5.6 放水洞改建设计
5.6.1 加固方案
现东放水洞位于大坝桩号0+865处，为浆砌石无压拱涵，埋于坝下，涵洞宽1.0m，墩高1.0m，拱高0.5m，设计引水流量2.0m3/s。放水洞渗漏严重，与坝体填土间存在接触冲刷；放水洞没有设置检修闸门，工作闸门及启闭设施陈旧、老化，不能正常运行；并且放水洞断面尺寸过小，没有足够的空间对其进行修补或者改造。鉴于以上存在的问题，东放水洞需进行重建。为了与下游灌溉渠连接平顺，减少现放水洞的封堵投资，东放水洞选择原位拆除重建方案，施工期间采用西放水洞导流。
现西放水洞位于大坝桩号0+058处，为无压砌石拱涵洞，埋于坝下，涵洞宽1.2m，墩高1.2m，拱高0.6m，设计引水流量3.5m3/s。放水洞渗漏严重，两侧填土压实度不够，库水位高时常有绕渗水流在下游岸墙处逸出，坝上游坡放水洞的上部已出现塌陷坑，直径3.0m，深0.5m左右；放水洞没有设置检修闸门，工作闸门及启闭设施陈旧、老化，不能正常运行；并且放水洞断面尺寸过小，没有足够的空间对其进行修补或者改造。鉴于以上存在的问题，西放水洞需进行重建。地质勘探发现，放水洞以右存在一断层，走向平行洞轴线，相距2～3m，采取在原位拆除重建，既可解决放水洞重建后与下游灌溉渠道的平顺连接，又可将断层挖开进行处理，故西放水洞选择原位拆除重建方案，施工期间采用东放水洞导流。
鉴于东、西放水洞存在的以上问题，需要拆除重建，不再对其现状结构进行复核计算。
5.6.2 放水涵洞布置
5.6.2.1 东放水涵洞布置
为了减少开挖量并利用下游输水渠道，重建的东放水洞仍布置在原来位置，洞轴线同原来洞轴线。新建涵洞为钢筋混凝土结构，断面型式采用城门洞型，按明流涵洞设计，设计流量与原放水涵洞相同，为2.0m3/s。
重建的东放水洞总长75.12m，主要由进口段、闸室段、洞身段、出口（消力池）段4部分组成。
进口段采用八字型挡墙式矩形引渠，渠底高程156.57m。
闸室段采用塔式进水口，为钢筋混凝土结构，混凝土强度等级C25。闸室底板长8.0m，宽5.0m。闸室底板基础开挖至基岩，基岩至闸室底板之间回填C15素混凝土。闸室内设置检修及工作2道闸门，检修门闸孔尺寸1.0m×1.5m，工作门闸孔尺寸1.0m×1.0m。检修门和工作门之间设置胸墙一道，检修门启闭机室设在闸室上部，底板与坝顶平，高程167.50m，启闭机室内设可以顺水流向移动的单轨移动启闭机作为检修门的启门设备，并可以为工作门及启闭机检修的起吊设备。工作门启闭机室布置于前后胸墙之间，底板高程162.07m，设固定螺杆启闭机作为工作门的启闭设备，该层与检修门启闭机室机房之间设置带防护网的钢爬梯供操作人员通行。
洞身段全长46.62m，为了充分利用库内水量，考虑现状下游灌溉渠道运用，进口底板高程与原洞进口底板高程相同，为156.57m，出口底板高程156.39m，纵坡0.004。涵洞断面在满足设计流量的前提下，还应保证运用期的正常检查、维修尺寸，为1.5m×2.0m圆拱直墙式城门洞型，钢筋混凝土结构，断面净宽1.5m，侧墙高1.57m，顶拱中心角120°，半径0.866m，衬砌厚度0.30m。
涵洞出口处设置消力池，为钢筋混凝土结构，总长10.50m，其中陡坡段水平长4.2m，池长5.8m、宽4.0m、深0.66m。
5.6.2.2 西放水涵洞布置
为了减少开挖量并利用下游输水渠道，重建的西放水洞仍布置在原来位置，洞轴线同原来洞轴线。新建涵洞为钢筋混凝土结构，断面型式采用城门洞型，按明流涵洞设计，设计流量与原放水涵洞相同，为3.5m3/s。
重建的西放水洞总长71.00m，为竖井式，主要由进口段、闸室段、洞身段、出口（消力池）段4部分组成。
进口采用八字形坝下矩形埋涵引渠，渠底高程157.07m。
闸室段采用塔式进水口，为钢筋混凝土结构，混凝土强度等级C25。闸室底板长8.0m，宽5.0m，底板下铺厚10cmC10素混凝土。闸室内设置检修及工作2道闸门，检修门闸孔尺寸1.0m×1.5m，工作门闸孔尺寸1.0m×1.0m。检修门和工作门之间设置胸墙一道，检修门启闭机室设在闸室上部，底板与坝顶平，高程167.50m，启闭机室内设可以顺水流向移动的单轨移动启闭机作为检修门的启门设备，并可以为工作门及启闭机检修的起吊设备。工作门启闭机室布置于前后胸墙之间，底板高程162.57m，设固定螺杆启闭机作为工作门的启闭设备，该层与检修门启闭机室机房之间设置带防护网的钢爬梯供操作人员通行。
