库盆排水廊道的优化设计方案

4.2.5.1　排水廊道线路布置

库底排水廊道沿库盆底部周圈开挖坡脚布置，至主坝前分两路分别从主坝左、右岸两坝肩通向坝后堆渣场排水廊道集水井，集水井接主坝坝后排水沟通向坝下东沟。分为左、右岸排水廊道，左、右岸排水廊道从副坝前同一位置起始，其中左岸排水廊道从左0+000.00～左0+719.21为库盆段，左0+719.21～左0+725.81为库坝连接段，左0+725.81～左1+126.16为穿坝段，廊道出口位于主坝坝后堆渣场左岸。廊道底板起点高程740.20m，底坡左000.00～左0+552.91为0.1%，左0+552.91～左0+649.49为水平段，左0+649.49～左1+056.16为0.3%，左1+056.16～左1+126.16为5%。右岸排水廊道从右0+000.00～右0+379.49为库盆段，右0+379.49～右0+380.09为库坝连接段，右0+380.09～右0+852.49为穿坝段，出口位于主坝坝后右岸。廊道底板起点高程740.20m，底坡右0+000.00～右0+050.16为水平段，右0+050.16～右0+389.49为0.1%，右0+389.48～右0+852.49为0.3%。

4.2.5.2　排水廊道结构设计

库底排水廊道基岩段分缝长度12.0m，最大14.0m；软基段分缝长度9.0m，最大14.0m，软基段廊道分缝处设垫梁约束廊道变形。

1.库盆及穿坝岩基廊道结构设计

库盆排水廊道不仅起排除库岸及库底渗水作用，同时还是库岸沥青混凝土坡脚的支撑点，因此要求基础不能产生不均匀沉陷，以免拉坏沥青混凝土面板，因此要求库底排水廊道应全部做于基岩上，对未见基岩段基础覆盖层较较浅的应开挖至基岩并采用浆砌石或素混凝土回填至廊道基础设计高程，对个别基础较深挖至基岩较为困难的地段则采用基础拖梁或廊道梁进行支撑。对于穿主坝段，由于廊道上部为堆石体，上部荷载较大，为防止基础变形过大产生沉陷引起坝体变形，也要求穿坝廊道坐于基岩，对不能直接坐于基岩的地段全部挖出采用同库盆一样的方式处理。

廊道体型为城门洞形钢筋混凝土结构，底部开挖至基岩，廊道内净尺寸1.50m×2.10m，廊道顶拱及侧墙均0.60m厚，底板厚0.60m（扣除排水沟深度），混凝土强度等级C25，排水廊道结构计算采用水利水电程序集（V3.0）中多孔方圆涵洞内力及配筋计算书——G 13A，取廊道穿主坝处为最不利段，坝体堆石体按形不成拱效应考虑，堆石体重量作为廊道顶部荷载计入，这样假设计算对结构是偏于安全的。

计算取排水廊道单宽，设计荷载有拱顶水压力及坝体自重，对称的侧墙水压力及土压力，反对称的侧向地震水压力、地震土压力，计算内力见表4.2-12。

表4.2-12　内力计算成果表

计算得采用Ⅱ级钢筋时：顶拱和侧墙计算配筋不是很大，按构造配筋；顶拱侧墙实配22@150（As=25.34cm2）；底板计算配筋25@150（As=32.74cm2）。

2.坝后软基廊道结构设计

坝后排水廊道主要穿过坝后堆渣场，基础基本都在覆盖层上，且覆盖层较深，全部挖到基岩工程量太大，采用拖梁支撑投资太高，设计考虑开挖部分进行换填碎石或砌石，按软基设计，在伸缩缝处设置垫梁防止基础产生不均匀沉降后拉坏止水。

上部荷载主要为坝后堆渣，堆渣高程接近大坝。经计算，环向内力同穿坝廊道纵向内力为3721kN。根据内力配筋；侧墙及顶拱环向配22@150，底板纵、横向均配25@15.0。

