老撾南湃水電站導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)優(yōu)化方案探究

胡 清 焱， 魏 興 存， 杜 睿 卿， 李 團(tuán) 威

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概述

南湃水電站位于老撾萬象省北部Phoun區(qū)，壩址位于南俄河支流南湃河(Nam Phay)B.Muangphoun村下游，為長(zhǎng)引水式電站，主要任務(wù)為發(fā)電，水庫正常蓄水位高程1 140 m，總庫容2.059億m3，電站額定水頭700 m，設(shè)計(jì)引用流量14.03 m3/s，總裝機(jī)容量為86 MW，工程規(guī)模為二等大(2)型工程。擋水建筑物級(jí)別為2級(jí)，臨時(shí)建筑物為4級(jí)。壩區(qū)樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、溢洪洞、導(dǎo)流洞等組成。

導(dǎo)流隧洞布置在壩址右岸，進(jìn)口底板高程為1 065 m，檢修平臺(tái)高程為1 078 m，出口底板高程為1 055 m，洞身軸線長(zhǎng)度為480 m。導(dǎo)流洞斷面型式為圓拱直墻(城門洞型)，按有壓隧洞設(shè)計(jì)，過水?dāng)嗝娉叽鐬?.5 m×7 m(寬×高)，側(cè)墻高5.5 m，頂拱高1.5 m，隧洞底坡i=2.145%。進(jìn)口引渠長(zhǎng)31 m，呈三面收縮喇叭型，進(jìn)水閘室段長(zhǎng)11.5 m，寬12 m，設(shè)平板滑道鋼閘門一道，閘室后設(shè)漸變段，長(zhǎng)15 m，由方型洞漸變?yōu)槌情T洞型。隧洞出口明渠長(zhǎng)約23.1 m。

2 導(dǎo)流洞地形與地質(zhì)條件

南湃水電站工程壩址區(qū)呈對(duì)稱的“V”型河谷，兩岸壩肩地形對(duì)稱，左岸自然邊坡坡度為45°～53°，右岸自然邊坡坡度為43°～48°，河床較窄，枯水期壩軸線處水面寬約9.2～9.5 m，河床覆蓋層厚度不大，一般為2.5～4.5 m，局部為6 m，壩址兩岸山坡陡峻，巖石出露。

3 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)劃

南湃水電站工程導(dǎo)流建筑物級(jí)別為4 級(jí)，施工導(dǎo)流分為三個(gè)階段，即初期導(dǎo)流、中期導(dǎo)流和后期導(dǎo)流。根據(jù)綜合地質(zhì)條件、樞紐布置特點(diǎn)等因素，采用全斷面圍堰隧洞導(dǎo)流方式，即圍堰一次攔斷河床、隧洞導(dǎo)流的施工導(dǎo)流方式。施工導(dǎo)流規(guī)劃情況見表1。

表1 施工導(dǎo)流規(guī)劃表

4 招標(biāo)及合同文件中的原設(shè)計(jì)方案

在該方案中，導(dǎo)流洞進(jìn)口布置在壩址上游右岸側(cè)岸坡，進(jìn)水口呈三面收縮喇叭型，引渠長(zhǎng)19.5 m，進(jìn)口底板設(shè)計(jì)高程為1 060.5 m；進(jìn)水塔為垂直岸塔式，設(shè)封堵平板鋼閘門一道，啟閉機(jī)一套，啟閉機(jī)安裝在高程1 091 m處；進(jìn)水塔閘室段長(zhǎng)15.5 m，寬11.5 m，塔高32.5 m，底板高程1 060.5 m，塔后設(shè)漸變段，長(zhǎng)15 m，由方型洞漸變?yōu)槌情T洞型；洞身軸線長(zhǎng)度為437.71 m，按有壓隧洞設(shè)計(jì)，斷面型式為城門洞型，過水?dāng)嗝娉叽鐬?.5 m×7 m(寬×高)，側(cè)墻高度為5.5 m，頂拱高度為1.5 m，隧洞底坡i=1.68%。導(dǎo)流洞出口段長(zhǎng)11.44 m，出口底板設(shè)計(jì)高程為1 053 m。

5 優(yōu)化方案

從該工程開始施工階段，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，綜合考慮圍堰規(guī)模、擋水庫容、圍堰施工工期、施工期度汛、工程成本等因素，主要對(duì)導(dǎo)流隧洞進(jìn)行了以下設(shè)計(jì)優(yōu)化：①導(dǎo)流洞進(jìn)出口、隧洞軸線以及隧洞襯砌體型等的調(diào)整；②取消了閘室高程1 078 m以上的進(jìn)水塔體型及固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)；③取消了導(dǎo)流洞封堵閘門門槽側(cè)、底板鋼襯，調(diào)整了相關(guān)結(jié)構(gòu)體型、鋼筋、止水帶及通氣孔鋼管等。

