某水利樞紐泄洪洞及其出口段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙正玲

(喀什地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆喀什844000)

1 工程概況

泄洪洞及其出口段結(jié)構(gòu)是水利樞紐工程的主要泄洪建筑物之一，該泄洪洞結(jié)構(gòu)由原來的導(dǎo)流洞結(jié)構(gòu)改建形成，在平面上與其保持同一軸線，僅在立面上進(jìn)行錯(cuò)開布置，并與原導(dǎo)流洞被利用的部分相結(jié)合共同形成泄洪洞結(jié)構(gòu)。該泄洪洞洞身橫斷面尺寸為9m×12m圓拱直墻型，區(qū)間襯砌厚度分別設(shè)為0.8 m、1.0 m、1.2 m3種規(guī)格。根據(jù)《水利水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(SDJ12—78)的有關(guān)規(guī)定，該泄洪洞及其出口段工程為(2)型二等工程，其建筑結(jié)果的永久利用部分按二級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，抗震設(shè)防烈度按7度設(shè)防。該泄洪洞及其出口段設(shè)計(jì)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。

該泄洪洞結(jié)構(gòu)穿越大壩左岸的單薄分水嶺，圍巖巖性主要分布為云母石英片巖和中厚層鈣質(zhì)石英巖，其片理和裂隙均發(fā)育較深，且呈互層狀態(tài)分布。出口段結(jié)構(gòu)處的圍巖巖性則主要為云母石英片巖，其巖層傾角變化較小，褶皺及裂隙發(fā)育程度較低，出口段端部及右側(cè)傍的圍巖厚度相對(duì)較薄，其地下水也相對(duì)富集，場(chǎng)地地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜。

2 工程結(jié)構(gòu)總體布置設(shè)計(jì)

該泄洪洞建筑位于水利樞紐大壩的左岸，全長約643.1 m，進(jìn)口端結(jié)構(gòu)在大壩左岸端部以東約150 m位置處，出口端結(jié)構(gòu)距壩坡腳約130 m距離，泄洪洞中心軸線與壩軸線之間的夾角約為49°。整個(gè)泄洪洞結(jié)構(gòu)由進(jìn)口扭坡、放水塔、水流跌落區(qū)、平洞區(qū)、明涵區(qū)、明槽區(qū)、直紋扭面擴(kuò)散式挑流鼻坎及上、下滲氣槽等結(jié)構(gòu)部位組成。

施工場(chǎng)地范圍內(nèi)，工程樁號(hào)0～022.050 m之前的建筑程結(jié)構(gòu)為進(jìn)口扭坡建筑，采用C25鋼筋混凝土砌護(hù)形成;樁號(hào)0～022.050～0+019.650區(qū)段為放水塔及閘室建筑，其進(jìn)口端底板結(jié)構(gòu)頂面高程為546.0 m，塔頂結(jié)構(gòu)高程為601.0m，最大塔高約為58.800 m，放水塔結(jié)構(gòu)建筑總高度約80.200 m (其中包括塔頂啟閉機(jī)房結(jié)構(gòu)高度21.600 m)，整個(gè)塔筒結(jié)構(gòu)為16.8m×27.6m的矩形外形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);樁號(hào)0+ 000.000～086.500m范圍內(nèi)為拋物曲線狀的洞底結(jié)構(gòu);其中0 +086.500～120.630 m區(qū)段范圍內(nèi)為斜洞結(jié)構(gòu)，其坡度比例設(shè)計(jì)為1∶1.8;工程樁號(hào)在0+120.630～164.880 m區(qū)段內(nèi)也為反弧狀高差結(jié)構(gòu)，其圓弧半徑設(shè)計(jì)約為80.0 m，圓心角設(shè)計(jì)約為27°;工程樁號(hào)在0+164.880m～536.000 m區(qū)段內(nèi)為平洞結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)底板坡度約 1/150，其中工程樁號(hào) 0+ 536.000 m以前約40 m區(qū)段范圍內(nèi)，由于左側(cè)山坡山體陡峻，巖石風(fēng)化程度相當(dāng)強(qiáng)烈，巖石偏壓受力嚴(yán)重，成洞施工存在較大的技術(shù)困難。

