[收稿日期]2019-05-06
[作者简介]王春柳(1989-)，女，吉林长春人，工程师，主要从事水利水电工程水工结构设计工作。
第8期(总第459期)
吉林水利2020年08月
[文章编号]1009-2846(2020)08-0043-05
1工程概况
狮溪水库坝址位于贵州省桐梓县狮溪镇瓦房
村白台河上游河段，作为桐梓县“十三五规划”的拟建项目，工程任务主要是供水和灌溉。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2017)的规定工程规模为小(1)型，工程等别为Ⅳ等，挡水建筑物、泄水建筑物导流兼取水放空隧洞建筑物为4级建筑物。水库正常蓄水位为966m ，相应正常蓄水位以下库容232万m 3，死水位为
944.50m ，死库容为64万m 3，兴利库容为185万m 3，校核洪水位969.33m ，总库容274万m 3。枢纽工
程由混凝土面板堆石坝、右岸岸边溢洪道、右岸取水兼放空建筑物、坝输水建筑物组成。挡水大坝为混凝土面板坝，坝顶高程970.50m ，河床段建基面高程905.00m ，最大坝高65.50m ；坝顶宽6.0m (净宽)，最大坝底宽198.29m 。
坝址属软岩夹硬质组成的峡谷地形河段，建坝河段较为顺直，为一较对称的“V ”形河谷坝址两岸地形较陡，软岩与硬岩相间分布，在差异风化下，易在上部硬岩与下部软岩的接触处形成凹腔，上部硬岩岩体在自重应力下，易沿向临空面拉开，卸荷现象较为明显。根据地质测绘，坝址
区卸荷主要集中在奥陶系宝塔组(O 3b )、湄潭组
第二段(O 1-2m 2
)生物碎屑灰岩中，卸荷岩体在降雨
等因素的影响下，易发生零星崩塌。
在工程设计过程中，结合本工程项目特征以及地质情况，综合分析工程枢纽整体布置、施工难度及投资等相关因素，将取水洞、放空洞和导流洞进行了有机整合，形成了“三洞合一”的布置方案[1-2]。
2泄水建筑物方案选择
由于本工程混凝土面板堆石坝较高，不宜采
用坝身泄洪，考虑到泄洪建筑物与取水、放空建筑物以及导流建筑物有关，拟布置泄洪、取水、放空建筑物及导流三个方案，其中，方案一为左岸溢洪道+右岸取水兼放空导流，取水放空兼导流隧洞布置在右岸，利用导流洞改建而成；方案二为右岸溢洪道+左岸取水兼放空导流，取水放空兼导流隧洞布置在左岸，利用导流洞改建而成；方案三为右岸泄洪洞兼导流+左岸取水兼放空。从投资、开挖量、
狮溪水库取水放空兼导流建筑物优化设计
王春柳
(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州
贵阳
550081)
[摘要]狮溪水库坝址区为高山峡谷区，是一座具有灌溉和供水功能的综合性水库。现场踏勘后综合考虑地形条件、施工条件以及工程投资等因素，通过多方案设计与分析，确定采用取水洞、放空洞以及导流洞“三洞合一”的布置方案。该优化设计解决了三条隧洞同岸布置，施工过程中相互影响的难题，同时缩短了施工工期，节省了工程投资，对类似工程具有借鉴。
[关键词]水利工程；取水建筑物；导流洞；放空洞；三洞合一[中图分类号]TV 672.1
[文献标识码]B
方案
投资(万元)
方案一左岸溢洪道3375右岸取水兼放空、导流
1852方案二右岸溢洪道3624左岸取水兼放空、导流1826方案三
右岸泄洪洞兼导流4864左岸取水兼放空
667
各方案投资对比表
表1
图1
方案一进水口结构剖面图
图2方案二进水口结构剖面图
泄流条件、施工难度、边坡处理等方面综合考虑，最终选择方案一，即左岸岸边溢洪道+右岸取水兼放空导流，各方案的投资对比表见表1。
3
取水放空兼导流建筑物优化设计
3.1
进水口形式选择
由于溢洪道布置在大坝左岸，为保证取水放空兼导流洞出口闸阀室不受溢洪道出口消力池影响、隧洞与溢洪道横向安全距离，则隧洞轴线长度较长，且取水放空兼导流建筑物修建在大坝左岸需要增设一条长约92m 的引水渠道，经济投资较大，故本工程优选取水兼放空建筑物拟建在大坝右岸，与导流洞结合布置。永临结合的取水放空兼导流建筑物不仅能够满足工程的取水、放空功能需要，而且能够充分利用临时建筑物，节约工程投资。
取水、放空建筑物具包含两种结构形式：一是取水塔采用龙抬头隧洞与导流洞相接，二是取水塔与导流洞进口合建，两种方案启闭机室、出口处闸阀室及导流洞工程量基本相同，故取水放空兼导流建筑物型式选择仅做取水塔、交通桥及洞身段的工程量比较，具体比较方案如下。
方案一：取水塔采用“龙抬头”隧洞与导流洞相接：取水放空兼导流隧洞布置在右岸，利用导流洞改建而成。隧洞进水口采用岸塔式，进口底板高程为941.50m ，采用“龙抬头”形式与导流洞衔接，龙抬头隧洞长度32.8m 。取水塔沿水流方向依次设1.5m ×2.5m 移动式拦污栅、1.5m ×1.5m 的平板事故
检修闸门，进口采单面收缩的喇叭形，顶部采用椭圆曲线方程x 2/22+y 2/12=1。闸门井高29.00m ，在970.50m 高程设启闭机室，启闭机室采用钢筋混凝土交通桥与岸坡道路相连，交通桥共两跨，每跨11m 。闸门井后接渐变段，由1.5m ×1.5m 的方孔渐变为1.2m 的圆孔后接导流洞，隧洞洞径为1.2m
