天花板水電站導流隧洞設計

陳 浩，顧 偉，盧軍民

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

天花板水電站位于云南省昭通市境內金沙江右岸一級支流牛欄江下游河段，是牛欄江中下游梯級規劃的第7級水電站。天花板水電站是以發電為主的混合式電站，主要由碾壓混凝土雙曲拱壩、引水系統、地面廠房等組成。最大壩高107.0 m，總庫容0.787億m3，總裝機容量180 MW，為三等中型工程。天花板水電站首部樞紐施工采用斷流圍堰一次攔斷河流、導流隧洞泄流、基坑全年施工的導流方式。本文簡要分析導流隧洞的布置、斷面形式的選擇、進出口明渠設計及施工過程中的優化調整。

1 導流洞斷面設計

1.1 導流洞平面布置

天花板水電站導流隧洞布置于壩址區左岸，進口位于壩軸線上游280 m處，出口位于壩軸線下游380 m處；洞線在平面上呈曲線布置，其中進、出口直線段長分別為98.4、170.6 m，中間圓弧段長335.4 m，圓弧轉角60°，轉彎半徑320 m。導流隧洞長604.4 m，進口底板高程989.0 m，出口底板高程987.2 m，縱坡0.3%。導流隧洞進口設置長約80 m的進口引渠和進水塔，出口設置長約77 m的尾部明渠。

1.2 導流隧洞斷面形式選擇

天花板水電站導流隧洞埋深19.7～240 m，洞身經過的巖層依次為東龍潭組上段 （Z2dl3）灰色、灰白色粉晶白云巖，中段 （Z2dl2）灰、灰黑色富藻粉晶白云巖。洞身巖體大部分為Ⅱ、Ⅲ類圍巖，占整個隧洞長度的80.2%，其余為IV類，成洞條件較好。地下水主要為巖溶裂隙水和基巖裂隙水，埋藏較深。

天花板水電站導流隧洞主要承擔施工期導流泄水任務，無永久運行要求，運行時間約3年，共經歷三個汛期。為了降低后續施工強度，導流隧洞具備分流條件后需盡快截流。考慮到導流隧洞洞身圍巖成洞條件較好且工期較緊，采用施工方便，且有利于減小截流落差的圓拱直墻型斷面，斷面尺寸為12 m×14 m （寬×高）， 頂拱中心角120°， 隧洞過水面積 155.91 m2。

1.3 導流隧洞斷面支護設計

導流隧洞按4級臨時建筑物設計，根據不同洞段的地質情況，采用不同的支護方式。進出口及圍巖條件較差洞段，采用初期錨噴支護、后期全斷面鋼筋混凝土復合襯砌形式；II類圍巖洞段底板澆筑找平混凝土，邊頂拱采用系統錨桿加噴聚丙烯纖維混凝土的支護形式；Ⅲ類圍巖洞段底板和邊墻澆筑找平混凝土，頂拱采用系統錨桿掛和網噴混凝土的支護形式。導流隧洞洞身具體支護形式及參數見表1。

天花板導流隧洞按有壓流設計，設計流速13.7 m/s。過流期實際最大泄流流量約880 m3/s，為無壓流，洞內最大流速8.9 m/s。導流隧洞下閘后，進行檢查后發現導流洞的邊墻、頂拱和底板均較完整，無大的沖刷破壞。

2 導流隧洞封堵堵頭設計

導流隧洞封堵堵頭屬永久性建筑物，建筑物級別同碾壓混凝土雙曲拱壩，為3級建筑物，設計標準為50年一遇，設計擋水水頭85 m。堵頭采用楔型體結構，長20 m，布置于大壩軸線下部，按導流隧洞樁號布置在0＋265.0～0＋285.0，該段圍巖類別為Ⅱ類，為粉晶白云巖。施工過程中，導流隧洞封堵閘門下閘擋水，庫水位升至1 023.0 m高程后，發現堵頭前隧洞滲漏水量較大，約0.3～0.5 m3/s。經分析，主要原因是導流隧洞漸變段靠后洞段上覆巖體較薄，不足20 m，而該部分為FD1斷層上盤，巖體網狀裂隙發育；該洞段原設計的增加混凝土襯砌及固結灌漿因種種原因未按設計要求施工，僅在導流隧洞分流后從洞頂山坡往下進行了部分灌漿，導流隧洞未形成封閉整體，庫水位上升后裂隙滲水匯集，滲水從導流洞樁號0+040處拱端逸出，0+040前導流隧洞全斷面襯砌，溢出點為全襯段末端。為防止滲水量繼續增大，水庫不再繼續蓄水，由泄洪中孔調控庫水位在1 021～1 023 m高程。由于永久堵頭施工并具備擋水條件歷時較長，為了盡快實現發電，同時為永久堵頭施工創造更好的施工條件，在永久堵頭前設置了長12 m的臨時堵頭。待臨時堵頭施工完成并具備擋水條件后，由中孔調控使庫水位升至1 050 m高程，實現低水頭發電。同時在臨時堵頭保護下進行永久堵頭施工，待永久堵頭具備擋水條件后再蓄水至正常蓄水位1 071 m高程。

