赵新伟

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

楼庄子水库位于头屯河硫磺沟镇以南25 km处，距下游昌吉市硫磺沟镇楼庄子村8 km，库区下游有国防公路通过，坝址位于制材厂水文站以下8.5 km处，是一座以灌溉、防洪和城市及工业供水为主要任务的水库工程。水库工程由粘土心墙坝、导流兼泄洪冲沙洞、溢洪洞、引水洞等组成。

按照《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）和《防洪标准》（GB50201-2014），确定楼庄子水库为Ⅲ等工程，工程规模为中型。大坝设计洪水标准为100年一遇，洪峰流量Q=405 m3/s；校核洪水标准为2000年一遇，洪峰流量Q=750 m3/s。消能防冲建筑物的设计洪水标准为30年一遇，最大入库洪峰流量Q=277 m3/s。导流标准:围堰施工期施工导流洪水标准为20年一遇，洪峰流量Q=237 m3/s。坝体施工期挡洪度汛洪水标准为50年一遇，洪峰流量Q=330 m3/s。

导流兼泄洪冲沙洞为一条多功能隧洞，前期承担施工导流的任务，后期承担泄洪冲沙的任务，布置在河床右岸。导流兼泄洪冲沙洞设校核工况下校核泄量275 m3/s，导流兼泄洪冲沙洞由进口段、闸井段、洞身段、出口消能段组成，全长691.471 m，消能方式采用底流消能。

2 泄水建筑物的任务及要求

2.1 泄水建筑物的任务及运用要求

1）工程最大坝高82.6 m，泄水建筑物布置两层，即表孔溢洪洞和导流兼泄洪冲沙洞，同时要求导流兼泄洪冲沙洞进口底板高程和孔口尺寸根据施工导流、度汛要求综合考虑。

2）泄水建筑物按表、底孔进行不同高程布置，使之满足在水库运行调度中操作灵活、安全可靠的要求。

3）各泄水建筑物孔口高程的设置在满足金属结构安全可靠操作灵活的前提下，尽可能的降低进口高程，减少泄水建筑物孔口尺寸。

4）在泄量分配上:水库汛期起调水位为汛限水位（即正常蓄水位），在库水位小于防洪高水位1397.39 m时，采用表孔溢洪洞控制下泄洪水；在库水位大于防洪高水位而小于设计洪水位1397.43 m时，也采用表孔溢洪洞控制下泄洪水；在库水位大于设计洪水位而小于校核水位1397.63 m时，采用底孔导流兼泄洪冲沙洞和表孔溢洪洞同时开启并控制泄洪。其中溢洪道泄量占总下泄量的50%以上。

5）导流兼泄洪冲沙洞进口采用隧洞形式与闸井相接，应考虑避免此段隧洞被泥沙堵塞。

2.2 各泄水建筑物下泄流量

各泄水建筑物下泄流量见水库调洪演算成果见表1。

表1 水库调洪演算成果表

3 导流兼泄洪冲沙洞结构设计

3.1 进口段高程

为了减少导流兼泄洪冲沙洞进口引渠的开挖及边坡的高度，结合地形地质条件，综合考虑河床高程及导流要求，防止泥沙对进口段隧洞的影响，将进口段隧洞纵坡加大，隧洞进口高程比河床高8 m左右，确定导流兼泄洪冲沙洞进口底板高程1335.00 m，进洞口处底板高程为1337.40 m。

3.2 泥沙堵塞分析

根据实测泥沙资料统计，头屯河汛期悬移质泥沙主要集中在汛期5月～8月份，悬移质输沙量占全年的93.32%，其中5月占9.01%，6月占19.93%，7月占46.01%，8月占18.37%，根据入库泥沙的特点，在满足水库兴利的前提下，采取部分汛期调沙运行的泥沙调度运行方式，排沙时机选择在5月下旬库水位降至死水位运行，导流兼泄洪冲沙洞死水位运行时进口隧洞段流速为9.1 m3/s，由于流速较大，因此进口隧洞段不存在堵塞问题，放水洞进口隧洞段高程较高，水质较好，不存在泥沙堵塞问题。

