花甲水库工程施工导流建筑物设计

何 迎 奇

1 工程概况

花甲水库位于贵州省黔南州贵定县盘江镇马场河社区新沿村马场河上，坝址以上流域面积63.6 km2，水库距贵定县城约16 km。总库容2 635 万m3，兴利库容2 064 万m3，工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，其永久性主要水工建筑物级别为3 级。水库工程任务是以县城供水为主，兼有人饮及农田灌溉。大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高67 m，坝体填筑量约57 万m3。

2 坝址处地质条件

坝址处河谷为不对称U 形横向谷，左岸坡地形下陡上缓，右岸坡地形上陡下缓，上部为陡岩，河床宽20 m左右。坝区两岸基岩多裸露，仅在两岸缓坡地带、坡脚及河床一带有覆盖层分布。坝区地层为二叠系下统梁山组（P1l）、石炭系中统黄龙组（C2h）、下统摆佐组（C1b）、大塘组（C1d）及第四系（Q）。坝基岩体主要为C1d1浅灰至深灰色薄层至中厚层细粒石英砂岩，间夹薄层砂岩、页岩及炭质页岩；坝肩岩体主要由C1d1、C1d2、C1b、C2h 的中厚层至厚层白云岩、灰质白云岩及石英砂岩夹页岩组成。坝基、坝肩岩体为中硬-硬质岩夹软质岩类，岩体质量总体为AⅢ2-CⅣ类，力学指标一般。

3 导流建筑物级别及导流标准

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》和《水利水电工程施工组织设计规范》相关规定，结合本工程实际情况，确定相应导流建筑物为5 级。大坝为混凝土面板堆石坝，工程规模不大，导流流量较小，大坝堆石体全断面同时填筑上升最为经济，施工最为简单方便，工期最短。根据施工洪水、大坝工程规模和工程实际情况，设计考虑坝体在第1 个枯水期填筑至度汛高程以上，第2个枯水期时填筑完成，结合坝址地形地质条件，设计采用全断面围堰法隧洞导流方案。上、下游围堰枯水期挡水，汛期坝体临时断面拦洪度汛，隧洞全年导流。

导流建筑物洪水标准为：（1）为保证1 个枯水期将大坝填筑至拦洪度汛高程，导流挡水建筑物和导流泄水建筑物按枯水期（10 月—翌年5 月）5 年一遇（P=20%）洪水标准设计，Q=65.0 m3∕s；下游围堰堰顶高程根据度汛下泄洪水流量确定，Q=133 m3∕s。（2）大坝施工度汛标准采用20 年一遇（P=5%）全年洪水，洪峰流量Q=259 m3∕s。

4 导流建筑物工程布置

导流建筑物包括导流隧洞、上游围堰和下游围堰。

导流隧洞布置于左岸，由进口引渠段、闸井段、洞身段和出口明渠段组成。进口引渠段长21.61 m，底板高程993.50 m；闸井段长4.0 m，闸井设封堵钢闸门1扇，孔口尺寸为3.50 m×4.34 m，闸井底板高程取为994.00 m；洞身段采用城门洞型断面，隧洞进口底板高程设计为994.00 m，出口底板高程设计为990.90 m，洞身段长307 m，底坡设计为1%，隧洞布置有两处转弯，第1 处转弯位于隧洞0+034.09—0+057.56 处，转弯半径为25 m，角度为54°；第2 处转弯位于隧洞0+264.49—0+283.51 处，转弯半径为25 m，角度为44°；出口明渠段长21.24 m，底坡设计为1%。

上游围堰位于大坝河床趾板上游约40 m 处，该处河床基础岩石裸露，覆盖层较薄，为充分利用开挖料，节约工程投资，围堰型式考虑采用土石围堰。

下游围堰位于大坝下游坝脚处。为节约工程投资，设计考虑施工期利用C20混凝土截流墙兼作下游围堰。

5 导流建筑物设计

5.1 导流隧洞设计

5.1.1 结构设计

导流隧洞进口引渠段和出口明渠段采用梯形断面，岩石开挖边坡1∶0.5，表面覆盖层开挖边坡1∶1。

洞身段采用城门洞型断面，在满足导流要求的情况下，为便于机械化施工，隧洞开挖断面宽度设计为4.30 m，直墙段高设计为3.70 m，顶拱中心角为120°，半径为2.48 m。桩号0+000.00—0+155.00 洞室周边围岩主要为中厚层细粒石英砂岩夹薄层砂岩及页岩，总体属Ⅲ类围岩，边墙和顶拱喷5 cm 厚的C20 混凝土，底板采用0.2 m厚C15 混凝土找平；桩号0+155.00—0+175.00 洞室周边围岩主要为薄层石英砂岩夹页岩、炭质页岩及薄至中厚层灰岩，总体属Ⅳ类围岩，边墙和顶拱采用0.4 m 厚、底板采用0.3 m 厚C20 钢筋混凝土衬砌；桩号0+175.00—0+302.96 洞室周边围岩主要为薄至中厚层层灰岩、中厚层细粒石英砂岩，局部夹薄层砂岩及页岩，总体属Ⅲ类围岩，边墙和顶拱喷5 cm 厚的C20 混凝土，底板采用0.2 m 厚C15 混凝土找平；桩号0+302.96—0+306.96 洞室周边围岩主要为中厚层细粒石英砂岩，局部夹薄层砂岩及页岩，总体属Ⅳ类围岩，边墙和顶拱采用0.4 m 、厚底板采用0.3 m 厚C20 钢筋混凝土衬砌。

