天花板水電站導(dǎo)流隧洞設(shè)計(jì)

陳 浩，顧 偉，盧軍民

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，北京 100024）

天花板水電站位于云南省昭通市境內(nèi)金沙江右岸一級(jí)支流牛欄江下游河段，是牛欄江中下游梯級(jí)規(guī)劃的第7級(jí)水電站。天花板水電站是以發(fā)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(tǒng)、地面廠房等組成。最大壩高107.0 m，總庫(kù)容0.787億m3，總裝機(jī)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(dǎo)流隧洞泄流、基坑全年施工的導(dǎo)流方式。本文簡(jiǎn)要分析導(dǎo)流隧洞的布置、斷面形式的選擇、進(jìn)出口明渠設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中的優(yōu)化調(diào)整。

1 導(dǎo)流洞斷面設(shè)計(jì)

1.1 導(dǎo)流洞平面布置

天花板水電站導(dǎo)流隧洞布置于壩址區(qū)左岸，進(jìn)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(jìn)、出口直線段長(zhǎng)分別為98.4、170.6 m，中間圓弧段長(zhǎng)335.4 m，圓弧轉(zhuǎn)角60°，轉(zhuǎn)彎半徑320 m。導(dǎo)流隧洞長(zhǎng)604.4 m，進(jìn)口底板高程989.0 m，出口底板高程987.2 m，縱坡0.3%。導(dǎo)流隧洞進(jìn)口設(shè)置長(zhǎng)約80 m的進(jìn)口引渠和進(jìn)水塔，出口設(shè)置長(zhǎng)約77 m的尾部明渠。

1.2 導(dǎo)流隧洞斷面形式選擇

天花板水電站導(dǎo)流隧洞埋深19.7～240 m，洞身經(jīng)過(guò)的巖層依次為東龍?zhí)督M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(lèi)圍巖，占整個(gè)隧洞長(zhǎng)度的80.2%，其余為IV類(lèi)，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(dǎo)流隧洞主要承擔(dān)施工期導(dǎo)流泄水任務(wù)，無(wú)永久運(yùn)行要求，運(yùn)行時(shí)間約3年，共經(jīng)歷三個(gè)汛期。為了降低后續(xù)施工強(qiáng)度，導(dǎo)流隧洞具備分流條件后需盡快截流。考慮到導(dǎo)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(guò)水面積 155.91 m2。

1.3 導(dǎo)流隧洞斷面支護(hù)設(shè)計(jì)

導(dǎo)流隧洞按4級(jí)臨時(shí)建筑物設(shè)計(jì)，根據(jù)不同洞段的地質(zhì)情況，采用不同的支護(hù)方式。進(jìn)出口及圍巖條件較差洞段，采用初期錨噴支護(hù)、后期全斷面鋼筋混凝土復(fù)合襯砌形式；II類(lèi)圍巖洞段底板澆筑找平混凝土，邊頂拱采用系統(tǒng)錨桿加噴聚丙烯纖維混凝土的支護(hù)形式；Ⅲ類(lèi)圍巖洞段底板和邊墻澆筑找平混凝土，頂拱采用系統(tǒng)錨桿掛和網(wǎng)噴混凝土的支護(hù)形式。導(dǎo)流隧洞洞身具體支護(hù)形式及參數(shù)見(jiàn)表1。

天花板導(dǎo)流隧洞按有壓流設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流速13.7 m/s。過(guò)流期實(shí)際最大泄流流量約880 m3/s，為無(wú)壓流，洞內(nèi)最大流速8.9 m/s。導(dǎo)流隧洞下閘后，進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流洞的邊墻、頂拱和底板均較完整，無(wú)大的沖刷破壞。

2 導(dǎo)流隧洞封堵堵頭設(shè)計(jì)