該泄洪洞整個(gè)洞身及明涵區(qū)段內(nèi)均為無壓明流洞，其結(jié)構(gòu)橫斷面設(shè)計(jì)為圓拱直墻形式，洞寬為9.8 m，洞高約12 m，直墻高度約9.6 m，頂拱結(jié)構(gòu)直徑D=10.20 m，圓心角θ=約120°。為防止在泄洪洞及其出口段由于高速水流長期沖刷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受到侵蝕破壞，分別在洞身反弧狀結(jié)構(gòu)段的上、下游端(工程樁號(hào)為0+106.500及0+168.850處)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的滲氣槽結(jié)構(gòu)，滲氣槽挑坎結(jié)構(gòu)的高度均設(shè)計(jì)為0.5 m，挑坎坡度為1∶12。并根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，在高速水流區(qū)采用具有抗空氣侵蝕性能的 HFC60高強(qiáng)混凝土。在樁號(hào) 0+ 536.000 m～585.000 m范圍內(nèi)為明槽結(jié)構(gòu)，底板結(jié)構(gòu)坡度設(shè)計(jì)為1/15，其斷面尺寸設(shè)計(jì)為9.8 m×12 m的矩形槽型，明涵區(qū)與明槽區(qū)的底板結(jié)構(gòu)以特定半徑和圓心角的圓弧進(jìn)行連接;在工程樁號(hào)為0+585.000 m～610.000 m范圍內(nèi)為挑流鼻坎結(jié)構(gòu)，該挑流鼻坎設(shè)計(jì)為直紋扭面擴(kuò)散式，鼻坎齒墻深入周圍基巖，其底部最低處高程約為480.5 m。

3 水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

3.1 泄洪洞洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 泄洪洞洞身結(jié)構(gòu)計(jì)算

1)計(jì)算假定:該工程結(jié)構(gòu)分析計(jì)算不考慮施工方法的影響，按全斷面成洞進(jìn)行建模分析。計(jì)算模型按復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)考慮，即認(rèn)為山體巖石的壓力全部由第一次施工支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)，該支護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括有錨桿結(jié)構(gòu)體系、型鋼拱架體系、掛網(wǎng)及噴射混凝土墻結(jié)構(gòu)等，第二次剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)則不再考慮山體巖石的壓力問題［1］。

2)特征水位:施工場(chǎng)地范圍內(nèi)，其校核水位為596.03 m，工程設(shè)計(jì)水位為591.73 m，大壩正常擋水位為593.60 m，大壩水庫內(nèi)的死水水位為518.65 m。

3)泄洪洞結(jié)構(gòu)計(jì)算:隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的基本思路是將襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析問題轉(zhuǎn)化為非線性常微分方程組的邊界值問題，采用數(shù)值分析的解法，結(jié)合該泄洪洞結(jié)構(gòu)的洞形特點(diǎn)可計(jì)算泄洪洞襯砌結(jié)構(gòu)在各種主動(dòng)力作用及其組合作用下的內(nèi)力及變形位移。實(shí)際計(jì)算中，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)上的彈性抗力分布情況不做假定，直接由分析程序經(jīng)反復(fù)迭代計(jì)算自動(dòng)求出，該計(jì)算結(jié)果能較好地符合襯砌結(jié)構(gòu)向圍巖方向最終的法向位移值，故較通過傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算得到的分析結(jié)果更為合理，也更接近工程實(shí)際，程序還能自動(dòng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋及結(jié)構(gòu)裂縫開展寬度的模擬計(jì)算分析［2］。但實(shí)際施工中，最終的配筋結(jié)果還是綜合考慮計(jì)算結(jié)果和施工過程中所采用支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，并參照同類水工結(jié)構(gòu)的情況進(jìn)行工程類比而進(jìn)行的。

3.1.2 泄洪洞洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該泄洪洞洞身結(jié)構(gòu)橫斷面設(shè)計(jì)為9.0 m×12.0 m的圓拱直墻型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，襯砌結(jié)構(gòu)厚度根據(jù)區(qū)段圍巖所處的具體部位及其穩(wěn)定性，分別設(shè)計(jì)為0.80 m、1.0 m及1.2 m的厚度，區(qū)段內(nèi)結(jié)構(gòu)分段長度均設(shè)計(jì)為9 m或12 m。

由于該泄洪洞工程施工開挖斷面相對(duì)較大，周圍巖石片理和裂隙發(fā)育程度相對(duì)較深，斷層影響帶寬，為確保工程施工能夠順利進(jìn)行，在該泄洪洞全斷面均布置有Φ25系統(tǒng)砂漿錨桿結(jié)構(gòu)，并采用C20混凝土噴射施工厚度為100 mm的側(cè)墻，局部區(qū)域并掛設(shè)鋼筋網(wǎng)加固處理。對(duì)于較大的斷層破碎帶區(qū)域，采用鋼拱架、超前錨桿結(jié)構(gòu)體系并加掛鋼筋網(wǎng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行加固處理;對(duì)于側(cè)墻及底板部位斷層較小的施工區(qū)域，采用直接挖除并采用C20混凝土澆筑回填的方法進(jìn)行加固處理。

