夾巖水利樞紐工程施工導(dǎo)流隧洞設(shè)計

文志穎 張晨

摘要： 夾巖水利樞紐工程采用一次攔斷河床、圍堰全年擋水、導(dǎo)流隧洞泄流的導(dǎo)流方案。針對導(dǎo)流隧洞運(yùn)行時間長、水位變幅大、成洞地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，將其布置在河流左岸。首次在貴州山區(qū)洪水陡漲陡落的山區(qū)性河流采用全年導(dǎo)流方案、有壓流設(shè)計工況。根據(jù)施工期、運(yùn)行期、封堵期分部分段計算襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計最不利工況，對臨時導(dǎo)流隧洞設(shè)計思路和施工提出了更高要求。導(dǎo)流隧洞3 a運(yùn)行情況表明，其設(shè)計合理，可供同類工程借鑒和參考。

關(guān)鍵詞： 導(dǎo)流隧洞;襯砌結(jié)構(gòu);全年導(dǎo)流;夾巖水利樞紐工程;貴州省

中圖法分類號：TV551.12文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.09.007

Abstract： During the construction of the Jiayan Hydro-complex Project， river was closed at one time， water was retained by cofferdam throughout the year， and river flow was released by diversion tunnel. Its diversion tunnel has the typical characteristics of long service life， large variations in water levels， complex geological conditions， thus it is arranged on the left river bank. Year-round diversion plan with pressure flow design were firstly adopted for mountainous rivers with flood fast rising and falling in Guizhou Province. Most unfavorable working condition in construction period， operation period and blockage period were considered to calculate lining structure according to different tunnel sections and positions， thus higher requirements were put forward for the design and construction of the diversion tunnel. The diversion tunnel has operated for three years， and its design proves to be reasonable and can provide reference for other similar projects.

Key words： diversion tunnel; tunnel lining structure; year-round diversion; Jiayan Hydro- complex Project; Guizhou Province

1 工程概況

貴州省夾巖水利樞紐工程（以下簡稱“夾巖工程”）位于長江流域?yàn)踅Я髁鶝_河七星關(guān)區(qū)與納雍縣界河段，主要建筑物由混凝土面板堆石壩、溢洪道、泄洪洞、放空洞、壩后發(fā)電系統(tǒng)和伏流泄洪洞等組成。工程的任務(wù)以供水和灌溉為主，兼顧發(fā)電，并為區(qū)域扶貧開發(fā)及改善生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件。夾巖工程屬Ⅰ等大（1）型工程，水源樞紐工程水庫校核洪水位1 326.01 m，正常蓄水位1 323.0 m，壩頂高程1 328.0 m，總庫容13.23億m3，電站總裝機(jī)容量90 MW。大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂防浪墻頂高程1 329.0 m，壩頂高程1 328.0 m，最大壩高154.0 m[1]。

2 導(dǎo)流隧洞平面布置

2.1 平面布置

夾巖工程壩址處兩岸山體雄厚，具備布置導(dǎo)流隧洞的條件。從地形上看，左右岸均分布有沖溝。左岸沖溝為潘家?guī)r腳大溝，與六沖河交匯處距離大壩河床部位開挖線以上約30 m;右岸沖溝為陳家大溝，與六沖河交匯處位于壩腳。無論導(dǎo)流洞布置在左岸或右岸均會不同程度受到?jīng)_溝影響。若布置于右岸，潘家?guī)r腳大溝的匯水流量較大，進(jìn)入大壩施工基坑需增加基坑的抽排水費(fèi)用或增設(shè)潘家?guī)r腳大溝匯水導(dǎo)流措施。目前場內(nèi)現(xiàn)有交通和導(dǎo)流洞均布置于河床左岸，有利于導(dǎo)流洞提前開工建設(shè)和減少至導(dǎo)流洞各工作部位的施工臨時道路。結(jié)合場內(nèi)交通和地質(zhì)地形條件，導(dǎo)流隧洞宜布置于河床左岸（見圖1）。

2.2 地質(zhì)條件

（1）地形地貌。工程區(qū)位于峽谷出口下游800 m處河段，河流流向S43°E，兩岸沖溝發(fā)育，左岸自上而下分布有潘家?guī)r腳沖溝、1號沖溝、2號沖溝、3號沖溝、胡家屋基沖溝和水文站沖溝;右岸分布有法拉沖溝、4號沖溝、5號沖溝、6號沖溝和陳家大溝。河谷為典型橫向V型谷，河床高程 1 208～1 212 m，寬 60～75 m。左岸山頂高程 1 527.6 m，右岸山頂高程 1 645.6 m，相對高差 320～440 m。左岸地形坡度38°，右岸為復(fù)式坡，1 500 m以下地形坡度35°～42°，1 500 m以上為陡壁，陡壁高60～80 m。猴場-田壩縣級柏油公路從左岸高程1 243～1 249 m通過，壩址巖層傾向上游，傾角20°～31°，屬橫向河谷[1]。

