下坂地水利枢纽工程导流洞设计

摘要：导流洞是水利枢纽工程中重要的泄洪建筑物之一，而且其泄洪流速一般都很高，很容易产生混凝土的空蚀破坏，从而影响建筑物的正常使用，选择合适的体型是导流洞防止空蚀破坏的首要环节，而防空蚀破坏的关键是导流洞高速流速段洞内过流面压力分布不能产生超过混凝土允许的负压力。本文就下坂地水利枢纽工程导流洞水力设计及所采取防空蚀破坏的措施进行了介绍。

关键词： 水利枢纽； 导流洞；设计

Abstract:：The diversion tunnel is one of important flood discharge structures in water conservancy engineering, and the discharge flow rate is generally high, it is easy to produce the cavitation erosion of concrete damage, thus affecting the normal use of buildings, choose the right size is the first step of diversion tunnel to prevent cavitation erosion damage, and anti-cavitation destruction of high-speed flow velocity is the key to the diversion tunnel flow surface pressure distribution over the hole does not produce more than allow the negative pressure of concrete. In this paper, the sitting under ground water conservancy hub project diversion tunnel hydraulic design and anti-cavitation damage taken measures are introduced.

Keywords: water conservancy hub. The diversion tunnel; design

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中图分类号：TV6 文献标识码：A 文章编号：

1.导流洞工程概况

导流泄洪洞肩负导流、泄洪以及水库放空的综合功能，洞线为直线布置，方位角为NE85°，导流洞进口位于河道转弯处的上游，下游出口距大坝约800m。导流洞全长1425.85m，由明渠段、进口段、洞身段、出口段组成。隧洞进口采用竖井式，进口高程2902m，出口高程2881.23m，采用挑流消能。导流洞在工程导流期结束后，改为泄洪放空洞。孔口尺寸由7×8.5m（宽×高）导流孔口改造为5×6m泄洪孔口。

1.1工程地质条件

底洞进口段主要位于元古界第二岩性段的角闪片麻岩中，围岩以Ⅳ类为主，部分卸荷岩石为Ⅴ类。桩号0+038~0+044m（地质桩号0+88~0+094m）段为卸荷岩体，张性裂隙发育，削坡时，将其清除。桩号0+044m后为弱风化岩体，岩体较完整。竖井位于第三岩性段角闪片麻岩中，岩体较完整，Vp小于2350m/s，为Ⅳ类岩体，竖井基础位于第二岩性段的角闪片麻岩弱风化岩体上，基岩承载力为9MPa。

洞身穿越元古界第二岩性及第一岩性段，洞室围岩为弱~微风化，岩体较完整，洞顶围岩40~300m，以Ⅲ类围岩为主，岩层走向与洞线夹角50º，对洞室稳定性较有利。洞线共穿越F39、F40、F41、F42、F43、F100、F101、F104等8条断层，断层宽度小于4m，受其影响，断层及断层影响带为极不稳定的Ⅴ围岩类。

出口段自然边坡坡角45°，受裂隙切割影响，边坡岩体表层风化破碎，需清坡喷护。出口段洞室岩体较完整，为Ⅲ类围岩。

出口采用挑流消能，消能区现代河床宽约90m，左岸漫滩高出河床7~10m，岸坡平缓，台地宽约300m，地形平坦，微向河谷方向倾斜。组成物质主要为冲积及冰碛的块石，漂卵砾石，夹杂砂或碎石，多呈松散~半松散状，堆积厚度200多米。

2导流泄洪洞工程布置及分段设计

泄洪洞位于河道右岸，底洞由进口压力段、竖井、洞身、出口挑流鼻坎组成。隧洞进口底高程2902m，出口挑坎底高程2881.25m，建筑物全长1425.847m。

压力进口段由喇叭口及压顶段组成。进口底板高程2902m，桩号0+000～0+045m为引渠段，纵坡降i=0。桩号0+027.3～0+045m段为洞进口前的扭曲面段。桩号0+045～0+052段为进口喇叭口，采用顶部和两侧墙三面收缩的椭圆曲线。喇叭口进口断面为11.0×11.0m的矩形断面。0+052～0+100m段为7×8.5m的矩形断面。

桩号0+100～0+126为竖井闸室段。0+112.74m前洞底高程为2902m，其后底坡i为为0.0163，顶部高程为2966m。竖井内设事故检修闸门和工作闸门各一扇。事故检修闸门位于0+103.6m处，孔口尺寸为7×8.5m，为平板钢闸门。导流结束后泄洪洞工作弧门前采用椭圆压顶和侧收缩形式，孔口尺寸为5×6.3m。

桩号0+126～1+385.847m为洞身段，底坡i为0.0163。其中0+126～0+418.19m段为底洞洞身段，0+418.19～1+385.847m为底洞、表孔共用段。

