洞在“龍?zhí)ь^”正下方與泄洪洞結(jié)合。洞身斷面型式為“城門洞”形，與導(dǎo)流洞結(jié)合段洞身凈寬12 m、凈高12.5 m，立面采用直線布置，控制段堰頂高程301 m，終點(diǎn)底板高程222.5 m，緩坡段設(shè)計(jì)縱坡2%，落差78.5 m，洞內(nèi)設(shè)置9道摻氣坎槽。最大流速超過33 m/s，屬高速水流隧洞，抗空蝕要求高。

3 方案優(yōu)化緣由

工程開工建設(shè)后，有關(guān)科研單位進(jìn)行了泄洪洞減壓模型試驗(yàn)，減壓模型試驗(yàn)成果表明，在原設(shè)計(jì)2%的洞身縱坡下，原有摻氣體型效果很差，雖然通過減壓模型試驗(yàn)重新選定的摻氣坎體型一定程度上可以緩解原設(shè)計(jì)摻氣坎效果差的問題，但該摻氣坎體型復(fù)雜，施工難度較大，施工控制不到位有可能形成新的空化源，給工程安全帶來隱患。

基于高速水流摻氣減蝕、施工難度、工程進(jìn)度及運(yùn)行安全等多方面因素的考慮，提出對(duì)泄洪洞布置及相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

4 溢洪明流泄洪洞設(shè)計(jì)

通過理論計(jì)算分析、工程類比及模型試驗(yàn)，結(jié)合泄洪洞出口挑流鼻坎布置，并考慮隧洞地質(zhì)條件、摻氣坎保護(hù)范圍等因素，通過調(diào)整“龍?zhí)ь^”段反弧半徑形成跌坎摻氣，并根據(jù)摻氣水深調(diào)整局部洞段洞身高度，出口挑流鼻坎結(jié)構(gòu)布置相應(yīng)調(diào)整。

4.1 結(jié)構(gòu)布置

4.1.1 洞軸線布置

2#洞位于1#洞右側(cè)，兩洞軸線水平距離80 m，其工程地質(zhì)條件與1#泄洪隧洞類似，F(xiàn)88、F27、F1、F10、F230、F231和F6等斷層斜切洞身。除斷層部位屬Ⅴ類圍巖外，大多屬Ⅱ～Ⅳ類圍巖。進(jìn)口邊坡基巖為D13巖組之粉砂巖夾砂巖，巖石呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，穩(wěn)定性較好。出口洞臉右側(cè)基本為順層邊坡，邊坡穩(wěn)定條件較差。

2#洞進(jìn)水口為開敞式實(shí)用堰，其后接明流洞洞身。進(jìn)口距老壩右壩頭近150m，洞軸線采用直線布置，2#泄洪洞全長(zhǎng)880.5m。導(dǎo)流洞在“龍?zhí)ь^”正下方與泄洪洞結(jié)合。

4.1.2 泄洪洞結(jié)構(gòu)布置

1）進(jìn)口段（0-035.5～0+000m）

2#泄洪洞進(jìn)口控制段長(zhǎng)35.5 m，為1孔開敞式進(jìn)水口，堰頂高程301 m，堰凈寬18 m，堰型為WES堰，堰面上游平臺(tái)高程280 m。堰體上游設(shè)有鋼質(zhì)平板檢修閘門，閘門底坎高程299.5 m，孔口尺寸18 m×13.5 m（寬×高），臺(tái)車啟閉；檢修門后設(shè)有1孔鋼質(zhì)弧形工作閘門，弧門尺寸18m×15.6m（寬×高），液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉。

WES堰面曲線上游為3∶1斜坡接兩段圓弧，下游為Y=0.055 38X1.836冪曲線接1∶1斜坡段。堰體與兩側(cè)閘墩為整體式槽型結(jié)構(gòu)，閘墩厚2.5 m，堰面為60 cm厚C40HF抗沖耐磨混凝土。

進(jìn)口控制段頂部高程324 m，閘墩與岸坡相接并與壩區(qū)公路形成交通通道，閘墩上部布置工作弧門啟閉液壓泵房和檢修門啟閉排架。

2）洞身段（0+000～0+770 m）

洞身斷面型式為“城門洞”形，全長(zhǎng)770m，立面采用“龍?zhí)ь^”式布置，起點(diǎn)高程282.49 m。控制段后接1∶1斜坡段，斜坡段長(zhǎng)13.85 m，該段底寬18 m、凈高14.23 m。斜坡段后接反弧段，反弧段轉(zhuǎn)彎半徑R=105 m，轉(zhuǎn)彎角θ=43.85°，末端底板高程237.879 m；該段為洞身漸變段，長(zhǎng)72.195 m，底寬由18 m漸變?yōu)?2 m，凈高由14.23 m漸變?yōu)?2.5 m。反弧段通過圓弧半徑變化在末端形成跌坎，跌坎下游側(cè)墻設(shè)置通氣孔，即形成本泄洪洞的摻氣設(shè)施。摻氣坎高度1.1 m，通氣孔尺寸0.8 m×1.9 m。