（2）地層巖性。工程區(qū)出露基巖地層為下三迭統(tǒng)下統(tǒng)飛仙關(guān)組及永定鎮(zhèn)組第一段底部。峽谷出口-潘家?guī)r腳沖溝之間兩岸斜坡分布崩塌堆積層;潘家?guī)r腳沖溝下游兩斜坡零星分布第四系殘坡積層;河床及漫灘分布有第四系沖洪積層。

（3）導(dǎo)流洞地質(zhì)條件。導(dǎo)流隧洞埋深10～127 m，圍巖分別為：①永寧鎮(zhèn)組第一段（T1yn1-1）中厚層灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r;②永寧鎮(zhèn)組第一段（T1yn）中厚層灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r及飛仙關(guān)組第二段第四層（T1f2-4）紫紅色薄至中厚層泥質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖互層;③飛仙關(guān)組第二段第四層（T1f2-4）紫紅色薄至中厚層泥質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖互層;④飛仙關(guān)組第二段第四層（T1f2-4）紫紅色薄至中厚層泥質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖互層，在0+624處發(fā)育f4斷層，斷層產(chǎn)狀為NE62° /SE∠65°，屬壓性斷層，延伸長3.5 km左右，斷距約4～8 m，破碎帶寬0.5～2.0 m，影響帶寬7 m左右;⑤飛仙關(guān)組第二段第三層第三亞層（T1f2-3-3）紫紅色薄至中厚層泥質(zhì)粉砂巖;紫紅色薄至中厚層泥質(zhì)粉砂巖，（T1f2-3-2）灰色中厚層細(xì)砂巖，（T1f2-3-1）紫紅色薄至中厚層泥質(zhì)粉砂巖夾中厚層灰色細(xì)砂巖，（T1f2-2）紫紅色薄至中厚層泥質(zhì)粉砂巖與薄至中厚層灰色細(xì)砂巖。

（4）物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)圍巖強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)及完整性特點(diǎn)，壩區(qū)隧洞各類圍巖主要物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1。

3 導(dǎo)流隧洞斷面設(shè)計

3.1 斷面型式選擇

導(dǎo)流隧洞斷面型式與其穿越的地質(zhì)條件、施工因素、運(yùn)行條件和工期密切相關(guān)。夾巖工程導(dǎo)流隧洞穿越的主要巖層為飛仙關(guān)組泥質(zhì)粉砂巖，同時考慮施工與導(dǎo)流要求，選擇采用城門洞型斷面。

3.2 斷面洞徑比選

結(jié)合樞紐建筑物布置和地形條件，為減小導(dǎo)流洞建筑物工程量，減少導(dǎo)流工程投資，對導(dǎo)流隧洞不同洞徑及對應(yīng)工程投資進(jìn)行了比選（見表2）。根據(jù)工程確定的全年施工導(dǎo)流方案，相應(yīng)洪峰流量為1 570 m3/s，對導(dǎo)流洞洞身斷面尺寸分別為6.0 m×8.0 m（方案1） 、6.5 m×8.5 m（方案2） 、7.0 m×9.0 m（方案3）、7.5 m×9.5 m（方案4） 和8.0 m×10.0 m（方案5）進(jìn)行綜合比選。

根據(jù)不同導(dǎo)流洞斷面尺寸及上游圍堰工程量、投資比較可以看出，由于導(dǎo)流洞洞線較長，導(dǎo)流洞投資占比較大。在一定范圍內(nèi)導(dǎo)流洞洞徑越小、圍堰越高，其導(dǎo)流建筑物的投資就越小。

當(dāng)導(dǎo)流洞洞身斷面尺寸為6.0 m×8.0 m時，對應(yīng)的圍堰最大高度為44.5 m，圍堰的填筑量為48.23萬m3，填筑規(guī)模較大。雖然該導(dǎo)流方案并非投資最優(yōu)方案，但綜合考慮圍堰的施工時段和大壩臨時度汛斷面高程風(fēng)險，建議導(dǎo)流洞洞徑采用斷面尺寸6.0 m×8.0 m，中心角120°。