(内径)，方形隧洞衬砌厚0.5m ，圆形隧洞衬砌厚0.5m ，内衬DN1200取水兼放空管，通过竖向转弯
进入导流洞，导流洞为城门洞型(3.5m ×4.0m 宽×高)。
方案二：取水塔与导流洞进口合建：取水放空兼导流隧洞布置在右岸，隧洞进水口采用岸塔式，取水塔与导流洞进口合建，取水塔进水口底板高程941.50m ，导流洞进口高程底板923.00m ，取水放
空兼导流建筑物进口后接导流隧洞，导流洞为城门洞型(3.5m ×4.0m 宽×高)，取水塔后接DN1200钢管，
通过竖向转弯后进入导流洞。取水塔沿水流方向依次设1.5m ×2.5m 移动式拦污栅、1.5m ×1.5m 的平板事故检修闸门，进口采单面收缩的喇叭形，顶部采用椭圆曲线方程x 2/22+y 2/12=1。闸门井高
29.00m ，在970.50m 高程设启闭机室，启闭机室采用钢筋混凝土交通桥与岸坡道路相连，交通桥共
三跨，每跨17m 。
两方案进口纵剖面布置图见图1、图2所示。
从施工条件看，方案一“龙抬头”段隧洞施工工序较复杂，但隧洞段为平洞和竖井结合，只要支护及时、措施合理就可保证施工安全以及施工进度；方案二较方案一导流洞进口土石方明挖量、石方洞挖量、混凝土衬砌量及锚杆量明显增加，方案一投资比方案二节省323.98万元。综上所述，本工程最终采用取水兼放空洞布置在右岸，与导流洞采用“龙抬头”方式衔接。3.2
进水塔稳定及基底应力计算
进水塔基础岩性为奥陶系湄潭组第一段页岩
969.33(校核洪水位P=0.33%)
968.22(设计洪水位P=3.33%)966.00(正常蓄水位)拦污栅门槽中心线
事故闸门门槽中心线
取水塔
970.55
961.00951.00
941.50
943.00(死水位)941.17(淤沙高程)
基础插筋
25,L=4.5m ，外露1m
Q O m A B
A B
白台河公路
(m )990980970960950940930920910900890
(m )990980970960950940930920910900
969.33(校核洪水位P=0.33%)968.22(设计洪水位P=3.33%)
966.00(正常蓄水位)
拦污栅门槽中心线
事故闸门门槽中心线
取水塔
白台河公路
944.50(死水位)941.17(淤沙高程)
941.50
923.00
Q 970.50
944.00
A
B
B
基础插筋
25,L=4.5m ，外露1m
O m
进水塔稳定计算成果汇总表
表3
计算项目
基本组合正常蓄水位
特殊组合
完建工况校核洪水位
基底应力
σmax (MPa )
0.72
0.89
0.70
σmin (MPa )
0.250.410.23建基面允许拉应力(MPa )0.10.20.2地基承载力[σ](MPa )
左岸右岸2.5 2.5 2.5抗浮稳定安全系数K f
2.86 2.73 2.59规范允许值[k f ]
1.10 1.05抗滑稳定安全系数
K c
2.52 2.32
2.1规范允许值[k c ] 1.10
1.05
夹生物屑泥晶、泥质灰岩，主要置于弱风化岩体上，局部为弱风化，岩体较完整~完整。塔体与基底
摩擦系数取f =0.55，基础承载力特征值为f ak =2.5MPa 。钢筋混凝土容重25kN/m 3,50年一遇基本
风压为0.3kN/m 2，风荷载体型系数迎风面取0.8，背风面取0.5。
塔式进水口四周由水环抱，取水塔的抗倾稳
定不存在问题，因此，取水塔仅需计算地基承载力、抗滑稳定及抗浮稳定。
(1)工况及荷载组合
计算工况及荷载组合如下表2所示。(2)基底应力计算基底应力按材料力学法计算，按结构布置及受力情况不对称的公式计算:
荷载组合设计工况自重水重水压力扬压力风压力基本组合正常蓄水位√√
√√√特殊组合
完建未挡水√√校核洪水位
√
√
√
√
√
P max min
=∑G A ±∑M x W x ±
∑M y
W y 式中P max min
为进水塔基底应力的最大值或最小
值(kPa );∑G 为作用在进水塔上的全部竖向荷载(包括基础底面上的扬压力在内,kN );A 为进水塔基底面的面积(m 2);∑M x 、∑M y 为作用在进水塔上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面形心轴x 、y 的力矩(kN.m );W x 、W y 为基底面对于该底面形心
轴x 、y 的截面矩(m 3)。
(3)抗滑稳定计算
抗滑稳定安全系数按下式计算:K c =f ∑G
∑H
式中K c 为沿基底面的抗滑稳定安全系数;f 为进水塔基底面与地基之间的摩擦系数，根据地质资料取0.5
5;∑H 为作用在进水塔上的全部水平向荷载(kN )。
(4)抗浮稳定计算
抗浮稳定安全系数按下式计算:K f =∑V
∑U
荷载组合表
表2
