卡基娃水電站導流洞設計及關鍵技術研究

涂小飛，魏麗琴，謝金元，馮 菊

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，成都610072)

卡基娃水電站位于四川省木里縣唐央鄉，系木里河干流(上通壩～阿布地)河段“一庫六級”開發方案中的第二級水電站。電站樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、放空洞、1#泄洪洞、2#泄洪洞和引水發電系統等建筑物組成;攔河大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高171 m，總庫容3.745億m3，電站裝機容量440 MW。本電站樞紐工程為二等大(2)型工程，攔河大壩提高一級，為1級建筑物。工程施工采用斷流圍堰、隧洞泄流、大壩基坑全年施工的導流方式。本文針對該導流洞設計中遇到的一些關鍵技術(如“三洞合一”設計、高外水水頭結構設計、抗沖耐磨設計，出口防沖消能設計等)進行簡要介紹，并對設計實施效果進行了分析。

1 導流洞設計

1.1 導流洞布置設計

1.1.1 導流洞平面布置

卡基娃水電站壩址區為“S”型微彎河段，導流洞布置于壩區左岸，采用單彎道設計，進口位于壩軸線上游約650 m處，出口位于壩軸線下游約300 m處;其中進、出口直線段長分別為223.3 m、550.8 m，中間圓弧段長217.1 m，圓弧轉角62.2°，轉彎半徑200 m。導流洞進口底板高程2 706.00 m，出口底板高程2 695.00 m，洞身長度991.092 m，隧洞底坡i= 0.0110989。導流洞進、出口分別設置引渠長度約20.0 m，進口閘室段長18.0 m。

導流洞在樁號(導)0+687.758處與放空洞采用龍抬頭形式結合，在樁號(導)0+807.53處與1#泄洪洞平面交岔結合。

1.1.2 導流洞斷面形式選擇

導流洞洞身段所在巖層主要為奧陶系下統人公組第三段(O1r3)，巖性以千枚化板巖、炭質板巖為主，夾層紋理發育的變質砂巖。隧洞埋深17～195 m，洞身巖體以Ⅲ、Ⅳ類圍巖為主，其中Ⅲ類圍巖段長約303 m，占30.4%，Ⅳ類圍巖段長約688 m，占69.6%。

卡基娃水電站導流洞主要承擔施工期導流任務，后半段雖與水工放空洞、1#泄洪洞結合，但結合后過流量與導流期間流量相比較小，因此，斷面設計主要為滿足導流期間過流要求(按20 a一遇洪水設計，導流流量973 m3/s)。考慮到導流洞洞身圍巖成洞條件較好且導流洞施工工期較緊，設計最終采用施工方便，且有利于降低截流難度的圓拱直墻型斷面，斷面尺寸為7.5m×9.0m(寬×高)，頂拱中心角102.5°。導流隧洞布置特性見表1。

表1 導流洞特性表

1.2 導流洞進口閘室及洞身結構設計

1.2.1 進口閘室設計

導流洞進口閘室采用岸塔式，閘室長度18 m，設一封堵閘門。閘門孔口尺寸7.5m×9.0m;進口底板高程2 706.0 m，閘頂高程2 746.0 m;閘室邊墻、底板厚度均為2.5 m，閘室基礎進行固結灌漿。閘室進水口采用頂面收縮(1/4橢圓曲線)斷面，曲線方程為:，進口斷面7.5×11.0m.;塔體采用C25W8鋼筋混凝土澆筑，為使塔體與周邊巖體連接成整體，閘室兩側2 718.0 m高程以下與開挖面間采用C10素混凝土回填。

1.2.2 洞身結構設計

根據導流洞沿程圍巖條件和運行工況，特別是封堵期高外水的作用，同時考慮與放空洞及1#泄洪洞結合段各運行工況及要求，導流洞全洞段洞身結構采用噴錨支護與鋼筋混凝土襯砌相結合的復合型支護型式。

導流洞進口漸變段采用1.0～1.2 m厚混凝土襯砌，樁號(導)0+687.758m段以前洞身段(非結合段)根據圍巖類別及運行工況要求分別采用0.6～0.8 m厚混凝土全斷面襯砌(Ⅳ類圍巖采用0.8 m厚混凝土全斷面襯砌，II、Ⅲ類類圍巖采用0.6 m厚混凝土全斷面襯砌)。洞室在開挖后，立即噴射5～15 cm厚的混凝土或掛網噴混凝土，頂拱與邊墻視塑性區的范圍布置錨桿，并在頂拱及邊墻局部設置排水孔。系統錨桿采用按1.5 m間、排距布設Φ25、L=3.0 m、4.5 m、6.0 m的錨桿。