3.3 孔口尺寸

导流兼泄洪冲沙闸的任务为施工期导流，运行期泄洪、冲沙。

在施工期，初期、中期导流标准P=5%，相应洪峰流量236 m3/s，后期导流标准P=2%，相应洪峰流量330 m3/s；在运行期，根据水库调洪演算成果导流兼泄洪冲砂洞在校核水位1397.63 m时下泄流量为275 m3/s。

导流兼泄洪冲沙洞孔口尺寸按照两种工况进行比较确定，见表2。

工况一:按施工期导流标准确定孔口尺寸，再复核运行期下泄流量；

工况二:按照运行期下泄流量确定孔口尺寸，再复核施工期下泄流量。

表2 两种工况成果分析表

根据计算分析可知，在工况一的情况下，根据施工期导流标准确定导流兼泄洪冲沙洞孔口尺寸为2.5 m×3.0 m，可满足施工导流期度汛要求，但在运行期，导流兼泄洪冲沙洞最大下泄流量为119 m3/s，不能满足运行期泄洪要求。在工况二的情况下，根据运行期最大泄洪流量275 m3/s确定导流兼泄洪冲沙洞孔口尺寸为3.0 m×4.0 m，其实际最大下泄流量为288 m3/s，满足泄洪要求，也满足施工期导流要求。因此确定导流兼泄洪冲沙洞孔口尺寸按照运行期泄洪要求确定。

导流兼泄洪冲沙洞进口段为有压泄流方式，根据导流期流量及2000年一遇洪水泄洪要求，经计算确定导流兼泄洪冲沙洞工作门孔口尺寸为3.0 m×4.0 m（宽×高）。

3.4 结构布置

3.4.1 进口段

桩号导0-196.471m～导0+000.000 m为进口段，进口段由进口引渠和进口隧洞段组成。

桩号导0-196.471m～导0-120.000 m段为引渠段，长76.471 m，底板高程为 1338.93 m～1337.40 m，纵坡 i=0.02，断面型式为矩形，引渠底板宽4 m，为厚0.3 m的C20素混凝土结构，引渠边墙为厚0.3 m的C20素混凝土结构。

桩号导0-120.000m～导0+000.000m为进口隧洞段，长120m。其中桩号导0-120.000m～导0-010.000m为洞身段，段长110m，纵坡i=0.02，断面型式为城门洞形，洞径为4m×5.5m（宽×高），C25钢筋混凝土衬砌厚度为0.6m；桩号导0-010.000m～导0+000.000m为渐变段，段长10m，纵坡i=0.02，断面型式尺寸由4.0m×5.5m（宽×高）城门洞形渐变为4.0m×5.0m（宽×高）矩形断面，采用C25钢筋混凝土衬砌，厚度为1.2m。

3.4.2 闸井段

桩号导0+000.000 m～导0+025.000 m为闸井段，采用竖井式进水口，将闸井镶嵌在山体中，闸井顺水流方向长25 m，垂直水流方向宽8 m。设一扇平板事故检修门，孔口尺寸4.0 m×5.0 m（宽×高）；一扇弧形工作门，孔口尺寸3 m×4 m（宽×高），进口底板高程1335.00 m，闸井顶高程1400.30 m。闸井四周进行固结灌浆，灌浆孔间排距3.0 m×3.0 m，灌浆孔长4.0 m，闸井为钢筋混凝土结构。

3.4.3 洞身段

桩号导0+025.000 m～导0+375.000 m为无压隧洞洞身段，全长350 m，其中桩号导0+025.000 m～导0+035.000 m为渐变段，断面形式由4.0 m×5.0 m（宽×高）矩形渐变为4.0 m×5.5 m（宽×高）城门洞型式；桩号导0+035.000 m～导0+365.000 m为洞身段，桩号导0+365.000 m～导0+375.000 m为明洞段，断面型式为城门洞形，断面尺寸为4.0 m×5.5 m（宽×高），洞身直墙高4.345 m，拱顶中心角均为120°，半径2.309 m。在侧墙与底板相接处设一半径0.6 m的圆弧。洞身每10.0 m设置一道结构缝，内设一道止水，纵坡i=0.02。边墙和底板采用C40高性能钢筋混凝土衬砌，厚度为0.6 m。