洞身段全长42.50m，为了充分利用库内水量，考虑现状下游灌溉渠道运用，进口底板高程与原洞进口底板高程相同，为157.07m，出口底板高程156.90m，纵坡0.004。涵洞断面为1.5m×2.0m圆拱直墙式城门洞型，钢筋混凝土结构，断面净宽1.5m，侧墙高1.57m，顶拱中心角120°，半径0.866m，衬砌厚度0.30m。
涵洞出口处设置消力池，为钢筋混凝土结构，总长10.50m，其中陡坡段水平长4.2m，池长5.8m、宽4.0m、深0.5m。
5.6.3 水力计算
5.6.3.1 计算公式
（1）涵洞正常水深及临界坡度。洞内正常水深按式（5.6-1）计算：
式中 R——水力半径；
n——渠道糙率系数；
i——渠道比降；
A——过流面积。
临界坡度iK计算公式（5.6-2）为：
式中 g——重力加速度，9.81m/s2；
α——流量不均匀系数，取α=1.1；
χK——湿周；
CK——谢才系数；
BK——断面宽。
（2）闸门开启度。当水库水位分别在157.57m、159.57m左右时，东、西放水洞自由泄流量将大于设计流量，此时应按设计流量通过闸门控制放水。因进口段设置有压短洞，设下游水位不影响隧洞的泄流能力，此时，其泄流量可由闸孔自由出流的公式（5.6-3）计算：
式中 e——闸门开启高度；
B——水流收缩断面处的底宽；
H——由有压短洞出口的闸孔底板高程起算的上游水深；
ε——垂直收缩系数；
μ——短洞有压段的流量系数，计算公式（5.6-4）为：
式中 ωc——收缩断面面积，ωc=εeB；
ζi——局部能量损失系数；
ωi——与ζi相应的过水断面面积；
la——有压短洞长度；
ωa、Ra、Ca——有压短管的平均过水断面面积、相应的水力半径和谢才系数。
（3）消力池。消力池尺寸按《溢洪道设计规范》（SL 253—2000）规定方法计算，即
式中 d——池深；
ht——消力池下游水深；
b1、b2——跃前、跃后消力池宽度；
φ——消力池出口段流速系数，取为0.95；
h1——跃前水深；
v1——跃前流速；
h2——池中发生临界水跃时的跃后水深；
L——自由水跃长度，L=6.9（h2-h1）。
5.6.3.2 东放水洞计算结果
（1）涵洞正常水深及临界坡度。由式（5.6-1）、式（5.6-2）计算，东放水洞设计流量为2.0m3/s时，洞内正常水深ht为0.642m，临界水深为0.584m，临界坡度ik为0.0053。涵洞坡度为0.004，小于临界坡度，为缓坡。正常水深时，洞内过水流速为2.08m/s。
（2）闸门开启度。由式（5.6-3）、式（5.6-4）计算不同水位的东放水洞闸门开启高度见表5.6-1。由表可知闸后共轭水深大于下游水深，为闸孔出流。
表5.6-1 东放水洞闸门开度与流量关系表
续表
由于为缓坡，闸后水深将由正常水深决定，东放水洞的正常水深为0.642m，经计算洞内水面线以上的空间大于涵洞断面面积的15%，且涵洞内净空超过40cm，故东放水洞过流能力满足《水工隧洞设计规范》（SL 279—2002）规范的要求。
（3）消力池。由式（5.6-5）、式（5.6-9）计算得出，跃前水深为0.11m，跃前流速为4.70m/s，跃长3.8m，池深为0.09m，故所设计的池长5.8m、底坎高66cm满足消能要求。
5.6.3.3 西放水洞计算结果
（1）涵洞正常水深及临界坡度。由式（5.6-1）、式（5.6-2）计算，西放水洞设计流量为3.5m3/s时，洞内正常水深ht为0.979m，临界水深为0.848m，临界坡度iK为0.0058。涵洞坡度为0.004，小于临界坡度，为缓坡。正常水深时，洞内过水流速为2.38m/s。
（2）闸门开启度。由式（5.6-3）、式（5.6-4）计算不同水位的西放水洞闸门开启高度见表5.6-2。由表5.6-2可知闸后共轭水深大于下游水深，为闸孔出流。
表5.6-2 西放水洞闸门开度与流量关系表
