某水利枢纽泄洪洞及其出口段结构设计

时间：2024-07-28

赵正玲

(喀什地区水利水电勘测设计院，新疆喀什844000)

1 工程概况

泄洪洞及其出口段结构是水利枢纽工程的主要泄洪建筑物之一，该泄洪洞结构由原来的导流洞结构改建形成，在平面上与其保持同一轴线，仅在立面上进行错开布置，并与原导流洞被利用的部分相结合共同形成泄洪洞结构。该泄洪洞洞身横断面尺寸为9m×12m圆拱直墙型，区间衬砌厚度分别设为0.8 m、1.0 m、1.2 m3种规格。根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》(SDJ12—78)的有关规定，该泄洪洞及其出口段工程为(2)型二等工程，其建筑结果的永久利用部分按二级建筑物设计，抗震设防烈度按7度设防。该泄洪洞及其出口段设计洪水位下泄流量Q1=2400m3/s，其校核洪水位下泄流量Q2=2 540 m3/s。

该泄洪洞结构穿越大坝左岸的单薄分水岭，围岩岩性主要分布为云母石英片岩和中厚层钙质石英岩，其片理和裂隙均发育较深，且呈互层状态分布。出口段结构处的围岩岩性则主要为云母石英片岩，其岩层倾角变化较小，褶皱及裂隙发育程度较低，出口段端部及右侧傍的围岩厚度相对较薄，其地下水也相对富集，场地地质条件相对复杂。

2 工程结构总体布置设计

该泄洪洞建筑位于水利枢纽大坝的左岸，全长约643.1 m，进口端结构在大坝左岸端部以东约150 m位置处，出口端结构距坝坡脚约130 m距离，泄洪洞中心轴线与坝轴线之间的夹角约为49°。整个泄洪洞结构由进口扭坡、放水塔、水流跌落区、平洞区、明涵区、明槽区、直纹扭面扩散式挑流鼻坎及上、下渗气槽等结构部位组成。

施工场地范围内，工程桩号0～022.050 m之前的建筑程结构为进口扭坡建筑，采用C25钢筋混凝土砌护形成;桩号0～022.050～0+019.650区段为放水塔及闸室建筑，其进口端底板结构顶面高程为546.0 m，塔顶结构高程为601.0m，最大塔高约为58.800 m，放水塔结构建筑总高度约80.200 m (其中包括塔顶启闭机房结构高度21.600 m)，整个塔筒结构为16.8m×27.6m的矩形外形钢筋混凝土结构;桩号0+ 000.000～086.500m范围内为抛物曲线状的洞底结构;其中0 +086.500～120.630 m区段范围内为斜洞结构，其坡度比例设计为1∶1.8;工程桩号在0+120.630～164.880 m区段内也为反弧状高差结构，其圆弧半径设计约为80.0 m，圆心角设计约为27°;工程桩号在0+164.880m～536.000 m区段内为平洞结构，结构底板坡度约 1/150，其中工程桩号 0+ 536.000 m以前约40 m区段范围内，由于左侧山坡山体陡峻，岩石风化程度相当强烈，岩石偏压受力严重，成洞施工存在较大的技术困难。

该泄洪洞整个洞身及明涵区段内均为无压明流洞，其结构横断面设计为圆拱直墙形式，洞宽为9.8 m，洞高约12 m，直墙高度约9.6 m，顶拱结构直径D=10.20 m，圆心角θ=约120°。为防止在泄洪洞及其出口段由于高速水流长期冲刷导致结构受到侵蚀破坏，分别在洞身反弧状结构段的上、下游端(工程桩号为0+106.500及0+168.850处)设计了相应的渗气槽结构，渗气槽挑坎结构的高度均设计为0.5 m，挑坎坡度为1∶12。并根据相关规范的要求，在高速水流区采用具有抗空气侵蚀性能的 HFC60高强混凝土。在桩号 0+ 536.000 m～585.000 m范围内为明槽结构，底板结构坡度设计为1/15，其断面尺寸设计为9.8 m×12 m的矩形槽型，明涵区与明槽区的底板结构以特定半径和圆心角的圆弧进行连接;在工程桩号为0+585.000 m～610.000 m范围内为挑流鼻坎结构，该挑流鼻坎设计为直纹扭面扩散式，鼻坎齿墙深入周围基岩，其底部最低处高程约为480.5 m。

3 水工结构设计分析

3.1 泄洪洞洞身结构设计

3.1.1 泄洪洞洞身结构计算

1)计算假定:该工程结构分析计算不考虑施工方法的影响，按全断面成洞进行建模分析。计算模型按复合式衬砌结构考虑，即认为山体岩石的压力全部由第一次施工支护结构承担，该支护结构主要包括有锚杆结构体系、型钢拱架体系、挂网及喷射混凝土墙结构等，第二次刚性支护结构则不再考虑山体岩石的压力问题［1］。