5.1.2 水力计算

导流隧洞过5 年一遇（P=20%）10 月—翌年5 月枯期洪水时考虑为无压过流方式。隧洞底坡为陡坡，泄流能力不受洞长影响，按短洞工作状态考虑，进口水流为宽顶堰流，采用下列公式计算堰上总水头：

式中

Q——流量；

b——矩形隧洞过水断面的宽度；

m——流量系数；

σs——淹没系数；

H0——上游总水头。

经过计算，导流隧洞在过导流设计流量65 m3∕s 时，堰上总水头H0为5.36 m。导流隧洞洞身为无压流，过流能力采用明渠均匀流公式计算：

式中A——水流的断面面积；

R——水力半径，等于面积与湿周的比值；i——隧洞的底坡；

C——其值与隧洞的糙率n和水力半径R有

n——隧洞的糙率，对钢筋混凝土衬砌断面取0.015，对喷混凝土断面取0.021。

经计算，喷混凝土断面底宽为4.2 m，水深为3 m时，其过流能力为69.08 m3∕s；钢筋混凝土衬砌断面底宽为3.5 m，水深为3 m 时，其过流能力为74.83 m3∕s，而导流设计流量为Q=65 m3∕s，设计隧洞断面过流能力满足要求；并且导流洞洞内水面线以上净空面积占隧洞断面总面积最小值为19.21%，满足规范关于无压隧洞的规定，故设计隧洞断面满足导流要求。

5.2 上游围堰设计

5.2.1 堰顶高程确定

堰顶高程=上游施工洪水静水位+波浪高+安全超高

（1）上游设计洪水静水位为隧洞在10 月—翌年5 月的20%施工洪水时库区水位，经过计算为5.36 m。

（2）安全超高：根据围堰级别，土石围堰取为0.5 m。

（3）波浪高：对于内陆峡谷水库，当W<20 m∕s，D<20 000 m 时，波浪的波高可采用官厅水库公式计算：

式中h——当gD∕W2=20～250 时，为累积频率5%的波高h5%，m；当gD∕W2=250～1 000 时，为累积频率10%的波高h10%，m。

根据水文资料和地形条件，计算得h5%=0.39 m。土石堰顶高程=994.00+5.36+0.5+0.39=1 000.25（m）。

5.2.2 结构设计

上游围堰采用土石围堰黏土心墙防渗。计算P=20%的10 月—翌年5 月枯期导流流量65 m3∕s，考虑超高后堰顶高程取为1 000.30 m，堰顶长136 m，堰顶设计宽为3 m，最大堰高7.3 m，断面形式为梯形，迎水面坡度为1∶2，背水面坡度为1∶2，迎水面采用块石护坡。黏土防渗心墙上下游侧坡度为1∶0.25。

5.3 下游围堰设计

下游围堰堰顶高程根据度汛最大下泄洪水流量确定。汛期导流洞最大下泄流量为133 m3∕s，相应下游水位为994.10 m，不考虑波浪影响，考虑0.5 m 安全加高，则堰顶高程应不低于994.60 m。

为满足运行期大坝坝基、坝体渗流量监测需要，本工程下游坝脚处设计有截流墙及量水堰。截流墙采用C20 混凝土浇筑，墙顶长96 m，墙顶高程为995.19 m，墙顶宽0.4 m，上下游坡度均为1∶0.24，墙底高程989.00 m，墙底宽3 m，最大墙高6.19 m。墙顶高程高于994.60 m，为节约工程投资，设计考虑施工期利用截流墙作为下游围堰，待大坝填筑完成后再对其进行改造成量水堰。

截流墙采用C20 混凝土浇筑，需在子堰围护下施工，根据施工进度计划安排，下游围堰施工时间为9 月中下旬，子堰堰顶高程根据9 月份5 年一遇洪峰流量确定。根据水文计算成果，坝址处9 月份5 年一遇洪峰流量为36.70 m3∕s，洪水位为992.80 m，偏安全考虑，设计子堰堰顶高程为993.00 m，堰顶长62 m，底部高程为990.50 m，最大堰高2.5 m，子堰采用编织袋装黏土堆筑，迎水面坡度为1∶1，背水面坡度1∶0.5，堰顶宽0.5 m。

5.4 围堰基础防渗设计

由于河床浅部强风化及弱风化基岩节理裂隙发育，透水性较强，岩体透水率基本都大于20 Lu，局部达50 Lu 以上，为避免围堰发生较大的渗漏，拟沿围堰轴线布置一排帷幕孔，孔距均为3 m，钻孔平均伸入基岩5 m。上游围堰设计帷幕孔47个，总进尺321 m，有效进尺235 m，无效进尺86 m，下游围堰利用截流墙，设计帷幕孔34个，总进尺238 m，有效进尺170 m，无效进尺68 m。

6 结 语

花甲水库大坝为混凝土面板堆石坝，导流流量不大，设计采用全断面围堰法隧洞导流，大坝堆石体全断面同时填筑上升，施工方便，干扰小。目前大坝已顺利填筑完成，即将下闸蓄水。全断面围堰法隧洞导流在花甲水库工程施工中取得了较好的效果，为其他类似水利水电工程导流设计施工提供了宝贵经验，可供借鉴。