3.排水廊道细部设计

（1）止水设计。廊道分缝缝宽2cm，采用一道1.4mm厚紫铜片环向止水，缝面设沥青杉板。止水片位于廊道壁厚中部，保证排水廊道与外界渗水隔离。

（2）排水设计。廊道靠库岸侧每10.0m设3根φ100mmPVC硬质塑料排水管，靠库盆侧库底排水管网排水管穿过廊道壁将渗水排至廊道，其中每延米廊道库岸渗水量为1.6228×10-6 m3/s，库盆渗水量为1.24415×10-5 m3/s，总渗水量0.014×10-3 m3/s。

廊道底部两侧设排水沟，排水沟断面尺寸0.30m×0.20m（b×h），底坡同廊道坡度，最小坡比0.1%，相应满流排水量为0.049m3/s，满足设计要求。

4.排水廊道集水井设计

左岸排水廊道在左1+126.16、右岸排水廊道在右0+852.49即廊道出口处各设置一个集水井。左岸廊道集水井底板基础开挖面高程730.76m，右岸廊道集水井底板基础开挖面高程735.47m，体型尺寸均为7.20m×4.46m×3.50m（长×宽×高）。集水井底板厚0.5m，侧墙厚均为0.4m，C25W4F150钢筋混凝土结构。顶部采用0.12m厚预制盖板。

右岸集水井在顺廊道轴线方向侧墙上预埋直径1200mm的混凝土排水涵管，接一泄槽然后通至主坝右岸坝后堆渣场主排水沟。左岸集水井在顺廊道轴线方向侧墙上预埋直径1200mm的混凝土排水涵管，直接和主坝右岸坝后堆渣场主排水沟连接。排水涵管下设宽2.0m厚20cm的C10素混凝土垫层，涵管每节长1m。

4.2.5.3　库盆廊道基础处理设计

1.基础开挖及处理

在库盆4号冲沟下部和库岸脱空段的廊道区域出现多处脱空段，其脱空段分别为廊道左0+234.00～左0+265.00、左0+288.50～左0+333.50、左0+234.56～左0+201.56段。

廊道左0+234.00～左0+265.00、左0+288.50～左0+333.50基础覆盖层较差，含石量底且松散，覆盖层较深，由于廊道为沥青混凝土支撑基础，为防止基础不均匀沉降，该段廊道基础设置拖梁支撑。其中左0+288.50～左0+333.50跨度45.0m较大，设置3.5m×4.0m（高×宽）C20钢筋混凝土拖梁，拖梁下基础换填1.5m。左0+234.00～左0+265.00跨度31.0m、设置2.5m×4.0m（高×宽）C20钢筋混凝土拖梁，拖梁下基础换填2.5m。托梁搭在两侧基岩的长度不小于1.0m，托梁下部换填部分采用C10素混凝土回填。

廊道左0+234.56～左0+201.56段，基础覆盖层虽然也较深，但含石量高，其中0+220.56～0+209.56基础部分已出现半胶结，基础相对较好，不再考虑设置托梁，而改为设置廊道梁，及利用排水廊道自身作为基础梁，廊道梁混凝土强度等级同原廊道，同时换填基础深5.0m，换填部分采用C10素混凝土回填。

2.廊道基础托梁设计

（1）计算假定及方法。脱空段托梁采用弹性地基梁计算方法进行计算。

（2）地基梁的分类。地基梁按梁的柔度系数t来界定是长梁还是短梁。

式中　t——柔度系数；

　　　E0——地基弹性模量；

　　　E——混凝土弹性模量；

　　　l——地基梁长度；

　　　h——地基梁高度。

（3）地基梁的计算方法：

式中　p、Q、M——反力、剪力、弯矩；

　　　、、——反力、剪力、弯矩影响系数；

　　　q——荷载；

　　　l——地基梁长度的一半。

（4）计算成果。计算荷载为拖梁及廊道自重、上部黏土重、沥青混凝土及水荷载重，为均布荷载，经计算各段托梁特征指数t＜50，为短梁。

按短梁计算托梁内力，梁所受正向弯矩值为72445kN·m，剪力5330kN，反向弯矩5924kN·m，其中正向弯矩为控制状况，计算托梁配筋，经计算两个托梁底部受力筋均配置32@150双层配筋，顶部受力筋采用32@150单层配筋，分布钢筋采用16@200钢筋。