摻氣坎下游為泄洪平洞段，底寬12 m，凈高12.5～14.5 m，i=2%，長(zhǎng)683.95 m，隧洞終點(diǎn)底板高程222.5 m，該段與導(dǎo)流洞結(jié)合。泄洪平洞段分三大部分：0+86.048～0+664.5 m之間為開挖洞身斷面，0+664.5～0+702.5m之間為現(xiàn)澆混凝土明洞斷面，0+702.5～0+770 m之間為開挖洞身斷面。由于出口洞段受欠挖及洞口偏壓變形影響，原設(shè)計(jì)1 m的襯砌厚度不能保證，參建各方研究確定將0+720～0+770 m之間洞頂降低0～1 m，0+770 m處洞頂高程由EL237 m降低至EL236 m，洞身凈高由14.5 m降低至13.5 m。洞身混凝土襯砌每12 m分一伸縮縫，不留縫寬，縫間紫銅片止水。

泄洪洞內(nèi)最大流速位于下彎段末端，達(dá)36.65m3/s，抗沖耐磨要求較高，參照國內(nèi)外近年來已設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行的同類工程所總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本工程特點(diǎn)，隧洞底板面層采用60 cm厚C40HF抗沖耐磨混凝土、下層為C25混凝土，側(cè)墻采用C40混凝土襯砌，襯砌厚度根據(jù)圍巖類型計(jì)算選定。Ⅲ類圍巖襯砌底板厚度0.8m、側(cè)墻厚度0.6m，為了解決無頂拱混凝土邊墻在外水壓力作用下易于失穩(wěn)破壞的問題，洞身側(cè)墻增設(shè)了Φ28@3m、L=4.5 m的系統(tǒng)錨桿，錨桿外露巖壁設(shè)置直角彎并與襯砌鋼筋焊接、錨入襯砌混凝土中；Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯砌底板厚度1.5m、側(cè)墻及頂拱厚度1.2 m。由于洞身為無壓流，摻氣水深沒有超過直墻，因此隧洞頂拱Ⅲ類圍巖不設(shè)混凝土襯砌，只采取掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)處理。

3）出口明渠段（0+770～0+817.27 m）

出口明渠段全長(zhǎng)47.27 m，包括27.27 m長(zhǎng)直段和20 m長(zhǎng)擴(kuò)散段。明渠段為矩形槽身結(jié)構(gòu)，側(cè)墻與底板整體澆筑。

直段凈寬12 m，底板高程222.5 m、側(cè)墻頂部高程237.0 m。側(cè)墻頂寬2.5 m，底板面層為60 cm厚C40HF抗沖耐磨混凝土，底板下層及側(cè)墻為C25現(xiàn)澆混凝土。

擴(kuò)散段凈寬從12 m漸變?yōu)?5 m，擴(kuò)散角4.29°左右對(duì)稱布置，底板高程222.5 m、側(cè)墻頂部高程237.0 m。側(cè)墻頂寬2.5 m，底板面層為60 cm厚C40HF抗沖耐磨混凝土，底板下層及側(cè)墻為C25現(xiàn)澆混凝土。

4）鼻坎段

根據(jù)前期模型試驗(yàn)成果，2#泄洪洞出口挑流鼻坎為異形結(jié)構(gòu)形式，中間主挑坎頂高程230 m，挑射角30°，左右兩側(cè)設(shè)置貼坎，鼻坎段全長(zhǎng)28.73 m。2014年4月導(dǎo)流洞試通水，2014年5月11日，庫水位達(dá)到250.5 m時(shí)，導(dǎo)流洞出口形成壓力流，水庫水位達(dá)到251.3 m時(shí)，導(dǎo)流洞出口明渠側(cè)墻頂部漫水，分析原因?yàn)閷?dǎo)流洞出口挑流鼻坎過高。為此，重新開展了導(dǎo)流洞的水力模型試驗(yàn)，提出了優(yōu)化挑坎的方案。

根據(jù)施工工期安排，導(dǎo)流洞鼻坎降低改造時(shí)間選在2014年10月下旬進(jìn)行，施工時(shí)間歷時(shí)半個(gè)月，采用繩鋸無損切割混凝土工藝對(duì)鼻坎進(jìn)行拆除改造，即根據(jù)模型試驗(yàn)成果，將原設(shè)計(jì)EL230 m的挑流主鼻坎及左側(cè)貼坎頂高程均降低至EL227 m，左側(cè)貼坎按1∶0.5放坡至EL227 m。繩鋸切割工藝有效保證了鼻坎母體混凝土基本無損傷，拆除后的混凝土表面平整度高，降坎后導(dǎo)流洞運(yùn)行情況良好。