3.3 導(dǎo)流隧洞組成

導(dǎo)流隧洞由進(jìn)口引渠段、洞身段、明洞段、閘井段、洞身段和出口明渠段組成，導(dǎo)流隧洞典型斷面見圖2。

（1）導(dǎo)流洞進(jìn)口底板高程1 217.0 m，進(jìn)口引渠為梯形斷面，底寬7.0 m，巖石開挖邊坡1：0.5，表層覆蓋層開挖邊坡1∶1.2，每10 m高設(shè)一層馬道。

（2）導(dǎo)流洞洞身長1 440.12 m，城門洞型，縱坡為0.45 %，為有壓流隧洞。

（3）導(dǎo)流洞出口明渠座落在巖基上，出口底板高程1 210.00 m，長38.92 m。

（4）進(jìn)口引渠為梯形斷面，底寬7.2 m，巖石開挖邊坡1∶0.5，表層覆蓋層開挖邊坡1∶1.2，每10 m高設(shè)一層馬道。

3.4 導(dǎo)流方案選定

貴州高原地區(qū)河流屬山區(qū)性雨源型河流，洪水均由暴雨形成。河道一般較陡，匯流集中，因而洪水具有洪峰陡峻、洪量集中、上漲歷時較短、洪水陡漲陡落等山區(qū)性河流特點(diǎn)。貴州已建大型水電站或樞紐工程，如洪家渡、引子渡、索風(fēng)營、烏江渡、構(gòu)皮灘、天生橋一級、天生橋二級、馬馬崖、董箐水電站及黔中水利樞紐等項(xiàng)目均采用枯水期導(dǎo)流方案。

若夾巖工程采用枯水期導(dǎo)流方案，導(dǎo)流隧洞進(jìn)口潘家?guī)r腳堆積體在施工期存在滑動可能，因此，采取壓坡+減載的處理方案。壓坡體沿堆積體下部河床布置，方量達(dá)30萬m3，束窄河床近2/3。該治理方案束窄河床后將導(dǎo)致導(dǎo)流洞進(jìn)口水力條件變差，上游圍堰迎水面需采取抗沖防護(hù)措施，度汛時一旦壓坡體失穩(wěn)可能導(dǎo)致大量堆積物堵塞導(dǎo)流洞，造成嚴(yán)重后果。同時壓坡體施工與導(dǎo)流洞等前期工程基本同步施工，施工干擾大。為此，結(jié)合堆積體治理、工程棄渣場布置及規(guī)模、占地等因素，提出全年導(dǎo)流方案。該方案采用長隧洞布置方式，隧洞穿過潘家?guī)r堆積體下部完整基巖，在導(dǎo)流洞進(jìn)口與大壩之間布置全年擋水高圍堰，圍堰同時也兼作棄渣場，可減小下游右岸陳家大溝棄渣場占地及水保防護(hù)規(guī)模。

鑒于夾巖工程布置的特殊性，為了減少導(dǎo)流隧洞規(guī)模，首次提出初期全年洪水的導(dǎo)流方案，同時采用有壓流的設(shè)計工況。

3.5 導(dǎo)流隧洞水力學(xué)計算

導(dǎo)流洞洞身段設(shè)計為有壓洞，城門洞型，長1 440.12 m，縱坡0.45%，底寬6.0 m，直墻高6.268 m，拱高為1.732 m，圓心角120°。根據(jù)導(dǎo)流洞的地質(zhì)條件，隧洞設(shè)計采用全斷面C20鋼筋混凝土襯砌。

經(jīng)水力學(xué)計算，導(dǎo)流洞流量系數(shù)為0.487，最大下泄流量為562.9 m3/s，堰前最高水位為1 251.13 m，設(shè)計工況下導(dǎo)流洞洞身最大流速為12 m/s。導(dǎo)流度汛特性見表3。

據(jù)南京水利科學(xué)研究院所做的模型試驗(yàn)表明：導(dǎo)流洞試驗(yàn)測得初期導(dǎo)流水位1 251.13 m，導(dǎo)流洞下泄流量為569.53 m3/s，較設(shè)計值（569.00 m3/s）略大。在庫水位1 235.20～1 264.17 m滿管流區(qū)間，[μ]=0.49～0.50。設(shè)計計算成果與水工模型試驗(yàn)成果基本一致。

3.6 分段襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)SL 279-2016《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》[3]進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，計算內(nèi)力組合分為施工期、運(yùn)行期和封堵期。