導流洞與放空洞、1#泄洪洞結合段采取0.8 m厚混凝土全斷面襯砌，其中樁號(導)0+772.420m～(導)0+809.92m段為1#泄洪洞與導流洞結合漸變部位，洞身尺寸由17.37m× 9.0m漸變為8.54m×9.0m。由于該部位洞身跨度較大，根據此段圍巖類別及運行工況要求，此段采取1.2 m厚混凝土全斷面襯砌。

2 導流洞水力計算及水力模型試驗復核

2.1 泄流能力計算

導流洞明流時按寬頂堰出流公式計算;明滿流時按滿流公式計算。

明流時計算公式為:

滿流時，導流洞出口為自由出流，流量計算公式為:

式中:M為流量系數;△Z=(Z上－(Z下+h))，Z上為庫水位高程，Z下為導流洞出口高程(本工程具體導流洞出口高程為2 695.0 m)，h為0.85導流洞高(0.85×9.0m);本工程導流洞斷面面積為63.15 m2。

當遭遇導流設計標準洪水時，導流洞為有壓洞設計，由于導流洞出口原河床水位低于導流洞頂拱高程，導流洞出口為自由出流。在導流洞過常年洪水流量時，導流洞的縱坡大于該流量下的臨界底坡。

設計狀態下，導流洞最大泄流流量為973 m3/s，平均流速15.4 m/s。

導流洞泄流能力曲線見圖1。

圖1 導流洞泄流曲線圖

2.2 水力模型試驗復核

由于卡基娃水電站導流洞具有布置復雜(與放空洞、泄洪洞“三洞合一”)且泄流量較大、流速較高，出口水流對卡基娃滑坡影響較大，為進一步了解、論證導流洞在宣泄各級流量時的水流狀態(包括進出口及洞身水流條件、單洞泄流能力、高速水流對洞身襯砌結構的影響和導流洞出口河床的沖淤變化)及上游圍堰、下游圍堰及下游河床等部位的沖刷情況，特委托四川大學高速水力學國家重點實驗室進行了施工導流模型試驗研究。

模型試驗研究成果如下:

1)導流洞加設“三洞合一”體型后，過流能力滿足設計要求。在明流區導流洞的平均流量系數為0.365;在滿流區導流洞的平均流量系數為0.550。

2)在所有試驗工況中，除導流洞出口段以外，其它各部分(包括閘室段和門槽處)均無負壓產生，沿程壓強梯度亦無突變。在初期導流設計流量QP=5%=973.0 m3/s時，導流洞出口處底板壓強為6.5×9.8KPa，比洞頂低2.5 m。

3)在小于設計工況的各級流量下，實測水流最小空化數σ=0.38＞0.3(Q=973.0 m3/s)，位于導流洞出口處;在本試驗各級工況下，導流洞無發生空蝕破壞的可能性。

3 關鍵技術研究

3.1 導流洞與放空洞、1#泄洪洞“三洞合一”布置設計

由于壩址區域靠下游存在大型滑坡(如卡基娃滑坡和普爾滑坡等)及右岸深切沖溝(如則窩溝)，使得泄水建筑物出口布置極為困難，為確保施工期間不影響到下游卡基娃滑坡邊界，導流洞布置必須考慮出口與水工建筑物結合。

根據水工建筑物布置要求，右岸布置2#泄洪洞和引水發電系統，左岸布置放空洞和1#泄洪洞。經綜合比較，導流洞布置于左岸，放空洞后段采用龍抬頭方式與導流洞結合，1#泄洪洞通過豎井后采用平面交岔方式與導流洞結合。具體結合方式及布置見圖2。

圖2 導流洞與放空洞、1#泄洪洞“三洞合一”平面布置圖

采用導流洞與放空洞、1#泄洪洞“三洞合一”布置方案，雖然較好的解決了出口布置干擾問題，且節約了導流洞后半段及出口的工程量，但對導流洞洞內施工干擾較大，造成導流洞工期拖延;部分結合段施工難度較大，施工及運行風險增加;為減少后期改建的施工時間，在導流洞過流前需完成“龍抬頭”段以及“平岔口”段的施工，因此為保證導流洞過流期間水流平順，在“平岔口”處設有臨時側擋墻，后期改建時再拆除此擋墻。另外，由于導流洞下閘后結合段仍然要經放空洞過流，后期導流洞封堵施工需合理安排。

3.2 進口閘室穩定研究及高外水水頭下的洞身結構設計

由于導流洞進口段地質條件較差，進口閘室及漸變段布置區域有一崩滑座落體通過，且導流洞封堵期考慮封堵閘門擋水提前發電，閘室及洞身外水壓力水頭高達99.0 m(由于控制泄流要求，實際控制水位需達到105 m);因此對閘室穩定及洞身結構設計提出較高要求。為確保導流洞在封堵期的結構安全，為設計提供科學依據，委托四川大學應用巖土工程數值仿真分析軟件，對導流洞進口閘室及進口洞身段在高外水水頭下結構內力、變形情況進行全面系統的三維有限元數值仿真分析。