導(dǎo)流隧洞封堵堵頭屬永久性建筑物，建筑物級(jí)別同碾壓混凝土雙曲拱壩，為3級(jí)建筑物，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，設(shè)計(jì)擋水水頭85 m。堵頭采用楔型體結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)20 m，布置于大壩軸線下部，按導(dǎo)流隧洞樁號(hào)布置在0＋265.0～0＋285.0，該段圍巖類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，為粉晶白云巖。施工過(guò)程中，導(dǎo)流隧洞封堵閘門(mén)下閘擋水，庫(kù)水位升至1 023.0 m高程后，發(fā)現(xiàn)堵頭前隧洞滲漏水量較大，約0.3～0.5 m3/s。經(jīng)分析，主要原因是導(dǎo)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(pán)，巖體網(wǎng)狀裂隙發(fā)育；該洞段原設(shè)計(jì)的增加混凝土襯砌及固結(jié)灌漿因種種原因未按設(shè)計(jì)要求施工，僅在導(dǎo)流隧洞分流后從洞頂山坡往下進(jìn)行了部分灌漿，導(dǎo)流隧洞未形成封閉整體，庫(kù)水位上升后裂隙滲水匯集，滲水從導(dǎo)流洞樁號(hào)0+040處拱端逸出，0+040前導(dǎo)流隧洞全斷面襯砌，溢出點(diǎn)為全襯段末端。為防止?jié)B水量繼續(xù)增大，水庫(kù)不再繼續(xù)蓄水，由泄洪中孔調(diào)控庫(kù)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(shí)較長(zhǎng)，為了盡快實(shí)現(xiàn)發(fā)電，同時(shí)為永久堵頭施工創(chuàng)造更好的施工條件，在永久堵頭前設(shè)置了長(zhǎng)12 m的臨時(shí)堵頭。待臨時(shí)堵頭施工完成并具備擋水條件后，由中孔調(diào)控使庫(kù)水位升至1 050 m高程，實(shí)現(xiàn)低水頭發(fā)電。同時(shí)在臨時(shí)堵頭保護(hù)下進(jìn)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(jìn)口明渠及進(jìn)水塔

3.1 進(jìn)口明渠設(shè)計(jì)

導(dǎo)流隧洞進(jìn)口明渠長(zhǎng)79.2 m，進(jìn)水塔進(jìn)口處明渠底寬18.0 m，底板兩側(cè)均以5°向前擴(kuò)散，至明渠進(jìn)口處底寬約32 m；明渠兩側(cè)基巖開(kāi)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(qiáng)風(fēng)化粉晶白云巖，屬于IV類(lèi)圍巖，為盡量減小對(duì)原邊坡的擾動(dòng)，降低邊坡開(kāi)挖高度，減小開(kāi)挖及支護(hù)工程量，洞臉處采用11.8 m高的直立邊坡后，進(jìn)口邊坡最大坡高約75 m。為確保進(jìn)口段及洞臉?lè)€(wěn)定，洞臉采用兩排φ25@2 m×2 m、長(zhǎng)4.5 m的鎖口錨桿，并布置兩排水平1 000 kN的預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固。

施工過(guò)程中受雨季降雨影響，隧洞進(jìn)口洞臉邊坡開(kāi)挖后出現(xiàn)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(qiáng)施工期安全監(jiān)測(cè)，同時(shí)增加7根1 000 kN的錨索對(duì)進(jìn)口洞臉邊坡進(jìn)行加固。

3.2 進(jìn)水塔設(shè)計(jì)

導(dǎo)流隧洞洞身高程較低，按有壓隧洞設(shè)計(jì)。為了后期導(dǎo)流隧洞封堵需要，導(dǎo)流隧洞進(jìn)口設(shè)置進(jìn)水塔。進(jìn)水塔按4級(jí)臨時(shí)建筑物設(shè)計(jì)，進(jìn)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(shí)間、進(jìn)水塔閘門(mén)安裝條件、場(chǎng)內(nèi)施工道路高程、啟閉機(jī)拆除等要求，確定其高程為1 028.0 m，孔口閘門(mén)尺寸為12 m×14 m （寬×高）的矩形，進(jìn)口喇叭口采取三面收縮形式，頂部曲線方程為=1，兩側(cè)曲線方程為=1。