2)特征水位:施工场地范围内，其校核水位为596.03 m，工程设计水位为591.73 m，大坝正常挡水位为593.60 m，大坝水库内的死水水位为518.65 m。

3)泄洪洞结构计算:隧洞结构计算分析的基本思路是将衬砌结构的计算分析问题转化为非线性常微分方程组的边界值问题，采用数值分析的解法，结合该泄洪洞结构的洞形特点可计算泄洪洞衬砌结构在各种主动力作用及其组合作用下的内力及变形位移。实际计算中，对衬砌结构上的弹性抗力分布情况不做假定，直接由分析程序经反复迭代计算自动求出，该计算结果能较好地符合衬砌结构向围岩方向最终的法向位移值，故较通过传统结构力学方法计算得到的分析结果更为合理，也更接近工程实际，程序还能自动进行结构配筋及结构裂缝开展宽度的模拟计算分析［2］。但实际施工中，最终的配筋结果还是综合考虑计算结果和施工过程中所采用支护结构的影响，并参照同类水工结构的情况进行工程类比而进行的。

3.1.2 泄洪洞洞身结构设计

该泄洪洞洞身结构横断面设计为9.0 m×12.0 m的圆拱直墙型钢筋混凝土结构，衬砌结构厚度根据区段围岩所处的具体部位及其稳定性，分别设计为0.80 m、1.0 m及1.2 m的厚度，区段内结构分段长度均设计为9 m或12 m。

由于该泄洪洞工程施工开挖断面相对较大，周围岩石片理和裂隙发育程度相对较深，断层影响带宽，为确保工程施工能够顺利进行，在该泄洪洞全断面均布置有Φ25系统砂浆锚杆结构，并采用C20混凝土喷射施工厚度为100 mm的侧墙，局部区域并挂设钢筋网加固处理。对于较大的断层破碎带区域，采用钢拱架、超前锚杆结构体系并加挂钢筋网的支护结构体系进行加固处理;对于侧墙及底板部位断层较小的施工区域，采用直接挖除并采用C20混凝土浇筑回填的方法进行加固处理。

为固结泄洪洞洞身结构全断面周围的围岩及土体，设计了间排距为3.0m×3.0m的固接灌浆孔，其按梅花形进行布置，固接灌浆孔深入周围岩石或土体的深度设计为6m～8m;局部回填灌浆还应在顶拱范围内进行，其回填灌浆孔的间排距也统一设计为3.0m×3.0m，并按梅花形进行布置，深入岩石约0.3m。灌浆施工应严格按照先回填后固接的顺序进行，并按相关规范及设计要求严格控制其施工质量。

该泄洪洞整个洞身结构均布设有排水孔，由于大坝灌浆帷幕的截渗作用，整个施工期间帷幕结构前端的裂隙水都会比帷幕结构后端的裂隙水更为丰富。为有效防止泄洪洞衬砌结构被大坝灌浆帷幕结构前端的裂隙水引起结构破坏，灌浆帷幕前端的排水孔应深入周围土体或岩石约0.3 m，以便及时排出可能引起衬砌结构破坏的裂隙水;而在灌浆帷幕结构后端，其排水孔要求应深入周围土体或岩石至少3 m深度，以便及时排出其深层裂隙水。洞身段周围均应进行回填及固结灌浆等加固处理，并应按相关规范要求严格执行，确保施工质量。

3.2 出口段结构设计

3.2.1 明涵及明槽段结构设计

该出口段明涵结构横断面尺寸与泄洪洞洞身结构基本相同，结构计算采用《水利水电工程PC－1500程序集》［4］中相关的明涵计算程序进行分析，衬砌结构采用C30钢筋混凝土，衬砌厚度设计为1.2 m，顶拱处设置相应的排水孔。为有效防止坡面滚石撞砸导致顶拱结构破坏，在涵洞顶部还应回填约1.5 m厚的石碴。出口段明槽结构设计为矩形槽结构，并按整体建模进行结构分析计算，其衬砌结构也采用C30钢筋混凝土浇筑而成。

3.2.2 挑流鼻坎结构设计

出口段挑流鼻坎结构的体形应经多次水工模型试验的测定、优化后方能设计确定，并应考虑原导流鼻坎结构的影响。为有效提高鼻坎结构的抗侵蚀破坏能力，过流面结构应采用抗空蚀、耐磨性能良好的C60高强混凝土进行浇筑。

3.2.3 进、出口坡面处理

由于该泄洪洞结构的进、出口位置岩石风化严重，裂隙发育较深。其进口正脸坡面的周围岩石均为顺层结构，侧坡处有若干组发育较深的裂隙将岩体切割成块状形式;出口位置存在一条大致与洞身轴线保持平行的高倾角卸荷裂隙，严重威胁到泄洪洞日后的安全运行。经过对进、出口坡面结构进行三维有限元分析计算，实际工程中采用了分别为25 t、60 t级的预应力锚杆及系统锚杆对其进行加固处理，确保坡面周围的岩体稳定牢靠。