圖3 閘室及洞身三維有限元計算模型

圖4 開挖過后的三維計算模型

根據數值仿真分析結果，閘室抗滑、抗浮及抗傾覆在各工況下均滿足規范要求。閘室和導流洞洞身結構配筋以封堵期為最不利工況，實際配筋結果滿足計算要求。

閘室不同工況條件下的抗滑穩定、抗浮穩定及抗傾覆穩定性計算結果見表2～4。

表2 閘室抗滑穩定性計算結果

表3 閘室抗浮穩定性計算結果

表4 閘室抗傾覆穩定性計算結果

考慮到閘基及進口洞段地質條件較差，且下閘封堵后該段必須承受105 m高外水水頭。在實際設計中，對導流洞閘室基礎及進口洞身段0+50 m樁號前進行了固結灌漿。同時為減小外水水頭對襯砌影響，對樁號0+50 m以后至堵頭前的洞身段邊墻5 m以上及頂拱部位設置排水孔。樁號0+ 50 m以前段為防止外水“擊穿”，未設置排水孔，主要通過固結灌漿、增加配筋和底部加貼腳來承受外水壓力。

3.3 抗沖耐磨設計

由于前期施工大量的棄碴下河，在導流洞運行期間混凝土襯砌的磨損將非常嚴重，同時為避免高速水流對導流洞洞身襯砌造成空蝕空化破壞(導流洞結合段在放空洞運行期，三洞合一段斷面平均流速18～27 m/s)，在導流洞結構設計時考慮了抗沖耐磨措施。根據導流洞實際運行時段、運行工況、洞內流速分布并結合洞身施工方案，在導流洞與永久結合段的底板、邊墻采用C40HF混凝土，頂拱采用C 30混凝土;非結合段底板、邊墻(2.0 m以下)采用C 30混凝土，邊墻2.0 m以上及頂拱采用C 25混凝土。

導流洞洞內磨蝕破壞主要為石渣及推移質造成。工程實例證明，推移質的磨蝕破壞基本上都發生在邊墻2 m以下部位。現階段設計中，普遍采用導流洞底板及邊墻下部2 m采用高標號抗沖耐磨混凝土，其余部位采用低標號普通混凝土的設計原則是較為經濟合理的。

在實際設計中，單純通過提高標號來提高混凝土強度，常常會導致水化熱過高，造成混凝土裂縫，反而不利于混凝土抗沖耐磨。據實驗和相關資料顯示，由于骨料抗磨蝕性能較水泥結石要高很多，提高混凝土中水泥結石抗磨蝕性能的同時，應更多的考慮如何提高耐磨骨料在混凝土中的比例及分布。比如采用減水劑在不增加水泥用量的同時提高混凝土強度;一些無泵送要求的部位(如底板)可以通過提高混凝土級配，以便提高骨料粒徑及骨料所占比例;施工中也應嚴格控制抗磨蝕層混凝土的施工振搗，防止出現底板表層保護層大部分為水泥漿的現象，有條件也可以調整混凝土保護層厚度到15 cm以上。另外，從磨蝕破壞的部位統計可以發現，大部分磨蝕破壞發生在底板混凝土裂隙及施工分縫處，因此，底板部位的施工環向縫應嚴格采取縫面處理措施，對于底板部位結構縫(一般要求縫寬2 cm)更應采取表層封閉的結構方式。

3.4 出口消能設計

卡基娃滑坡位于壩軸線下游500 m左右木里河左岸，總方量約3 723萬m3，屬于基巖滑坡，在天然狀態下整體處于穩定，前緣局部活動。因此，如何盡可能減小導流洞出口水流對卡基娃滑坡坡腳的影響是導流洞設計中極為關鍵的問題。

在實際設計中，通過不斷調整出口水流與河道夾角，研究側墻對水流影響，以及出口設置消力坎高度，并不斷通過動床模型試驗驗證，最終確定導流洞出口布置方案，采取出口設置1.5 m消力坎的型式。實際施工中也對卡基娃滑坡體前沿局部采用鋼筋石籠臨時保護，進一步減小導流洞過流對滑坡體坡腳的淘刷。

4 結語

卡基娃水電站導流洞規模雖不算太大，但其特殊的地質條件、布置空間以及運行要求使得在該導流洞設計中遇到了較多的需研究問題，受篇幅所限，本文僅對設計中運用的一些關鍵技術進行了簡要分析。

目前，導流洞已經歷2011、2012年兩年汛期洪水的考驗，最大度汛流量653 m3/s，導流洞運行狀況良好，出口滑坡體未見明顯淘刷。

［1］戴光清，楊慶，李鵬，等.四川省木里河卡基娃水電站施工導流水力學模型試驗研究報告［R］.成都:中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，2008.

［2］劉善均，許唯臨，王韋，等.高壩豎井、龍抬頭放空洞與導流洞“三洞合一”優化布置研究［J］.四川大學學報，2003.