（1）施工期：自重+山巖壓力+灌漿壓力+外水壓力。

（2）運(yùn)行期：自重+內(nèi)水壓力+外水壓力+山巖壓力。

（3）封堵期：自重+外水壓力+山巖壓力。

（4）導(dǎo)流洞按臨時4級建筑物計算[4]。

隧洞由鋼筋混凝土襯砌，采用 “北京理正隧道襯砌計算軟件”進(jìn)行結(jié)構(gòu)及配筋計算，最大裂縫寬度允許值采用0.4 mm。

以閘井后1.0 m襯砌段為例：①施工期。外水水頭為6.35 m，洞內(nèi)無水。②運(yùn)行期。外水水頭為6.35 m，經(jīng)水力學(xué)計算洞內(nèi)水頭為20.29 m。③封堵期。經(jīng)調(diào)洪演算下閘封堵期外水水頭為53.04 m，洞內(nèi)無水。經(jīng)隧道襯砌計算軟件結(jié)構(gòu)及配筋計算，最不利工況為封堵期。結(jié)構(gòu)計算最不利工況及計算結(jié)果詳見表4～6。

4 封堵閘井及金屬結(jié)構(gòu)

閘井布置于導(dǎo)流洞中部，采用岸塔式;閘井設(shè)封堵鋼閘門一道，尺寸6.0 m×8.0 m;閘井底板高程1 214.0 m，閘井檢修平臺高程1 226.0 m，閘井頂高1 245.0 m，滿足導(dǎo)流度汛高程要求，閘井段長12.5 m。

封堵閘門底檻高程為1 214.00 m，啟閉機(jī)平臺高程為1 242.50 m，閘門檢修平臺高程為1 228.50 m，閘門的孔口尺寸為6 m×8 m（寬×高）。封堵時動水下閘的最大閉門水位不超過1 224.0 m，動水下閘的最大閉門水頭不超過10.0 m，下閘后最高擋水水位考慮為1 286.0 m，最高擋水水頭為72.0 m?？紤]下閘封堵啟門調(diào)整時的水位涌高，最大動水啟門水位考慮不超過1 234.0 m，最大動水啟門水頭不超過20.0 m。

導(dǎo)流洞封堵閘門型式為潛孔式平面滑動鋼閘門，門體主材選用Q345B低合金鋼，門體重72.109 t。因封堵閘門孔口尺寸較大，閘門門槽采用水力學(xué)條件較好的II型門槽，埋件主材選用Q345B碳素結(jié)構(gòu)鋼，埋件重（含鋼襯重量）26.150 t。

封堵閘門為低水頭下的工作閘門，閘門的運(yùn)行方式為低水頭下動水啟閉。考慮閘門在封堵時的調(diào)整，啟閉機(jī)選用1套規(guī)格型號為QPG2×1250kN-20 m的卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。雙吊點(diǎn)啟閉，啟門容量為2×1 250 kN，揚(yáng)程20 m，吊點(diǎn)距6.84 m。

5 結(jié) 論

目前夾巖工程導(dǎo)流隧洞已經(jīng)運(yùn)行3 a，在這期間經(jīng)受住了大流量洪水考驗(yàn)，通過對該工程導(dǎo)流隧洞設(shè)計研究分析，得出以下結(jié)論。

（1）在洪水陡漲陡落的山區(qū)性河流首次提出全年導(dǎo)流方案，采用有壓流水力計算，小斷面隧洞+高圍堰的導(dǎo)流組合方式減少了工程投資。

（2）針對復(fù)雜地質(zhì)條件，采用不同襯砌方式，分段計算并考慮了封堵期間的不利影響，既保證了工程安全又節(jié)省了投資。

（3）導(dǎo)流洞的布置考慮潘家?guī)r腳堆積體的影響，采用布置長1 490.17 m導(dǎo)流隧洞，避免了潘家?guī)r減載開挖。

（4）根據(jù)導(dǎo)流隧洞3 a的運(yùn)行情況分析，導(dǎo)流設(shè)計方案合理，可供同類工程借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 貴州夾巖水利樞紐工程公司. 貴州省夾巖水利樞紐及黔西北供水工程初步設(shè)計報告[R]. 貴陽：貴州夾巖水利樞紐工程公司， 2015.

[2] 李煒. 水力學(xué)計算手冊（第二版）[M]. 北京：中國水利水電出版社，2006.

[3] SL 279-2016 水工隧洞設(shè)計規(guī)范[S].

[4] SL 303-2017？水利水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范[S].

（編輯：李曉濛）