桩号1+385.847～1+425.847m为出口明槽及挑流鼻坎段，采用矩形扩散鼻坎，底宽从7m扩散为10m。鼻坎反弧半径r=45m，挑射角26°17′2″，鼻坎中心线坎顶高程2885.25m。

3高速流区抗空蚀设计

根据水工模型试验结果可知，导流洞洞内最大流速为30m/s，所以在抗空蚀和抗冲磨方面采取如下措施：

3.１选择合适的体形

选择合适的体形是导流洞防止空蚀破坏的首要环节，而防空蚀破坏的关键是导流洞高流速段洞内过流面压力分布正常而且不能产生超过混凝土允许的负压力，对此问题经过分析、计算及比较并参照流速和泄量相近同类工程的经验选确定了择导流洞体形尺寸，经过水工模型试验表明导流洞在宣泄各种工况泄量时导流洞压力分布正常，无负压产生说明导流洞体形选择是合理的。

3.２控制水流边壁局部不平整度

由于导流洞内高流速，混凝土表面任何凸凹不平体都可能造成混凝土表面的空蚀破坏，因此严格控制导流洞高流速段过流面的不平整度，要求混凝土施工时留下来的接缝错台、模板印痕、混凝土残渣或局部混凝土脱皮和剥落时留下来的坑穴、局部放线不准或模板走样造成的凹凸面，以及其它凸体、跌坎等其突起高度不得超过3mm，并在允许的高度范围内一律按顺水流方向1/50、垂直水流方向1/30进行缓坡处理。

3. 3设置掺气槽

根据其它工程经验对高流速隧洞设置掺气槽向水流中掺气是解决空蚀破坏的有效手段之一，结合导流洞洞内高流速特点，为了防止高速水流在跌落段、反弧段及平洞段交接部位附近产生空蚀破坏，分别在反弧段上、下游端设置掺气槽，以向水流中掺气减少过流面的负压力，而达到防止空蚀破坏的目的。上、下掺气槽的体形是经过水工模型试验反复优化后确定的，而且经过水工模型试验验证在导流洞在渲泄不同工况泄量时均能形成稳定的空腔，掺气充分、连续，通气良好，导流洞过流面压力分布正常，无负压产生。

3. 4选用高强抗蚀耐磨混凝土

为了防止导流洞过流面空蚀破坏，一方面采取措施减少负压防止空蚀破坏的发生，另一方面要采区相应的措施提高导流洞抗空蚀能力。抗冲耐磨混凝土种类很多，通过价格、施工可操作性、施工后混凝土出现裂缝情况、以及国内、外已建水利水电工程高流速水工遂洞抗空耐磨材料应用实例，参照《水工混凝土抗冲磨防空蚀技术规范》并在水工试验的基础上对导流洞高流速区选用HF高强抗蚀耐磨混凝土。试验结果表明在水泥用量增加很小（约10%）的情况下，即可将C30普通混凝土提升为抗空耐磨C45特种混凝土，与普通混凝土相比抗空蚀耐磨性能得到很大提高。

3.５挑流消能

根据隧洞出口段的地形地质条件，隧洞出口选用挑流式消能工。出口消能区要以保证下游边坡及挑流鼻坎稳定为主要目的，合理控制水舌落点，尽量分散射流入水点能量，防止回流产生大的淘刷。通过降低局部水域入水能量的集中程度，减少单位面积冲刷能量，进而减小冲刷坑深度，达到消能防冲的效果。泄洪洞出口渲泄设计洪水时Fr=1.8，表孔单独下泄校核洪水时Fr=2.1；洞身末端底高程为2991.086m，下游水位为2879.2m~2880.2m。由于水流佛氏数低，出口与下游河道落差又小，因此消能工不具备高挑角大挑距的纵向分散消能的条件，宜采用横向扩散消能的型式，使水流与下游河床平缓衔接。

根据出口右侧地形比左侧远地形特点，设计采用左短右长、左低右高的鼻坎形式，隧洞出口桩号为1+395.847m，采用矩形过水断面，底宽7m，水流流速16~20m/s。桩号1+402.847~1+425.847m为出口挑流鼻坎，根据水工模型试验，采用矩形等原弧扩散鼻坎，底宽从7扩散为16.17m（斜长）。鼻坎坎顶高程2883.27~2885.971m。反弧半径R=51.54m，挑射角25.46°校核洪水情况下，最大挑距46m，河床最大冲坑深度9.4m。由于回流的影响，河床右岸最大冲刷深13.5m。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。

4.结束语

下坂地水利枢纽已安全运行近六年，经过多次泄洪证明下坂地水利枢纽工程导流洞水力设计是合理的。[ 马建卫，男，汉族，1980年1月出生于陕西眉县，工学学士，工程师。]