红鱼洞水库“龙抬头”式泄洪放空洞设计

(四川省水利水电勘测设研究计院，成都，610072)

1 工程概况

南江县红鱼洞水库工程是一座以灌溉、防洪、城乡生活及工业供水等综合利用的水利工程。水库坝址位于四川省巴中市南江县桥亭乡境内的南江河红鱼洞河段。本工程为Ⅱ等大(2)型水库，枢纽由沥青混凝土心墙堆石坝、右岸开敞式溢洪道、左岸泄洪放空洞和灌溉取水口组成。正常蓄水位650.0m，总库容1.66亿m3，兴利库容1.31亿m3，防洪库容0.197亿m3。挡水及泄洪建筑物按100年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核，消能防冲建筑物按50年一遇洪水设计。

2 地形地质条件

坝址区河流流向呈“S”型，两岸山体雄厚，为“V”型河谷，基岩大部裸露，自然坡度一般40°～65°，河床高程550m～557m。坝区洞室围岩主要为志留系中统罗惹坪群(S2lr)砂质页岩、梁山组(P1l)灰岩及黑色页岩和二迭系下统茅口-栖霞组(P1m+q)灰岩。

泄洪放空洞布置在大坝左岸，洞室多位于新鲜～弱风化岩体内，岩性主要为砂质页岩、粉砂岩构成，岩层产状N85°E/SE∠78°。岩层走向与隧洞轴向大角度相交，岩体中主要发育三组构造裂隙。岩体完整性差～较完整，围岩以Ⅳ～Ⅴ类围岩为主。

3 泄洪放空洞布置原则

(1)利用枢纽区河道左岸为凸岸的地形地质条件，泄洪放空洞轴线可“截弯取直”，有利于水流流态。

(2)根据施工导流洞布置在左岸，以其横断面尺寸及坡降，复核其满足明流条件允许的最大过流能力，能满足水库放空要求，并能承担一定泄洪任务，故选择泄洪放空洞与施工导流洞结合，进口采用“龙抬头”型式，且不再扩大洞身断面加大泄洪放空洞泄洪规模，剩余泄洪任务由溢洪道承担。

(3)泄洪放空洞出口采用挑流消能的型式，由导流洞出口二期改建而成。

4 泄洪放空洞结构设计

4.1 方案拟定

为节约工程投资，将左岸施工导流洞改造为泄洪放空洞。经分析地形地质条件，“利用左岸1#冲沟地形下切修建塔井段，前面采用短有压隧洞过水，后面采用龙抬头无压隧洞过水”布置方案的投资最省，为最优泄洪放空洞轴线。选定的泄洪放空洞平面轴线总长633m，与河道夹角27.9°，结合段最小侧向埋深35m。

泄洪放空洞进口底高程过低不利于闸门启闭，且减少与下部导流洞间的围岩保护厚度，故取与右岸灌溉取水口的底高程相同，即598.0m，可互相保障检修时过水。整个隧洞由有压段、塔井段、龙抬头段、导流洞结合段、挑流反弧段组成。

4.2 水力学模型推荐体型

根据施工导流洞横断面尺寸及底坡，计算其保证为无压流时允许的最大过流能力，确定塔井内有压短进口孔口尺寸为6m×5.5m(宽×高)，龙抬头段的渥奇曲线体型为X2=275Y，斜井段底坡变为1∶3，反弧段半径为50m。1#掺气坎位于渥奇曲线起点，桩号泄0+027.00m处高程596.5m；2#掺气坎位于反弧段与导流洞完全结合点，桩号0+155.61m。挑坎：左侧边墙从桩号0+452.5m起到桩号0+466.41m以半径35.0m向左侧偏转23.4°，右侧边墙从桩号0+452.5m起到桩号0+477.46m以半径165.0m向左侧偏转8.7°。挑坎起挑半径皆从0+456.0m起，起挑半径皆为35.0m，左侧挑角为17.3°，右侧挑角为37.7°。

4.3 结构设计

泄洪放空洞位于大坝左岸，其进口位于大坝轴线前约285m处陡坎，出口处位于大坝下游左岸红鱼洞公路隧洞外侧，前段为有压隧洞，中段为闸室，中后段采用“龙抬头”结构型式与导流洞结合；总长度646.0m，其中引水渠段长9.6m，有压隧洞长152.0m，闸室段长27.0m，无压隧洞长432.4m，挑流段长度25.0m。

