自流排水洞布置与结构计算

4.3.2.1　自流排水洞布置

上水库自流排水洞位于上水库副坝东沟上游，进口距副坝约49m，出口在主坝坝后，距主坝垂线距离约350m。洞轴线与副坝夹角约9.8°。断面为城门洞形，尺寸5.2m×5.7m，全断面衬砌厚0.5m，洞长716m，纵坡0.015。自流排水洞200年一遇洪水设计流量276m3/s。1000年一遇洪水设计流量为328m3/。排水洞进口高程为760.00m，出口高程为749.26m。进口为喇叭形，排水洞出口下设消能及泄流设施，出口至坝后东沟下游高差约70.0m左右，之间采用台阶消能，平面上为转弯布置，转弯段布置在台阶消能泄水渠底部的消力池段，转弯半径为45.0m，转角36.09度。消力池以上为台阶消能矩形泄槽，长度为87.6m，宽度由10.17m渐变为28.0m；泄槽坡比1∶1.7，台阶高1.0m，宽1.7m，侧墙高5.5m，侧墙厚0.8m，底板厚0.8m，泄槽底部设有0.15m厚无砂混凝土排水垫层，排水垫层内设有软式透水管，排水管间排距5.0m。在703.05m高程（与出口高差约46.0m左右）处设有消力池，消力池长21.98m，宽28.0m，侧墙高6.0m，厚0.8m，底板1.5m。经消力池消能后再接台阶式泄水渠送向下游东沟，泄水渠坡比1∶4，为浆砌石结构，梯形断面，断面坡比1∶1.5，泄水渠宽度31.0m，高4.7m，底板厚1.0m，边坡厚0.8m，泄水渠出口设有临时铅丝笼护脚。

4.3.2.2　排水洞洞线及洞型选择

自流排水洞位于副坝上游东沟49m处东沟右岸，东沟左岸为狼山，山顶海拔1080.00m，山体较宽厚，坡度一般为（自然坡）15°～30°；800.00m高程以上基岩裸露，以下多被坡积物、崩积物覆盖，覆盖层厚10～35m，一般未胶结。东沟右岸为关山，山顶海拔1283m，山体宽厚，自然坡25°～40°；750m以上基岩裸露，以下分布有半胶结～松散状坡积物、崩积物，覆盖层厚10～16m。从东沟两岸地形可以看出，洞线布置在右岸是合适的。

根据副坝上游及右岸地形，排水洞的埋深和上游天然径流的利用方式，排水洞比较了有压洞、无压洞和有压短管进口无压排水洞三种型式。

副坝上游山体陡峻，若采用有压洞，布置进口塔架造成山体大量开挖，并影响山体稳定。洞线（排水洞）直线布置，工作门布置在出口，也将会造成大量的开挖，同时需要修建塔架以及金属结构工程量将增加；而东沟平时无径流，洪水暴涨暴落；而副坝上游库容较小，无调洪能力，因此布置有压洞是不合适的。

采用有压短管进口无压泄水隧洞方案，虽然减少了出口部分的开挖等工程量，但依然存在有压洞进口塔架布置的问题。

采用无压洞较为理想，不考虑副坝以上库容的调洪作用，来水全经排水洞宣泄，进出口无须布置建筑物，因此采用无压排水洞方案；对排水洞过流能力有较高要求，因此选用过水能力较大的城门洞形。

4.3.2.3 排水洞断面设计

排水洞为1级建筑物，排水洞洞径的大小，直接影响到工程量和工程投资，因此对排水洞洞径的大小进行了多方案比较。

排水洞为无压洞，城门洞形。根据理论、经验公式计算，洞宽7m左右。结合进口布置形式，比较了洞宽分别为5m、6m的两个方案。洞宽5m时，隧洞进口水深7.6m，加上洞口余幅，隧洞宽高比达1∶1.6。洞宽6m时，隧洞进口水深6.7m，加上洞口余幅，隧洞宽高比1∶1.2。上水库地应力测试表明，水平地应力大于垂直地应力，隧洞可采用高度较小而宽度较大的断面。洞径5m的开挖断面面积比洞径6m的开挖断面面积大。综合分析，隧洞采用圆拱直墙形断面，开挖洞径断面尺寸6m×6.5m（宽×高）。

4.3.2.4　排水洞衬砌计算

1.计算方法

按照《水工隧洞设计规范》（DL/T 5195—2004）规定，对于Ⅱ类、Ⅲ类围岩，宜采用结构力学方法计算。对于圆拱直墙式无压隧洞的衬砌，采用边值法计算，计算数据参数如下：

混凝土容重：25.00kN/m3；

混凝土强度等级：C25；

内水水头：4.18m；

检修期外水折减系数：0.7；

灌浆压力：0.2MPa；

底部单位弹抗系数：5000MN/m3；

左侧单位弹抗系数：5000MN/m3；

顶部单位弹抗系数：5000MN/m3；

围岩容重：26.00kN/m3；

围岩垂直压力系数：0.058；

围岩侧向压力系数：0.00；

结构荷载是否封闭对称：对称；

洞高：6.0m；

顶拱半径：3.5m；

顶拱中心角：52.0672°；

底板厚：0.4m；(www.xing528.com)