模型試驗(yàn)成果表明，導(dǎo)流期間降低改造后的鼻坎體型可滿足導(dǎo)流期洞內(nèi)流態(tài)及下游消能防沖要求，但不滿足運(yùn)行期泄洪是下游消能防沖要求。通過大量試驗(yàn)選定“EL228.0～EL227.5 m斜挑坎”方案，即中間主挑坎右側(cè)頂高228 m、左側(cè)227.5 m，左側(cè)貼塊先部分切割拆除，然后澆筑混凝土形成新的斜面貼塊，右側(cè)原貼塊局部加高形成斜面貼塊。

5）出口護(hù)坦及護(hù)岸（0+846～0+958 m）

挑流鼻坎下游護(hù)坦順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度40 m，右側(cè)護(hù)岸長(zhǎng)度112 m。

根據(jù)整體模型試驗(yàn)成果，原設(shè)計(jì)護(hù)坦及右側(cè)均為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。護(hù)坦采用斜面形式，即根據(jù)河床右側(cè)高、河床中部低的特點(diǎn)，護(hù)坦平面坡比1∶3.5，右側(cè)頂高程220.0 m，左側(cè)頂高程212.64 m，護(hù)坦厚度不小于1.5 m，建基面要求為完整基巖。右側(cè)護(hù)岸采取現(xiàn)澆貼坡混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土護(hù)岸頂高程EL230 m,基礎(chǔ)要求嵌入完整基巖的深度不小于1.0 m，護(hù)岸厚度1.0 m，面坡坡比1∶1，在EL220 m高程設(shè)置1.5 m寬的平臺(tái)，并在該平臺(tái)設(shè)置順?biāo)鞣较虻慕Y(jié)構(gòu)縫。

護(hù)坦和護(hù)岸設(shè)置目的是導(dǎo)流或運(yùn)行期間對(duì)鼻坎下游河床進(jìn)行有效防沖保護(hù)。

由于導(dǎo)流洞出口施工圍堰防滲效果欠佳，2#泄洪洞出口護(hù)坦護(hù)岸未能在導(dǎo)流洞通水之前完成，導(dǎo)流洞通水前，現(xiàn)場(chǎng)采取了水下灌注混凝土的補(bǔ)救措施。2015年汛期，導(dǎo)流洞出口下游右側(cè)護(hù)岸沖毀，水下灌注的混凝土護(hù)坦也遭到破壞。

根據(jù)施工進(jìn)度安排，2017年枯水期需對(duì)下游護(hù)岸及右側(cè)護(hù)岸進(jìn)行恢復(fù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況并經(jīng)咨詢水規(guī)總院，對(duì)鼻坎下游護(hù)坦及右側(cè)護(hù)岸的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，調(diào)整后改用“水下拋石+格賓石籠”代替EL220 m高程以下尚未實(shí)施的現(xiàn)澆混凝土護(hù)坦，水下拋石頂面從右側(cè)向河道中央放坡。拋石頂部設(shè)置一層1 m×2 m×1 m的格賓石籠，格賓石籠右側(cè)頂高程EL220.0 m，左側(cè)頂高程EL218.0 m。

重新恢復(fù)的護(hù)岸起點(diǎn)自0+858 m開始，終點(diǎn)樁號(hào)0+958 m，護(hù)岸體型與原設(shè)計(jì)略有調(diào)整，即合并兩級(jí)為一級(jí)，取消EL220 m高程的結(jié)構(gòu)縫，混凝土護(hù)岸面坡坡比1∶1，厚度1 m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，護(hù)岸頂高程230.0 m，基腳頂高程220.0 m；要求將護(hù)壁樁樁頂澆筑到基礎(chǔ)混凝土內(nèi)以提高樁體整體性。

共布置95根鉆孔灌注樁對(duì)護(hù)岸基礎(chǔ)和鼻坎基礎(chǔ)進(jìn)行保護(hù)，其中鼻坎下游右側(cè)護(hù)壁樁起點(diǎn)樁號(hào)0+859.217m，終點(diǎn)樁號(hào)0+956.77 m，共70根，樁頂高程219.5 m，樁底高程204.0～208.0 m；鼻坎末端及左側(cè)增設(shè)25根鉆孔灌注樁以加強(qiáng)對(duì)鼻坎和明渠左側(cè)墻基礎(chǔ)的防沖保護(hù)，護(hù)壁樁頂高程217.0～221.0 m，樁底高程207.0～210.0 m。

