铜川市龙潭水库枢纽工程导流泄洪洞结构设计探讨

铜川市龙潭水库枢纽工程导流泄洪洞结构设计探讨

摘要导流泄洪洞工程是铜川市龙潭水库枢纽工程泄水建筑物的一个重要组成部分，本文主要介绍导流洞洞身及出口结构设计相关内容。

关键词导流洞结构设计

1导流洞工程概况

导流泄洪洞布置在大坝右岸，是龙潭水库枢纽工程的重要泄洪建筑物之一，其主要任务是在施工期导流，运行期泄洪，保证枢纽工程防洪安全。导流泄洪洞采用导流和泄洪一洞两用的布置型式，洞身横断面为圆拱直墙型，设计断面为4.5m×7.3m（宽×高）。导流泄洪洞底洞进口设计高程680.0m，出口设计高程675.08m。洞身为圆拱直墙型钢筋混凝土衬砌结构，厚度分别为0.4m和0.6m。设计洪水位715.04m下泄流量

Q设=307.36m3/s，校核洪水位719.99m下泄流量Q校=342m3/s。洞内最大流速23.75m/s。

1）工程地质条件。导流泄洪洞位于大坝右岸，进口位于基岩斜坡，为稳定边坡，洞室主要在中厚层砂岩中通过，岩体较为完整，进口680m时无不利结构面组合，地下水位位于洞底以下，洞上覆砂岩厚17～23m，侧旁岩体厚25～30m，为Ⅱ类围岩。出口段洞室通过紫红色泥岩，岩体破碎，风化较强，为Ⅳ～Ⅴ类围岩。出口边坡陡立，稳定性差，需进行削坡喷护，基岩坡比1:0.3～0.5，土坡1:0.75。

洞线工程地质分段评价如下：

0+000～0+340，砂岩，岩石类别为Ⅱ类，ko=30～50Mpa/cm，f=6。

0+340m～0+492m，砂岩，泥岩夹层，微风化～弱风化，岩层倾角小于10度，岩体较完整，为Ⅳ类围岩，k=5~10MP/cm，f=2。

0+492～0+520.4，紫红色泥砂岩，岩体破碎，风化较强，为Ⅳ～Ⅴ类围岩。

2）工程总体布置。根据水库枢纽的总体布置及水库调蓄运用方式，导流泄洪洞进口布置在右岸上游侧。洞线与坝轴线夹角为90°43′49″。出口位置考虑成洞条件、出洞后消能建筑物的布置及与下游河道的连接等，选择位于坝下游右岸，经挑流消能后进入下游河道。

整个导流泄洪洞由喇叭口段、放水塔、洞身段、出口挑流消能段组成，全长541.40m。其中：①桩号0-032.700～0-021.000段为进口引渠段，长11.7m；②桩号泄0-021.00～泄0+000.000段为放水塔，塔身水流向长21.0m，宽9.0m，塔体高45.2m，采用钢筋砼塔筒结构。塔内布设事故检修平板钢闸门和液压启闭弧形

工作钢闸门各一扇。平面检修闸门孔口尺寸4.5m×3.6m（宽×高），弧形工作闸门孔口尺寸4.5m×3.2m（宽×高）；③桩号泄0+000～泄0+492.00段为隧洞洞身段，洞身长492m，洞进口（泄0+000）底板高程680.00m，洞出口（泄0+492）底板高程675.080m，洞底比降1/100。桩号泄0+107.097～泄0+135.000段为弯道段，转角147°20′16″，转弯半径为50m。断面尺寸为4.5×7.3m（宽×高）。洞身围岩类别为Ⅱ、Ⅳ类围岩，设计采用砼喷锚支护和C30钢筋砼衬砌。洞身段泄0+000～泄0+340段衬砌厚0.4m，泄0+340～泄0+492段衬砌厚0.6m；④桩号泄0+492～泄0+520.4段为消能段，设计采用挑流消能方式，挑角23°31′38″，挑弧半径40m，挑流鼻坎高程678.195m。

2建筑物等级及防洪标准

根据《防洪标准》（GB50201-94），导流泄洪洞作为永久性水工建筑物其防洪标准确定为：100年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核。

地震设防烈度：

据《中国地震烈度区划图》（1990）1:400万及《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）等标准，工程区地震动峰值加速度0.10g，地震动反应谱特征周期0.45s，相应的地震基本烈度为Ⅶ度。