為固結(jié)泄洪洞洞身結(jié)構(gòu)全斷面周圍的圍巖及土體，設(shè)計(jì)了間排距為3.0m×3.0m的固接灌漿孔，其按梅花形進(jìn)行布置，固接灌漿孔深入周圍巖石或土體的深度設(shè)計(jì)為6m～8m;局部回填灌漿還應(yīng)在頂拱范圍內(nèi)進(jìn)行，其回填灌漿孔的間排距也統(tǒng)一設(shè)計(jì)為3.0m×3.0m，并按梅花形進(jìn)行布置，深入巖石約0.3m。灌漿施工應(yīng)嚴(yán)格按照先回填后固接的順序進(jìn)行，并按相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格控制其施工質(zhì)量。

該泄洪洞整個(gè)洞身結(jié)構(gòu)均布設(shè)有排水孔，由于大壩灌漿帷幕的截滲作用，整個(gè)施工期間帷幕結(jié)構(gòu)前端的裂隙水都會(huì)比帷幕結(jié)構(gòu)后端的裂隙水更為豐富。為有效防止泄洪洞襯砌結(jié)構(gòu)被大壩灌漿帷幕結(jié)構(gòu)前端的裂隙水引起結(jié)構(gòu)破壞，灌漿帷幕前端的排水孔應(yīng)深入周圍土體或巖石約0.3 m，以便及時(shí)排出可能引起襯砌結(jié)構(gòu)破壞的裂隙水;而在灌漿帷幕結(jié)構(gòu)后端，其排水孔要求應(yīng)深入周圍土體或巖石至少3 m深度，以便及時(shí)排出其深層裂隙水。洞身段周圍均應(yīng)進(jìn)行回填及固結(jié)灌漿等加固處理，并應(yīng)按相關(guān)規(guī)范要求嚴(yán)格執(zhí)行，確保施工質(zhì)量。

3.2 出口段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 明涵及明槽段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該出口段明涵結(jié)構(gòu)橫斷面尺寸與泄洪洞洞身結(jié)構(gòu)基本相同，結(jié)構(gòu)計(jì)算采用《水利水電工程PC－1500程序集》［4］中相關(guān)的明涵計(jì)算程序進(jìn)行分析，襯砌結(jié)構(gòu)采用C30鋼筋混凝土，襯砌厚度設(shè)計(jì)為1.2 m，頂拱處設(shè)置相應(yīng)的排水孔。為有效防止坡面滾石撞砸導(dǎo)致頂拱結(jié)構(gòu)破壞，在涵洞頂部還應(yīng)回填約1.5 m厚的石碴。出口段明槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為矩形槽結(jié)構(gòu)，并按整體建模進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，其襯砌結(jié)構(gòu)也采用C30鋼筋混凝土澆筑而成。

3.2.2 挑流鼻坎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

出口段挑流鼻坎結(jié)構(gòu)的體形應(yīng)經(jīng)多次水工模型試驗(yàn)的測(cè)定、優(yōu)化后方能設(shè)計(jì)確定，并應(yīng)考慮原導(dǎo)流鼻坎結(jié)構(gòu)的影響。為有效提高鼻坎結(jié)構(gòu)的抗侵蝕破壞能力，過流面結(jié)構(gòu)應(yīng)采用抗空蝕、耐磨性能良好的C60高強(qiáng)混凝土進(jìn)行澆筑。

3.2.3 進(jìn)、出口坡面處理

由于該泄洪洞結(jié)構(gòu)的進(jìn)、出口位置巖石風(fēng)化嚴(yán)重，裂隙發(fā)育較深。其進(jìn)口正臉坡面的周圍巖石均為順層結(jié)構(gòu)，側(cè)坡處有若干組發(fā)育較深的裂隙將巖體切割成塊狀形式;出口位置存在一條大致與洞身軸線保持平行的高傾角卸荷裂隙，嚴(yán)重威脅到泄洪洞日后的安全運(yùn)行。經(jīng)過對(duì)進(jìn)、出口坡面結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元分析計(jì)算，實(shí)際工程中采用了分別為25 t、60 t級(jí)的預(yù)應(yīng)力錨桿及系統(tǒng)錨桿對(duì)其進(jìn)行加固處理，確保坡面周圍的巖體穩(wěn)定牢靠。

4 結(jié)語

該水利樞紐工程的泄洪洞及其出口段結(jié)構(gòu)，基于多次泄洪實(shí)踐以及長期對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)分析，證明該水利樞紐泄洪洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，施工質(zhì)量可靠，達(dá)到了長期穩(wěn)定、安全運(yùn)行的建設(shè)目標(biāo)。

［1］楊宗仁.金盆水利樞紐泄洪洞洞身及出口段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.陜西水利，2003(6):81－82.

［2］吳繼明.水工建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其施工質(zhì)量控制［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2011(3):26－28.