4.2 水力設(shè)計(jì)

4.2.1 泄流能力

1）計(jì)算公式

式中 Q——下泄流量（m3/s）；

e、B——水流收縮斷面的底寬（m）；

ε——收縮系數(shù)；

cm——經(jīng)修正的流量系數(shù)；

σs——淹沒系數(shù)；

H0——包括行近流速的堰前水頭（m）。

2）試驗(yàn)泄流能力與計(jì)算泄流能力比較

試驗(yàn)泄流能力和計(jì)算泄流能力對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，庫水位為301m以上時(shí)，2#泄洪洞試驗(yàn)泄流能力較計(jì)算泄流能力有增有減，高水位時(shí)，試驗(yàn)泄流能力明顯大于計(jì)算泄流能力，說明2#泄洪洞高水位時(shí)超泄能力較強(qiáng)。兩泄洪洞試驗(yàn)泄流能力大于計(jì)算泄流能力，為確保工程安全，2#泄洪洞高水位時(shí)的超泄能力留作安全儲(chǔ)備，利用設(shè)計(jì)計(jì)算的泄流曲線進(jìn)行調(diào)洪演算確定水庫特征水位，見表1。

表1 試驗(yàn)泄流能力與計(jì)算泄流能力比較表（2#泄洪洞）

3）設(shè)計(jì)采用泄流能力

設(shè)計(jì)采用泄流能力計(jì)算成果見表2。

表2 推薦泄流能力計(jì)算成果表（2#泄洪洞）

4.2.2 水面線計(jì)算

1）計(jì)算公式

①計(jì)算清水深h

②計(jì)算摻氣水深ha（霍爾經(jīng)驗(yàn)公式）

其中K是與摻氣量有關(guān)的常數(shù)——槽壁材料系數(shù)，K=0.006；

2）計(jì)算成果

計(jì)算成果見表3。

由表3可知，2#泄洪洞在宣泄校核流量，由“理論計(jì)算清水深”推求的摻氣水面線以上空間占斷面總面積的28%～51%，凈空面積均超過斷面面積的20%，且水面沒有超過直墻，滿足規(guī)范要求；2#泄洪洞在宣泄校核流量，由模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)清水深計(jì)算的摻氣水面線以上空間占斷面總面積的26%～46%，凈空面積均超過斷面面積的20%，且水面沒有超過直墻，滿足規(guī)范要求。上述計(jì)算成果表明，模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)水面線與理論計(jì)算水面線在大部分洞段比較接近，局部洞段略有差異，設(shè)計(jì)泄洪洞斷面尺寸可以同時(shí)滿足理論計(jì)算和模型試驗(yàn)的要求，設(shè)計(jì)斷面尺寸經(jīng)濟(jì)合理。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，2#泄洪洞摻氣下游段0+106.048附近斷面直墻高度不夠，洞頂余幅也不夠，根據(jù)試驗(yàn)成果，將0+086.048～0+126.048之間洞頂進(jìn)行擴(kuò)挖，擴(kuò)挖高度2 m，擴(kuò)挖后摻氣水面以上凈空滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 泄洪洞水面線計(jì)算成果表

4.2.3 流速分布及防空蝕措施

1）流速分布

校核水位320.27 m時(shí)，2#泄洪洞宣泄最大下泄量為Q=2878 m3/s，其流速分布見表4。

表4 下泄最大流量時(shí)流速分布表

2）防空蝕措施

計(jì)算結(jié)果表明，泄洪洞在宣泄校核洪量時(shí)，洞身沿線流速較大，2#泄洪洞最大流速達(dá)36.65m/s。根據(jù)《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5207-2005）有關(guān)要求，本工程泄洪洞應(yīng)有必要的防空蝕措施：

①選取合理的泄水建筑物體型以提高水流空化數(shù)，通過水工模型試驗(yàn)和減壓模型試驗(yàn)，選定合適本工程的摻氣體型及布置位置。2#洞摻氣坎布置在龍?zhí)ь^洞段末端（樁號(hào)0+086.05 m）。

②采用合適的抗沖磨護(hù)面材料或高性能混凝土襯砌，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本工程特點(diǎn)，泄洪洞襯砌采用高性能混凝土，底板C40HF混凝土，側(cè)墻C40混凝土。

③嚴(yán)格控制襯砌表面不平整度，不平整部位高差控制在3mm以內(nèi)，凸起進(jìn)行打磨，縱向坡度控制在1∶40，橫向坡度控制在1∶30。抗沖磨混凝土澆筑后，應(yīng)及時(shí)保溫保濕，防止開裂。