3.库盆软基廊道梁设计

廊道左0+234.56～左0+201.56段，廊道梁净跨31.0m，为布置廊道基础配筋，将廊道底板适当加厚至0.8m。由于是一跨布置，为防止廊道梁因温度等原因产生裂缝，在左0+209.56和左0+220.56处各设1.0m宽混凝土后浇带。

（1）计算假定及方法。廊道梁内力计算采用弹性地基梁计算方法进行计算，计算方法同托梁计算方法。廊道梁结构按简化为工字梁计算配筋。

（2）计算成果。上部荷载同托拖梁基本一样，经计算廊道梁特征指数t＜50，也为短梁。(www.xing528.com)

按短梁计算廊道梁内力，按短梁计算托梁内力，梁所受正向弯矩值为61571kN·m，剪力5671kN，反向弯矩4443kN·m，其中正向弯矩为控制状况，计算托梁配筋，并将廊道梁简化为工字梁进行配筋计算。经计算廊道梁底部配32@100四层钢筋，上部配32@100单层钢筋，廊道环向筋维持原廊道配筋设计不变。

4.2.5.4　库盆排水廊道对外交通及排气设计

1.库盆排水廊道对外交通布置

为满足库盆排水廊道通风、观测及检修要求，在廊道左0+000.00、左0+400.00两处布置由环库公路至排水廊道的交通廊道。在左0+749.49处布置由主坝左坝肩至库底排水廊道的交通廊道，交通廊道内径1.5m×2.1m（宽×高）。在廊道右0+369.49处原设计布置从环库公路至库底排水廊道的交通廊道，施工期因对进度干扰较大，将右0+369.49处的交通廊道取消，改为在右0+365.23处设置通气孔。

2.交通廊道结构计算

交通廊道为城门洞形钢筋混凝土结构，廊道内净尺寸1.50m×2.10m，交通廊道是库盆开挖后二次槽挖浇注钢筋混凝土形成，底部及侧墙均为基岩，廊道顶拱及侧墙均0.40m厚，底板厚0.40m。排水廊道结构计算采用水利水电程序集V3.0中多孔方圆涵洞内力及配筋计算书——G 13A，取2号交通廊道与排水廊道相交处为最不利段，此处拱顶作用水头最高，取交通廊道底部最低处高程为738.20m，拱顶碎石及面层总厚度9.1m考虑。计算取排水廊道单宽，设计荷载有拱顶水压力及坝体自重，对称的侧墙水压力及土压力，反对称的侧向地震水压力、地震土压力，计算得采用Ⅱ级钢筋时：顶拱计算配筋面积为0，按构造配筋很小按构造配筋。侧墙计算配筋18@200（As=12.72cm2）；底板计算配筋22@200（As=19.00cm2）。

3.通气孔设计

通气孔布置在右0+365.23处，沿坡面从791.20～745.11m高程开挖1.2m×1.2m沟槽，直径600mm的通气钢管布置在中部，周围填筑C15素混凝土与库岸边坡起平，791.20m高程以上连接一段直径600mm的竖直通气钢管至793.20m高程，顶部设置通气罩。745.11m高程以下直径600mm的通气钢管拆分为三根直径300mm的钢管，三根钢管间距1.0m，穿过右岸排水廊道侧壁进入廊道内。

4.2.5.5　库底排水管网设计

1.排水管网布置

库底排水管网的布设主要考虑及时排走部分库底黏土渗水和分区域检测黏土裂缝渗、漏水的可能性。

招标设计阶段库底排水管网按方格网状布置，间排距15.0m，排水主管直径200mm，横向布置，排距15.0m；支管直径100mm，与主管垂直布置，间距15.0m。排水管采用PVC塑料花管，外包一道土工布。

排水管网要求在碾压完成的过渡层中开槽埋设，管四周15cm范围应采用2～3cm小粒径卵石保护并采用小型碾压设备或夯板夯碾压达到设计要求，塑料花管无成品管材，管身透水孔通过现场打孔加工而成，工作量巨大，影响工期。