式中,K f 为抗浮稳定安全系数;∑V 为建基面上垂直力总和(不含设备重);∑U 为建基面上扬压力总和。
从上表中计算结果可知，在各种计算工况下，进水塔平均基底应力不大于地基允许承载力；抗滑、抗浮稳定安全系数均满足规范[3-4]要求。因此，进水塔的整体稳定及基底应力满足要求。3.3
隧洞衬砌计算
取水放空洞采用龙抬头方式结合施工导流隧洞设计。龙抬头段为有压隧洞，隧洞总长30m 。
有压隧洞洞径由1.5m ×1.5m 渐变至D =1.5m ，洞壁采用C30钢筋混凝土衬砌，方洞壁厚为0.5m ，圆形隧洞壁厚0.5m ；隧洞段采用固结灌浆和回填灌浆进行处理，固结灌浆每排6孔，排距2m ,L =1.5m ；在隧洞顶部120°角范围内设回填灌浆。
作用在隧洞上的荷载分为基本荷载和特殊荷
载两种。基本荷载包括:①衬砌自重、②围岩压力、③弹性抗力、④相应于设计条件下的内水压力、⑤相应于设计条件下的外水压力；特殊荷载包括:⑥相应于校核洪水位条件下的内水压力、⑦相应于校核洪水位条件下的外水压力、⑧灌浆压力；隧洞衬砌计算荷载组合见表4。
(1)围岩压力计算
垂直方向:q v =(0.2—0.3)γr B
水平方向:q h =(0.05—0.10)γr H
式中,q v 为垂直均布围岩压力(kN/m 2);q h 为水
平均布围岩压力(kN/m 2);γr 为岩体重度(kN/m 3)，根据质地所提参数，取27kN/m 3;B 为隧洞开挖宽度(m )，方形隧洞段B =2.5m ，圆形隧洞段B =2.2m ;
H 为隧洞开挖高度(m )，方形隧洞段H =2.5m ，圆形隧洞段H =2.2m 。
(2)弹性抗力
根据地质专业所提资料，取有压隧洞围岩弹性抗力系数k =10MPa/cm 。
(3)外水压力
作用在衬砌结构上的外水压力根据规范进行估算。
P e =βe ×γw ×H e (kN/m 2)
根据不同的地下水活动情况按规范表6.2.5对外水压力进行折减:
βe =0.4―0.8，在运行期工况下βe =0.4，施工期和检修期工况下取βe =0.8;
式中,P e 为作用在衬砌结构外表面的地下水
压力,kN/m 2;βe 为外水压力折减系数;H e 为地下水位线至隧洞中心线水头，由地质提供地下水位线
取H e =21.5m 。
(4)灌浆压力
根据规范Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩段回填灌浆压力采用0.3—0.5MPa ，本次设计采用0.3MPa 。
通过计算,1.5m ×1.5m 方形隧洞采用双层配筋，内侧钢筋D16，每米5根，外侧钢筋D16，每米
5根，各工况均满足抗裂要求；直径1.5m 圆形隧洞
采用双层配筋，内侧钢筋D16，每米5根，外侧钢筋
D16，每米5根，各工况均满足抗裂要求。
3.4
闸阀室稳定计算
取水放空建筑物出口闸阀室坐落在大体积混
凝土平台上，底板底高程为906.00m ，闸阀室出口河道50年一遇校核水位903.83m ，故闸阀室不存在抗浮稳定问题，本次仅对闸阀室抗滑稳定进行分析计算，经分析，本次取最不利工况，即闸阀室阀门关闭，未放空时进行抗滑稳定分析。
沿建基面滑动按照抗剪断公式进行计算:K ′=f ′∑M+C ′A
∑P
K ′为按照抗剪断公式计算的抗滑稳定安全系数;f ′为坝体混凝土与基岩接触面的抗剪断系数，根据地质所提参数f ′=0.4;C ′为坝体混凝土与基岩接触面的抗剪断凝聚力kPa ，根据地质所提参数，取C ′=80kPa ;A 为坝基接触面截面积,9×9.1=81.9m 2;∑M 为作用在坝体上的全部荷载(包括扬
压力)对滑动平面的法向分值;∑P 为作用在坝体上的全部荷载(包括扬压力)对滑动平面的切向分值。
闸阀室法向荷载主要为闸阀室自重,∑M =闸阀室混凝土体积×混凝土容重+闸阀室砖砌体体积×砖砌体容重=542.7m 3×25kN/m 3+27m 3×20kN/m 3=
14107.5kN 。
闸阀室水平荷载主要为阀门关闭时水推力和
水击压力，风荷载较小，忽略不计，故∑P=(969.33-906.6)×1.5×10×1.13=1063.27kN 。通过计算，抗滑稳定安全系数K ′为5.39大于
3.0，满足规范要求，稳定性较好。
4结论及建议
根据坝址区左、右岸地质、地形条件，并结合
溢洪道与泄洪建筑物布置，狮溪水库采用“三洞合一”的布置方案，即取水放空兼导流建筑物布置大坝右岸，利用导流洞改建而成，取水塔采用“龙抬头”型式与导流洞相接，导流洞内布设明管。该优化设计不仅使枢纽区建筑布置更加合理、紧凑，而且充分满足了面板堆石坝施工过程中施工期导流、运行期取水兼放空等多种功能的要求。“三洞合一”的布置方案节约了工程投资、降低了施工难度、缩短了施工工期，取得较好的经济效益，对类
荷载组合运行情况作用荷载基本组合正常蓄水位工况
①+②+③+④+⑤检修工况①+②+③+⑤特殊组合
施工期工况①+②+③+⑤或⑧校核水位工况
①+②+③+⑥+⑦
荷载组合表
表4
(上接第42页)