根据《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97），确定水工建筑物按7度设防，进行抗震设计。

3结构设计

3.1洞身段结构设计

3.1.1洞身结构计算

1）基本假定。结构计算考虑施工工艺，按全断面成洞进行。计算按复合式衬砌考虑，即认为山岩压力全部由一次支护承担，一次支护主要包括系统锚杆、型钢拱架、挂网及喷混凝土等，二次刚性支护不计山岩压力。

2）基本资料：①设计水位：715.04m；②校核水位：719.99m；③正常挡水位：711.60m；④水库死水位：701.20m；⑤地震设防烈度：7度；⑥混凝土标号：C40W6F300砼（隧洞底板和侧墙下部1m）、C30W6F200砼（其余部分）等；⑦容重：混凝土为2.4t/m3，钢筋混凝土为2.5t/m3，岩石干密度为2.84t/m3，岩石湿密度为2.85t/m3；⑧弹性模量及弹性抗力系数：混凝土弹性模量为3.0×106t/m2，围岩弹性抗力系数根据围岩分类及灌浆情况选取；⑨外水压力：大坝帷幕灌浆线以前按库水位乘以折减系数0.3～0.6计，帷幕灌浆线以后由于拱脚以上布置排水孔，取直墙高度。

3）洞身结构计算公式、程序。隧洞结构计算采用《水工隧洞设计规范》

（SD134-84）、《水工钢筋混凝土设计规范》（SDJ20-78）规定的公式及推荐的《隧洞衬砌计算通用程序》进行计算。其基本思路是将衬砌结构的计算转化为非线性常微分方程组的边值问题，采用初参数数值解法，并结合导流洞的洞形和特点以计算导流洞衬砌在各种主动荷载及其组合作用下的内力及位移。对衬砌上的弹性抗力分布不做任何假定，由程序经迭代计算自动得出，它符合衬砌向围岩方向最终的法向位移值，故较一般结构力学方法算得的结果更为合理，也更接近实际情况，程序还进行配筋及裂缝开展宽度计算。最终配筋结果是依据计算结果和施工过程中所采用的支护措施，并参照同类工程进行工程类比而进行选取。

4）计算结果，见表1。

3.1.2洞身结构设计

导流洞洞身横断面由4.5m×7.3m（宽×高）圆拱直墙型，衬砌厚度根据围岩分类及所处的部位不同分别为泄0+000.00～泄0+340.00洞身段采用0.4m厚钢筋混凝土全断面衬砌；泄0+340.00～出口洞身段采用0.6m厚钢筋砼全断面衬砌。

由于导流洞开挖断面大，岩石片理和裂隙发育，断层影响带宽，为了确保施工顺利进行，导流泄洪洞洞身II类围岩部分，采用5m长Φ22系统砂浆锚杆，喷护100mm厚的C20混凝土并局部挂钢筋网。

导流泄洪洞洞身除II类围岩以外，洞身不稳定类的Ⅳ、Ⅴ类围岩段，洞身布设5m长Φ22系统砂浆锚杆，采用钢筋网C25砼喷护加钢支撑。

由于洞身围岩较为破碎，为提高岩体的整体性和抗变形能力，设计对隧洞洞身段进行全断面固结灌浆，每个断面设7个固结灌浆孔，灌浆孔深入基岩3m，排距2.5m，交错布置。隧洞顶拱进行回填灌浆。坝轴线以后到出口洞身段顶拱设排水孔，回填灌浆孔，排水孔深入基岩0.5m。

3.2出口段结构设计

1）挑流鼻坎段结构设计。经多次优化并经水工模型试验验证后修改而成，底面设计为直纹曲面，总长21.80m，宽4.50m，左右边墙为直墙，长度与鼻坎一致，挑流鼻坎底为R=40m的大圆弧，挑射角23°31′38″，挑流鼻坎齿墙底高程669.58m，鼻坎中心线坎顶高程678.195m。消能段表面采用HFC40粉煤灰高强钢筋混凝衬砌厚0.6m，其余采用C30钢筋砼浇筑。由于回流的影响，考虑河床右岸冲刷影响。根据实验情况，对出口采取防冲齿墙和基础锚杆对鼻坎基础进行抗冲加固。

2）出口坡面处理。导流洞出口段0+492～0+520.4，紫红色泥砂岩，岩体破碎，风化较强，为不稳定的Ⅳ～Ⅴ类围岩，边坡陡立，稳定性差，对其开挖边坡稳定性进行了计算分析，根据分析报告，采用系统锚杆及挂网喷护等措施对导流洞出口坡面进行了加固处理设计。