出口洞脸边坡设间距3 m，φ25的砂浆锚杆，锚杆长4.0 m边坡采用C30混凝土喷护，喷护厚度100 mm，并挂φ8@200 mm×200 mm的钢筋网。

3.4.4 出口消能段

桩号导0+375.000 m～导0+480.000 m为出口消能段，其中包括泄槽段、扩散段、消力池段。其中桩号导0+375.000 m～导0+385.000 m为泄槽段，长10 m，底板纵坡i=0.02。桩号导0+385.000 m～导0+430.000 m为扩散段，长45 m，纵坡i=1/3，断面形式为矩形，由底宽4.0 m扩散到底宽8.0 m，边墙和底板均采用C25钢筋混凝土衬砌，衬厚1.0 m。桩号导0+430.000 m～导0+480.000 m为消力池段，长50 m，纵坡i=0，断面形式为矩形，底宽8.0 m，高7.0 m，边墙和底板均采用C25钢筋混凝土衬砌，衬厚分别为1.5 m和2.0 m；消力池后接15 m扭面连接后部退水建筑物。

4 导流兼泄洪冲砂洞结构计算

4.1 稳定计算

导流兼泄洪冲沙洞为竖井开挖，闸井紧密的镶嵌在山体中，因此无需进行稳定计算。

4.2 洞身结构计算

洞身结构结构计算采用结构力学方法计算，由《水利水电工程PC1500程序集》中G-12进行计算。

对导流兼泄洪冲沙洞的不同桩号位置作为典型段面进行结构计算:计算桩号为0+035 m、0+200 m、0+350 m。

4.2.1 计算工况及荷载组合

计算内力组合分为施工期、运行期和检修期三种工况。

施工期:自重+山岩压力+灌浆压力；

运行期:内水压力+外水压力+自重+山岩压力；

检修期:外水压力+自重+山岩压力。

灌浆压力按0.2 MPa计，作用于洞室顶部；洞身尺寸4.0 m×5.5 m（b×h）的城门洞型；围岩容重 γ岩=2.69 g/cm3；内摩擦角φ=39°；洞身为Ⅳ类围岩，单位弹抗K0=667 N/cm3～1944 N/cm3。围岩泊松比μ=0.25。

外水压力受围岩构造裂隙、完整程度及排水措施等多方因素的影响，依据《水工隧洞设计规范》（SL 279-2002），应予折减。依据本工程的地质情况参考规范规定，计算外水时上游以校核洪水位1397.63 m、下游以出洞口洞顶为出溢点拉一直线认为是外水浸润线，在各计算断面截取对应的水头，乘以相应的折减系数，即为计算外水。考虑工程的地质情况和顶拱设置排水孔，渐变段外水不折减，洞身段外水折减系数0.6。

4.2.2 计算成果

导流兼泄洪冲沙洞为无压明流洞，衬砌厚度及配筋受内压控制，其主控荷载是外水压力，经结构计算渐变段衬砌厚度为0.8 m，洞身段衬砌厚度0.6 m。计算成果见3。

表3 导流兼泄洪冲沙洞洞身段结构计算成果表

根据计算结果采用钢筋为Φ25@190 mm。配筋面积为2584 mm。计算截面尺寸为1000 mm×600 mm，保护层厚度为50 mm，配筋率为0.47%，大于最小配筋率0.15%。衬砌结构尺寸合理。

5 结语

楼庄子水库工程导流兼泄洪冲沙洞建成截流通水后，导流度汛运行状况良好，通过两年来运行情况看，进一步验证了其设计与计算满足规范要求及运行使用要求，可为类似工程设计提供一定参考，相信后期随着后期大坝、溢洪洞及引水洞工程的陆续建成，必将极大地促进当地的经济发展与社会进步。