例分析结果显示，本文构建的模型具有良好的拟合及预报精度，可以用于大坝变形监控和预测研究。当然，本次研究中主要从监测资料数据本身着手进行变异点的识别，这显然难以准确反映环境量变化的实际影响。因此，今后需要进一步研究如何综合环境和大坝结构进行异常值的诊断，以提升模型的预测精度，提高其工程实用价值。□
参考文献:
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Research on Monitoring Statistical Model Used in Deformation for
Concrete Gravity Dam Based on SSA-CSO-RVM
Liao Aiqiang
Abstract :Based on the prototype monitoring data ,establishing dam safety monitoring model has important the ⁃oretical significance and practical value.Based on the theory exist ,in this paper ,the author put forward the statistical model in deformation monitoring for the concrete gravity dam based on ssa-cso-rvm.The analysis re ⁃sults ,on basis of living examples ,show that the model has good fitting and prediction accuracy ,which can be used in dam deformation monitoring and prediction research.
Keywords :dam deformation ;deformation monitoring ;correlation vector machine
似工程具有借鉴作用。□
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Optimization Design of “Three Tunnels in One ”Program for Shixi Reservoir
Wang Chunliu
Abstract :The dam site of Shixi Reservoir is located at high mountain gorge area ,which is a comprehensive reservoir with irrigation and water supply functions.After site investigating ,considering comprehensively the to ⁃pographical conditions ,the construction condition and the project investment and so on factors ,through carry ⁃ing out designing and analyzing many schemes ,determined and adopted the “three tunnels in one ”layout scheme ,namely taking one tunnel as three tunnels including the intake tunnel ,diversion tunnel and emptying tunnel.By means of the optimization design ,the difficult problem about mutual interference resulting from at the same side laying three tunnels during the construction was solved ,meanwhile the construction investment was saved ,and the construction period was shortened.The design is also of reference significance to other simi ⁃lar projects.
Keywords :hydraulic project ;intake structure ;diversion tunnel ;emptying tunnel ;three tunnels in one
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