左侧墙厚：0.4m；

顶拱厚：0.4m；

左拱端厚：0.423m；

侧墙与底板是否圆弧连接：方角。

2.计算结果

计算结果见表4.3-1和表4.3-2。最终确定侧墙与底板方角连接，衬砌厚度为0.40m，纵向分布钢筋14，内外侧受力钢筋均为16。

表4.3-1　排水洞结构计算内力计算成果汇总表

表4.3-2　排水洞结构计算成果汇总表

4.3.2.5　自流排水洞细部构造及基础设计

（1）洞身总长716.06m，洞身衬砌采用C25混凝土，每12m设置一道伸缩缝，缝内设置一道橡胶止水带，填塞泡沫板。

（2）洞身施工开挖时为保证洞身围岩稳定采用挂网喷混凝土支护，钢筋网片8@150×150，喷C20混凝土，厚根据围岩不同采用0.1m、0.15m两种。根据围岩不同，锚杆采用直径22mm、25mm两种砂浆锚杆（局部钻孔困难为自进式中空锚杆），间排距2.0m，锚杆长度3.6m，入岩3.4m。

洞身在洞顶101.82m范围内进行回填灌浆，回填灌浆在衬砌内埋设φ48钢管，钢管伸出衬砌外0.2m，回填灌浆压力为0.3MPa，分Ⅰ、Ⅱ序孔间隔布置。

4.3.2.6　自流排水洞进、出口结构设计

1.排水洞进口段设计

根据地质情况，排水洞进口段基础和两侧边墙地层和副坝消力池基本一样，以1m4（馒头组）、1m5（馒头组）、1mz1和1mz2（毛庄组）岩组为主。

进口段呈喇叭形扩散状，长16.00m，起始宽度12.78m，终止宽度5.2m，底板顶面高程760.00m，底板和边墙厚0.5m，侧墙高8.5m，为C20钢筋混凝土，内外侧配钢筋16@200×200。

进口段基础高程为759.50m，按设计断面开挖后，为保护边坡，在768.50m高程以下采用混凝土墙保护，768.50m高程以上采用喷锚支护，进口段起始处和终止处各设置一道齿槽，起始齿槽底部高程757.00m，终止齿槽底部高程759.00m。

底板和边墙设置锚杆，锚杆直径20mm，长3.6m，入岩3.4m，间排距2.0m，梅花形布置，采用L形短钢筋和混凝土内受力钢筋焊接在一起。局部塌孔地段改为直径25mm自进式中空锚杆。局部塌孔地段改为直径25mm自进式中空锚杆。

进口段边墙768.50m高程以上整个开挖边坡采用挂网喷混凝土支护，支护参数为砂浆锚杆（局部钻孔困难为自进式中空锚杆）直径为25mm，间排距2.0m，锚杆长度3.0m、5.0m两种，钢筋网片8@150×150，喷C20混凝土厚0.1m。

进口段边墙设置排水孔，排水孔采用直径100mmPVC排水管，伸入岩体0.2m。

进口段与排水洞洞身之间设置伸缩缝，采用一道橡胶止水带封闭，缝内填塞泡沫板。

2.排水洞出口段设计

根据地质情况，排水洞出口段基础和两侧边墙地层和副坝以1m5（馒头组）、1mz1和1mz2（毛庄组）岩组为主。

出口段从0+706.00～0+736.25，呈喇叭形扩散状，扩散角7°，起始宽度5.2m，终止宽度10.17m，底板顶面高程从749.26～749.19m。出口段共分三段，0+716.00～0+724.60为第一段，底板厚度1.0m，0+724.60～0+733.36为第二段，底板厚度1.5m；0+733.36～0+736.25为出口圆弧段，圆弧半径5.8m，第二段至圆弧末端基础均设齿槽，起始齿槽底部高程745.53m，终止齿槽底部高程744.53m，圆弧末端齿槽底板以下深3.5m。圆弧下接台阶消能泄槽。出口侧墙高7.0m，顶部高程756.00m，侧墙厚0.8m。

侧墙按设计断面开挖后，为保护边坡，在756.00m高程以下采用混凝土墙保护，756.00m高程以上采用喷锚支护。

出口段底板和边墙为C25钢筋混凝土，内外侧受力钢筋22@160，分布钢筋16@200。底板和边墙设置锚杆，锚杆直径20mm，长3.6m，入岩3.4m，间排距2.0m，梅花形布置，采用L型短钢筋和混凝土内受力钢筋焊接在一起。局部塌孔地段改为直径25mm自进式中空锚杆。

出口段边墙768.50m高程以上整个开挖边坡采用挂网喷混凝土支护，支护参数为砂浆锚杆（局部钻孔困难为自进式中空锚杆）直径为25mm，间排距2.0m，锚杆长度3.0m、5.0m两种，钢筋网片8@150×150，喷C20混凝土厚0.1m。

出口段与排水洞洞身之间、出口段两段之间设置伸缩缝，采用一道橡胶止水带封闭，缝内填塞泡沫板。