泄洪洞布置在老断沟下游,S形河道上弯段一带,走向225°。主要承担水库泄洪、排沙及放空水库任务。泄洪洞布置两条,均为明流洞,两洞泄量为3918.37m 3 /s,由左岸岸边向山体内依次为1号泄洪洞(低位洞)和2号泄洪洞(高位洞)。1号泄洪洞进口高程195.00m,进口分两孔事故门和两孔工作门,洞身长600.0m;2号泄洪洞由导流洞改建而成,进口高程为210.00m,洞长616.28m;两条泄洪洞洞身标准断面均为9.0m×13.5m (宽×高)城门洞型。洞身后接挑流鼻坎,水流直接挑入下游河道。泄洪洞进口采用塔式结构,1号进水塔高102.0m,2号进水塔高84.5m。
1号泄洪洞主要由进口引渠、进水塔、洞身段、出口段组成,最大泄量1961.60m 3 /s,最高运用水头90.43m。
(1)进口引渠,引渠布置在1号泄洪洞进水塔上游,由进口山体开凿形成,断面为梯形,渠底高程195.00m,宽33.0m,边坡1∶0.2,其中靠近塔架20m长范围内设C25混凝土板衬砌,板厚1.0m其余为喷混凝土保护。
(2)进水塔,采用岸塔式结构,进水塔进口高程195.00m,塔顶高程291.00m,塔高102.5m。塔基尺寸49.0m×33.0m (长×宽),为L形布置。进水塔高程220.00m以下为大体积混凝土结构,225.00m高程以上为田字形井筒结构,两者之间为渐变段。进水口为有压短进口布置形式,分为两孔,单孔净宽4.0m,中墩宽5.0m,左边墩宽6.7m,右边墩结合布置发电洞进水口,宽13.3m,塔架除流道为C 90 50抗冲磨混凝土,其余为C25混凝土。
由于1号泄洪洞运用水头较高,变幅较大,承担排沙、凑泄运用条件,工作门采用安全性高、止水效果好、启闭灵活的突跌突扩偏心铰弧型钢闸门,尺寸4.0m×7.0m (宽×高);事故检修门为平板钢闸门,尺寸4m×9m,为前止水型式。
(3)洞身段,桩号1泄0+024.96~1泄0+600.00,其中1泄0+024.96~1泄0+044.96段洞身为两孔,1泄0+044.96~1泄0+060.20段洞身逐渐由两孔渐变为单孔;1泄0+067.53~1泄0+097.53洞身断面由14.0m×14.5m (宽×高)断面过渡为9.0m×13.5m (宽×高)标准城门型断面,直至出口,洞身纵坡为2.338%,标准断面直墙高11.0m,拱高2.5m,洞身全断面衬砌厚度0.8~2.0m。
(4)出口段,泄洪洞出口采用挑流消能结构,为整体槽式结构,长度为43.00m,鼻坎顶高程为179.70m,边墙顶高程为189.50m,挑坎反弧半径为55.00m,挑角为20°,鼻坎净宽9.00m。鼻坎下游设置钢筋混凝土护板,顺水流向长度为10.00m,厚度为1.50m,护板顶高程为168.50m,护板上下游边设齿墙。
为高位洞,也为明流洞,由导流洞改建形成,最大泄量1956.77m 3 /s,最高运用水头75.43m。
(1)进口引渠段,渠底高程210.00m,开挖边坡1∶0.3,靠近塔架20m长范围内设C25混凝土板衬砌,板厚1.0m,其余为喷混凝土护坡。
(2)进水塔,为塔式框架结构,进口高程210.00m,塔顶高程291.00m,塔基尺寸43.0m×25.0m (长×宽),塔高84.6m,塔顶高程291.00m。塔基尺寸43.0m×25.0m(长×宽),高程225.00m以下为大体积混凝土结构,高程238.50m以上为“田”字形井筒结构,两者之间为渐变段。进水口为有压短进口布置形式,单孔布置,孔宽7.5m,边墩宽8.75m。进水塔设单孔7.5m×10m事故平板钢闸门和单孔7.5m×8.2m弧形工作门各一道。塔架除流道为抗冲磨混凝土,其余为C25混凝土。
(3)洞身段,桩号2泄0+015.00~2泄0+616.28m,洞身纵坡为1%,洞身断面为城门洞型9.00m×13.50m (宽×高),直墙高11.0m,拱高2.5m。洞身前段利用前期导流洞改造形成,桩号2泄0+015.00~2泄0+150.28之间,设一龙抬头形成。桩号2泄0+015.00~2泄0+070.00为龙抬头抛物线段,桩号2泄0+070.00~2泄0+094.49为龙抬头斜线段,坡度1∶2.5;桩号2泄0+94.49~2泄0+150.28为龙抬头反弧段,反弧半径为150.23m;2泄0+150.28(龙抬头)后接原导流洞。桩号2泄0+000.00~2泄0+070.00,洞身宽7.50m,洞高13.5m;桩号2泄0+070.00~2泄0+150.28洞高有13.5m渐变为12.5m。龙抬头末尾处以突跌突扩方式与原导流洞洞身结合,洞身两侧对称突扩各为0.75m,突跌高度为1.0m。洞身全断面衬砌厚度0.8~2.0m,混凝土除洞身下部及底板为抗冲磨混凝土外,其余为C25混凝土。