考虑到库底填渣具有一定的透水性，因此在施工图阶段对排水管网简化设计如下：取消纵向排水管、横向排水管间距适当加大，优化排水管管材。

库底横向排水管施工期优化为钢塑透水管，以适应埋管碾压，盲沟管径100mm，收集库底黏土渗水，排水管长度小于60.0m，间距不大于25.0m，纵坡降i≥0.45%；长度大于60.0m，间距不大于15m，纵坡降i≥0.45%。

进出水口段前池防渗面板底部排水管，材质为PVC硬质塑料花管，管径100mm、150mm两种，管壁每10cm钻一排（6孔）直径为1cm的孔，梅花形布置，每米计54孔。

库底排水长管要求在过渡层填筑碾压达到验收标准后扣槽埋设，库底排水管周围采用2～3cm碎石保护，碎石保护层厚度不小于10cm，盲沟起坡点端部采用土工布包碎石保护。

岸坡排水短管为PVC硬质塑料管，收集岸坡碎石排水垫层中渗水，管径100mm，间距3.0m，最大不超过4.0m。

库底和库岸排水管收集排水均进入排水廊道排至下游。

2.排水管网结构型式选择

为简化施工加大排水管间距，希望排水管材可以提供足够的抗压强度、成品管管身具有较大的通透性和反滤性能，使得排水管可以采用机械设备碾压，减少二次开槽量和管身打孔工作量。

根据上述对排水管管材要求，管材由原全部采用PVC硬质塑料花管调整为主要采用加筋塑料盲沟、部分采用PVC硬质塑料花管，加筋塑料盲沟和PVC塑料花管材料特性见表4.2-13。

表4.2-13　钢塑透水管材料特性表

盲沟外包一层土工布，土工布克重150g/m2，土工布渗透系数k≥5×10-3 cm/s，等效孔径O95＜0.1mm。

3.排水管网渗、排水量计算

根据库底钢塑透水盲管设计原则，计算其渗、排水量。

（1）排水管长度小于60.0m，间距不大于25.0m，纵坡降i≥0.45%，单管承担黏土渗水排水面积1500m2，渗水量0.00013m3/s。

由于塑料盲管水力阻力系数是个变数，水头损失和通水量呈非线性关系，不同型号的塑料盲沟对应不同的关系曲线，所以对于每一种的塑料盲沟都要通过试验获得通水量与水头损失之间的关系。

计算分别采用厂家针对HTMY100A提供通水量试验公式和《灌溉排水》（期刊）上推荐计算公式两种核算排水量与渗水量之间的关系，见表4.2-14。

计算参照2001年9月《灌溉排水》第20卷第3期《塑料盲沟水力学性能试验》[文号1000-646X（2001）03-0079-02，作者：南京水利科学研究院吴福生、河海土工所张树奎、河海土工所刘家豪]针对φ20mm、φ45mm、φ50mm、φ70mm中空塑料盲沟和部分多孔所做试验推荐的计算公式：

式中　i——水力坡降，i=0.0045。

表4.2-14　库区黏土渗水量与盲管排水量计算表

结论：满足设计要求。

（2）排水管长度大于60.0m，间距≤15.0m，纵坡降i≥0.45%，该区域单管最长138.0m，承担黏土渗水排水面积2070m2，渗水量0.00018m3/s。

1）《塑料盲沟水力学性能试验》一文推荐计算公式计算成果见表4.2-15。

表4.2-15　库区黏土渗水量与盲管排水量计算表

结论：满足设计要求。

2）厂家针对HTMY100A提供通水量试验公式计算成果见表4.2-16。

表4.2-16　库区黏土渗水量与盲管排水量计算表

结论：满足设计要求。

（3）进/出水口段PVC排水管排水能力核算。进出水口部分钢筋混凝土板衬砌面积2400m2，总渗透量0.00029m3/s，PVC花管按80%断面过流，花管排水能力远远大于渗透量，满足设计要求。

（4）库岸PVC排水管排水能力核算。库岸面板排水垫层每10.0m范围排水0.00003m3/s，PVC花管排水量为0.12m3/s，远远大于垫层排水量，考虑施工期排水管存在堵塞的可能，因此沿库岸每10.0m范围布置3道排水管。