4 導(dǎo)流洞出口及出口明渠

4.1 導(dǎo)流洞出口設(shè)計(jì)

導(dǎo)流隧洞出口處地形陡峻，坡度約60°。為減小開(kāi)挖，導(dǎo)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(zhǎng)5 m錨桿，掛網(wǎng)φ10@25 cm×25 cm噴混凝土20 cm進(jìn)行支護(hù)，并施打27根1 000 kN、長(zhǎng)25 m的錨索進(jìn)行加固。

表1 導(dǎo)流隧洞支護(hù)參數(shù)

出口上半洞開(kāi)挖完成后，發(fā)現(xiàn)出口處邊坡圍巖較完整，為III類(lèi)圍巖，為減小對(duì)出口原邊坡的擾動(dòng)，將出口洞臉邊坡明挖取消，沿裂隙延伸方向，在裂隙兩側(cè)距裂隙1 m處各增設(shè)一排φ25@1.5 m×1.5 m、長(zhǎng)6 m的錨桿，并在坡面采用掛網(wǎng)φ8@15 cm×15 cm噴混凝土15 cm進(jìn)行支護(hù)，確保導(dǎo)流洞出口施工及運(yùn)行安全。

4.2 導(dǎo)流洞出口明渠設(shè)計(jì)

導(dǎo)流隧洞出口明渠長(zhǎng)約78.0 m，導(dǎo)流洞出口處明渠底寬12.0 m，底板兩側(cè)均以10°向下游擴(kuò)散，明渠出口處底寬約40.4 m，出口明渠兩側(cè)基本為第四系沖積砂礫石，邊坡開(kāi)挖坡比采用1∶1.5。

原設(shè)計(jì)導(dǎo)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(dǎo)流隧洞出口設(shè)置20.6 m長(zhǎng)的明洞段。施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)出口明洞段和明渠基礎(chǔ)為深厚的砂卵礫石覆蓋層，地質(zhì)鉆孔探明覆蓋層深約9～11 m，且?jiàn)A有大孤石，在導(dǎo)流隧洞出口圍堰保護(hù)下的狹小基坑內(nèi)，明洞段基礎(chǔ)處理困難。綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)、工期要求及安全等因素，進(jìn)行方案比較，取消導(dǎo)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(zhǎng)約240 m交通洞繞過(guò)導(dǎo)流隧洞出口的方案，同時(shí)在導(dǎo)流洞出口架設(shè)16 m長(zhǎng)的臨時(shí)貝雷橋承擔(dān)交通洞施工期間的交通任務(wù)。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）天花板水電站導(dǎo)流隧洞根據(jù)不同洞段的地質(zhì)情況、運(yùn)行條件，采用不同的支護(hù)方式，既保證了安全，又節(jié)省了投資，簡(jiǎn)化了施工程序，加快了施工進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)年年初開(kāi)工、當(dāng)年年底導(dǎo)流隧洞過(guò)水的節(jié)點(diǎn)目標(biāo)。

（2）天花板水電站導(dǎo)流隧洞工程施工過(guò)程中，導(dǎo)流隧洞的支護(hù)方式、支護(hù)范圍、結(jié)構(gòu)形式等都與實(shí)際的地質(zhì)情況相結(jié)合，及時(shí)做出調(diào)整和優(yōu)化，使設(shè)計(jì)更趨合理，保證了工程施工的順利進(jìn)行。

（3）天花板水電站兩臺(tái)機(jī)組均已正式并網(wǎng)發(fā)電，導(dǎo)流隧洞經(jīng)過(guò)3個(gè)汛期洪水的考驗(yàn)，無(wú)大的損壞，說(shuō)明導(dǎo)流隧洞的設(shè)計(jì)是合理的。