(4)出口段,出口采用挑流消能结构,为整体槽式结构,长度为39.00m,鼻坎顶高程为176.00m,边墙顶高程为189.40m,挑坎反弧半径为55.00m,挑角为28°。其中鼻坎高程169.30m以上反弧段在改建期建成,出口过流面采用抗冲磨混凝土,其余均为C25混凝土。
河口村水库两条泄洪洞泄流均为高速水流,1号洞最大流速为35m/s,2号泄洪洞最大流速为41.1m/s。1号泄洪洞需满足导流、排沙、泄洪多项运用要求,且运行期需局开运用,以满足水库排沙、凑泄。沁河虽然不是多泥沙河流,但由于泥沙多集中在汛期,多年平均含沙量4.84kg/m 3 ,实测最大含沙量(1973年7月7日)112.0kg/m 3 ,因此,两洞洞身在高速水流夹砂作用下对洞身衬砌的破坏作用也比较大,需考虑高速水流作用下的抗冲磨设计。
设计合理的体型曲线,使之具有较小的初生数,改善水流流态,使过流边界上不出现负压或出现较小的负压,这是防止气蚀的基本措施。结合水工模型试验,优化调整体型,使各部位压力分布均匀,并严格控制洞身表面平整度。掺气减蚀是解决高水头泄水建筑物过流表面空蚀的有效措施,根据泄洪洞各特征水位下水力计算结果及模型试验的流速分布,在1号泄洪洞弧形工作门后底部突跌和两边突扩部位,布置专门的通向水舌下部的掺气管,形成掺气通道;2号洞因流速较大,洞身分别在龙抬头末端及2号泄0+350处设置掺气槽,以达到良好的减蚀效果。
选择高抗冲磨材料是防止高速水流对混凝土冲磨的主要手段,国内外已建高速水流下抗冲磨材料较多,如硅粉或硅粉剂混凝土、纤维(钢纤维、塑钢纤维及合成纤维)混凝土、粉煤灰混凝土、铁钢砂混凝土、铸石混凝土、环氧树脂混凝土、HF混凝土、聚脲及FS型抗冲耐磨涂料等。从既能抗冲磨、又能防裂及较经济出发,并经专家论证最初选用HF混凝土和硅粉剂混凝土作论证比较。根据本工程2号泄洪洞是高位洞,泥沙相对较少,泥沙颗粒较细,经比较选用较为经济实用的HF混凝土,进口塔架流道及龙抬头段底板采用C 90 50HF混凝土,洞身侧墙下部及底板采用C 90 40HF混凝土。1号洞属于低位洞,砂石及颗粒都比较大,泄洪时泥沙以推移质为主,选用抗冲磨能力较强的硅粉剂混凝土,塔架流道部分、洞身侧墙下部及底板为C 90 50硅粉剂混凝土。
(1)导流洞布置。河口村水库施工导流采用河床一次断流,枯水期土石围堰挡水,汛期坝体挡水,左岸布置一条9m×13.5m导流洞泄流。导流洞全长740m,前段274.0m为导流专用,后期封堵;后段466.0m后期改建为永久泄洪洞部分。
导流洞布置分四个部分:进口明渠段、闸室段、洞身段和出口段。
进口明渠段长119.04m,开挖边坡1∶0.3~1∶1.0,底板高程177.20m;闸前20m引渠段采用钢筋混凝土护砌,底板厚1.5m,侧墙厚1.0m;明渠底板及侧墙均为C30混凝土结构。
闸室段进口采用喇叭形,进口尺寸14.0m×17.0m (宽×高),闸后孔口尺寸为9.0m×13.5m (宽×高),边墩和底板厚均为3.5m。封堵闸门采用后止水的平板闸门,门槽尺寸1.98m×1.0m (宽×高)。闸室安装了1扇(9m×13.5m-27m)/4平板钢闸门,其设计挡水水头27.0m,满足永久堵头施工时挡水的需要。
洞身段长740.0m,进口底板高程177.20m,出口底板高程169.80m,纵坡1%,洞身侧墙下部及底板采用C40HF混凝土,其余为C30混凝土。
导流洞出口采用整体槽式结构,长39m,纵坡0.01,平底泄流,后期改建为2号洞挑流鼻坎。为方便后期改建,底板下部按泄洪洞鼻坎体型设计,底板顶高程比出口断面洞底高程降低0.5m,出口过流断面采用抗冲磨C40高强硅粉混凝土,其余均为C25混凝土。
(2)导流洞封堵闸门设计。导流洞封堵闸门为平面滑动闸门,孔口尺寸为9.0m×13.5m,底坎高程为177.20m,设计挡水水头27.0m,导流洞下闸封堵时下门水头2m;提门水头9m。闸门止水布置在下游侧,闸门分5节制造,现场安装时焊成整体。导流洞闸门的运用条件为动水闭门,启闭设备选用临时起吊设备,闸门落下后不再提出,启闭容量2×800kN,扬程16m。
(3)导流洞堵头布置。导流洞运用结束后改建为2号泄洪洞,导流洞前274.0m需进行封堵,永久堵头长度为64m,堵头段位于2号进水塔架下方,桩号导0+080.00~导0+144.00洞段、桩号导0+144.00~导0+193.72.00洞段为封堵回填段,桩号导0+193.72.00~导0+274.00洞段为2号洞龙抬头下段。为保证堵头施工安全,在封堵闸门后设12m临时堵头段,桩号为导0+000.00~导0+012.00洞段。
导流洞封堵体体型为洞身全断面柱形重力式堵头,为加强堵头混凝土与原衬砌混凝土之间结合,增加堵头的稳定性,底板布置锚杆锚固。堵头为C25混凝土,临时堵头段及封堵回填段为C20混凝土,洞身封堵后进行接缝灌浆,确保堵头封堵密实。