3 進口明渠及進水塔

3.1 進口明渠設計

導流隧洞進口明渠長79.2 m，進水塔進口處明渠底寬18.0 m，底板兩側均以5°向前擴散，至明渠進口處底寬約32 m；明渠兩側基巖開挖邊坡坡比采用1∶0.3，覆蓋層邊坡坡比采用1∶0.5。洞臉處為全、強風化粉晶白云巖，屬于IV類圍巖，為盡量減小對原邊坡的擾動，降低邊坡開挖高度，減小開挖及支護工程量，洞臉處采用11.8 m高的直立邊坡后，進口邊坡最大坡高約75 m。為確保進口段及洞臉穩定，洞臉采用兩排φ25@2 m×2 m、長4.5 m的鎖口錨桿，并布置兩排水平1 000 kN的預應力錨索進行加固。

施工過程中受雨季降雨影響，隧洞進口洞臉邊坡開挖后出現多條卸荷變形裂縫。為確保安全，在后邊坡表面裂縫填塞水泥漿封閉，加強施工期安全監測，同時增加7根1 000 kN的錨索對進口洞臉邊坡進行加固。

3.2 進水塔設計

導流隧洞洞身高程較低，按有壓隧洞設計。為了后期導流隧洞封堵需要，導流隧洞進口設置進水塔。進水塔按4級臨時建筑物設計，進水塔外框平面尺寸為20 m×15.55 m。塔頂高程考慮下閘封堵時間、進水塔閘門安裝條件、場內施工道路高程、啟閉機拆除等要求，確定其高程為1 028.0 m，孔口閘門尺寸為12 m×14 m （寬×高）的矩形，進口喇叭口采取三面收縮形式，頂部曲線方程為=1，兩側曲線方程為=1。

4 導流洞出口及出口明渠

4.1 導流洞出口設計

導流隧洞出口處地形陡峻，坡度約60°。為減小開挖，導流隧洞出口采用斜交出洞，出口邊坡按斷層走向挖成直坡，最大坡高約45 m。洞臉坡面采用φ25@2 m×2 m、長5 m錨桿，掛網φ10@25 cm×25 cm噴混凝土20 cm進行支護，并施打27根1 000 kN、長25 m的錨索進行加固。

表1 導流隧洞支護參數

出口上半洞開挖完成后，發現出口處邊坡圍巖較完整，為III類圍巖，為減小對出口原邊坡的擾動，將出口洞臉邊坡明挖取消，沿裂隙延伸方向，在裂隙兩側距裂隙1 m處各增設一排φ25@1.5 m×1.5 m、長6 m的錨桿，并在坡面采用掛網φ8@15 cm×15 cm噴混凝土15 cm進行支護，確保導流洞出口施工及運行安全。

4.2 導流洞出口明渠設計

導流隧洞出口明渠長約78.0 m，導流洞出口處明渠底寬12.0 m，底板兩側均以10°向下游擴散，明渠出口處底寬約40.4 m，出口明渠兩側基本為第四系沖積砂礫石，邊坡開挖坡比采用1∶1.5。

原設計導流隧洞出口施工道路作為下基坑道路，為布置出口施工道路，導流隧洞出口設置20.6 m長的明洞段。施工過程中發現出口明洞段和明渠基礎為深厚的砂卵礫石覆蓋層，地質鉆孔探明覆蓋層深約9～11 m，且夾有大孤石，在導流隧洞出口圍堰保護下的狹小基坑內，明洞段基礎處理困難。綜合技術經濟、工期要求及安全等因素，進行方案比較，取消導流隧洞出口明洞段和明渠混凝土，下基坑的交通采用斷面尺寸為8 m×6.5 m （寬×高）、長約240 m交通洞繞過導流隧洞出口的方案，同時在導流洞出口架設16 m長的臨時貝雷橋承擔交通洞施工期間的交通任務。

5 結語

（1）天花板水電站導流隧洞根據不同洞段的地質情況、運行條件，采用不同的支護方式，既保證了安全，又節省了投資，簡化了施工程序，加快了施工進度，實現了當年年初開工、當年年底導流隧洞過水的節點目標。

（2）天花板水電站導流隧洞工程施工過程中，導流隧洞的支護方式、支護范圍、結構形式等都與實際的地質情況相結合，及時做出調整和優化，使設計更趨合理，保證了工程施工的順利進行。

（3）天花板水電站兩臺機組均已正式并網發電，導流隧洞經過3個汛期洪水的考驗，無大的損壞，說明導流隧洞的設計是合理的。