由于为缓坡，闸后水深将由正常水深决定，而西放水洞的正常水深为0.979m，洞内水面线以上的空间大于涵洞断面面积的15%，且涵洞内净空均超过40cm，故西放水洞过流能力满足《水工隧洞设计规范》（SL 279—2002）规范的要求。
（3）消力池。由式（5.6-5）～式（5.6-9）计算得出，跃前水深为0.178m，跃前流速为4.90m/s，跃长4.64m，池深为0.04m，故所设计的池长5.8m、底坎高50cm满足消能要求。
5.6.4 结构设计
5.6.4.1 闸室稳定计算
（1）荷载组合。作用在水闸上的竖向荷载主要有闸室自重、启闭机自重、水重、扬压力等，水平向荷载主要有静水压力、填土压力等。荷载组合分基本组合与特殊组合，其中基本组合包括正常蓄水位情况及设计洪水位情况，特殊组合包括完建情况、校核洪水位情况，荷载组合情况见表5.6-3。
表5.6-3 荷载组合表
（2）计算公式及标准。闸室基底应力计算采用公式（5.6-10）计算：
式中
——基底应力的最大值和最小值；
∑G——作用在闸室上的全部竖向荷载；
∑M——作用在闸室上的全部荷载对于基础底面垂直于水流方向的形心轴的力矩；
A——闸室基底面的面积；
W——闸室基底面对于垂直水流方向的形心轴的截面矩。
闸室抗滑稳定计算采用公式（5.6-11）计算：
式中 Kc——闸室基底面的抗滑稳定安全系数；
F——闸室基底面与地基之间的摩擦系数；
∑G——作用在闸室上的全部竖向荷载；
∑H——作用在闸室上的全部水平荷载。
沿基础面抗倾稳定计算采用公式（5.6-12）计算：
式中 Kf——抗倾覆安全系数；
∑M——倾覆力矩，kN·m；
∑Mf——抗倾覆力矩，kN·m。
东、西放水洞新建闸室均为3级建筑物，东放水洞闸室基础为壤土，其允许承载力为90kPa，f取0.30；西放水洞闸室基础为灰岩，其允许承载力为400kPa，f取0.50。
经过初步计算，在各种工况下东放水洞闸室基底应力值为138.75～231.87kPa，均大于地基允许承载力，需要对其进行地基处理。
（3）东放水洞闸室地基处理。由于基岩深度较浅，闸室基础按1∶2的坡度开挖至基岩。基岩至闸室底板之间回填C15素混凝土，其余部分回填壤土，压实度0.98。经过处理后的闸室基础为全风化闪长岩，其允许承载力为300kPa。
（4）计算结果。经过地基处理后的东放水洞闸室坐落在基岩上，相当于底板加厚，f值取0.40。由于西放水洞进水塔为竖井式，闸室上下游填土较厚，本次只计算东放水洞抗倾覆安全系数。按式（5.6-10）～式（5.6-12）对闸室基底应力、安全系数及抗倾覆安全系数进行计算。
东、西放水洞闸室基底应力及稳定安全系数计算结果见表5.6-4、表5.6-5。
表5.6-4 东放水洞闸室基底应力、抗滑稳定安全系数抗倾覆安全系数汇总表
表5.6-5 西放水洞闸室基底应力、抗滑稳定安全系数汇总表
计算表明，在各种工况下，东、西放水洞进水闸闸室抗滑稳定安全系数均大于《水利水电工程进水口设计规范》（SL 285—2003）允许值，基底应力均小于地基允许承载力，即东、西放水洞闸室稳定及基底应力均满足规范要求。
5.6.4.2 涵洞衬砌结构计算
（1）荷载组合。作用在涵洞上的荷载主要有衬砌自重、填土压力、外水压力、内水压力、地基抗力等，本次主要计算了衬砌自重、填土压力、外水压力、地基抗力等荷载共同作用下衬砌的内力。各类荷载分项系数按《水工混凝土结构设计规范》（SL/T 191—1996）及《水工建筑物荷载设计规范》（DL 5077—1997）规定确定。
（2）计算方法及结果。按荷载结构法计算涵洞衬砌内力，采用衬砌边值问题的数值解法，即计算衬砌的内力和变形时，不需事先对抗力作出假设，而由程序自动迭代求出。
校核洪水位情况下最大坝高处的涵洞断面受力最大，且东放水洞最大埋深比西放水洞最大埋深大，故本次只计算东放水洞衬砌内力。
设计衬砌厚0.30m，混凝土强度等级为C25，东放水涵洞衬砌的内力计算结果见表5.6-6。
表5.6-6 东放水涵洞衬砌内力统计表
计算结果显示在直墙衬砌与底板交汇处，衬砌内力较大。衬砌按正常使用极限状态限裂设计，衬砌最大裂缝宽度允许值为0.25mm。
5.6.5 主要工程量
角峪东、西放水洞重建工程主要工程量见表5.6-7、表5.6-8。
表5.6-7 东放水洞主要工程量表
表5.6-8 西放水洞主要工程量表
续表