前缘有压进口直接在岩壁成洞；圆形有压隧洞段在平面上设一转弯，隧洞直径8.16m，全断面衬砌C30混凝土厚80cm；闸室段在坝轴线上游105m左岸1#冲沟沟底处，明挖修建塔井段，闸室段长27.0m，孔口尺寸为6m×5.5m(宽×高)。

无压隧洞采用城门洞型，龙抬头段水平长度128.6m，上部转弯采用幂曲线，斜段坡比1∶3.0，下部转弯为弧段，半径50.0m，转角18.4°；与导流洞结合段长300.4m，纵坡比为8/1000。对易发生空蚀的部位设1#和2#掺气槽，相应桩号泄0+027.0m、泄0+155.61m。洞身为城门洞形，洞宽7.0m，洞净高9.5m，顶拱半径3.62m。洞身采用钢筋混凝土衬砌，边墙及顶拱衬混凝土厚0.6m～1.0m。

挑流反弧段为模型推荐体型，反弧最低高程559.07m，半径35m，最大挑角37.7°。整体为C20混凝土结构，过流面底板用0.5m厚C40抗冲耐磨混凝土、边墙抹7mm厚环氧砂浆以抗冲耐磨。为避免对挑流坎基础的冲刷，在挑坎后基础550m高程上设1.0m厚混凝土护底，长度为20m。挑流区：水流影响5#堆积体稳定，予以开挖清除。为减轻下游河床紊乱水流对两岸的冲刷，采用C15混凝土护坡对岸边进行保护。

图1 汇洪放空洞平面布置及纵剖面

5 设计计算及水力学模型试验

5.1 泄流能力计算

泄洪放空洞泄流能力计算公式为：

Q=μω(2g(H-D))0.5

其中：μ——综合流量系数，采用0.86；

ω——出口断面面积；

D——孔口高度(m)；

H——上游水深。

表1泄洪放空洞泄流能力计算成果与模型试验成果对比

工况洪水频率入库流量库内水位泄洪放空洞最大泄流量计算值模型试验值偏差pm3/smm3/sm3/s%校核工况0.05%4590651.82823830.50.91%设计工况1%2770650.10809814.90.73%

从表1可知，泄洪放空洞最大泄流量试验值略大于计算值，泄洪放空洞尺寸满足要求。

5.2 水面线计算

以泄洪放空洞闸孔收缩断面处为起点，采用棱柱体明渠恒定非均匀流能量方程分段求和法试算，并计算相应掺气水深。通过模型试验验证校核洪水工况下隧洞内的水面线，成果见表2。

表2校核工况计算和实测水面线成果

从表2可以看出，泄洪放空洞的洞顶余幅最小为37.69%，在泄洪放空洞靠近出口的地方，掺气水深均处于直墙高度以下，能安全下泄校核洪水，满足设计要求。

5.3 挑流消能计算

经计算，宣泄校核洪水时，单宽流量82.3m3/s·m，挑坎顶流速21.58m/s，挑距96.9m，冲坑深23.1m。挑距坑深比4.2，大于4.0。据模型试验成果，设计与校核工况冲刷最深点位置和深度均比较相似，主冲坑主要为溢洪道挑坎下游170.0m处的河道中央，在泄洪放空洞出口下游未见明坑，且有2.0m～3.0m厚淤积。主冲坑最低底高程为532.28m，低于基岩顶板线14.72m，与泄洪放空洞挑坎出口的冲坑坡度为1∶4.16。

故泄洪放空洞的挑坎基础是安全的，结构合理。

5.4 无压隧洞衬砌结构应力计算

采用圆拱直墙现浇混凝土衬砌，计算所采用的程序为中南院“水工隧洞钢筋混凝土衬砌计算机辅助设计系统SDCAD4.0”水利版。根据不同围岩段的地质参数(f、k、φ值)，分帷幕前及帷幕后按边值法进行运行期、检修期、施工期共3种工况的结构计算。无压隧洞段计算成果见表3。

表3无压隧洞段结构计算成果

6 结语

(1)本工程泄洪放空洞采用与导流相结合的型式，节约了工程投资；

(2)泄洪放空洞采用“龙抬头”型式，通过水力学模型试验，论证了泄洪放空洞结构设计的合理性，并进行了体型结构优化设计；

(3)截止目前，泄洪放空洞基本施工完毕，“龙抬头”段隧洞施工相对有一定难度，需做好隧洞的临时支护措施。