5.1 導(dǎo)流洞進(jìn)出口、隧洞軸線以及隧洞襯砌體型等的調(diào)整

招標(biāo)文件中，導(dǎo)流洞進(jìn)口段及洞臉邊坡巖體處于強(qiáng)風(fēng)化或強(qiáng)弱風(fēng)化過渡帶中，隧洞進(jìn)口洞段的上覆圍巖體厚度為6.5～13 m，進(jìn)口段巖體總體性狀較差，斷裂結(jié)構(gòu)面的相互切割組合對(duì)邊坡、洞室穩(wěn)定性有不利影響，成洞條件相對(duì)較差。此外，導(dǎo)0+042～導(dǎo)0+429洞段裂隙發(fā)育，且多為裂隙組形式，一般寬度為0.5～3 cm，組成物主要為碎裂巖塊、巖屑、巖粉等，延伸較長(zhǎng)，走向與隧洞軸線夾角較小，且兩組結(jié)構(gòu)面為中陡傾角，易在隧洞邊墻和拱頂形成不利結(jié)構(gòu)面，對(duì)洞室穩(wěn)定性有不利影響。

該工程施工開始后，技術(shù)人員對(duì)壩址區(qū)地形成果進(jìn)行了復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)結(jié)果表明：南湃河水面高程比原設(shè)計(jì)采用的地形圖高程高約3 m，同時(shí)，導(dǎo)流隧洞原設(shè)計(jì)進(jìn)洞點(diǎn)河谷狹窄，施工布置不暢，據(jù)此，項(xiàng)目部根據(jù)地形復(fù)測(cè)成果對(duì)導(dǎo)流隧洞進(jìn)出口布置、高程以及導(dǎo)流洞軸線進(jìn)行了調(diào)整。

5.1.1 調(diào)整后的方案與原設(shè)計(jì)方案的差別

(1)導(dǎo)流隧洞進(jìn)口向上游側(cè)偏移約54 m。該處導(dǎo)流洞進(jìn)口洞段上部覆蓋層厚度增加，圍巖巖性亦相對(duì)改善，出口減少了對(duì)自然穩(wěn)定邊坡的擾動(dòng)，導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡的錨桿長(zhǎng)度由原設(shè)計(jì)6 m調(diào)整為5 m，出口邊坡錨桿長(zhǎng)度由原設(shè)計(jì)的6 m調(diào)整為4.5 m。同時(shí)，引渠長(zhǎng)度縮短為10 m，從而大大減少了進(jìn)口邊坡土石方明挖。調(diào)整后的導(dǎo)流洞進(jìn)口與河道主流的交角更為合理，進(jìn)口與水流的銜接更為平順，導(dǎo)流隧洞進(jìn)口與上游圍堰之間的安全距離亦有所增加。

(2)將隧洞軸線向山體內(nèi)側(cè)進(jìn)行偏移，同時(shí)，導(dǎo)流隧洞出口向下游側(cè)偏移約5 m，調(diào)整后的導(dǎo)流隧洞洞線長(zhǎng)度為480 m，延長(zhǎng)了30 m，但是減少了一處曲線洞段，圍巖巖性大大改善，降低了施工難度，洞內(nèi)襯砌長(zhǎng)度和襯砌工程量相應(yīng)減少，由原設(shè)計(jì)方案的導(dǎo)流隧洞全洞段全斷面鋼筋混凝土襯砌調(diào)整為分段襯砌和噴混凝土支護(hù)，襯砌厚度也由原設(shè)計(jì)方案的60～120 cm減少至40～100 cm。導(dǎo)流洞進(jìn)出口位置及隧洞軸線調(diào)整前后對(duì)比情況見圖1。

(3)導(dǎo)流隧洞進(jìn)口的底板高程由原設(shè)計(jì)的1 060.5 m 調(diào)整為1 065 m，導(dǎo)流隧洞出口的底板高程由原設(shè)計(jì)的1 053 m 調(diào)整為1 055 m，縱坡坡率為2.145%。

圖1 導(dǎo)流洞進(jìn)出口位置及隧洞軸線等調(diào)整前后對(duì)比圖

5.1.2 調(diào)整后的導(dǎo)流隧洞泄流能力驗(yàn)算

導(dǎo)流隧洞軸線和洞身支護(hù)型式調(diào)整后，所引起的隧洞長(zhǎng)度、過流斷面面積、糙率等參數(shù)的變化導(dǎo)致導(dǎo)流隧洞過流能力發(fā)生了較大變化。調(diào)整前和調(diào)整后的導(dǎo)流隧洞泄流能力曲線見圖2。

圖2 調(diào)整前、后導(dǎo)流隧洞泄流能力曲線圖

鑒于導(dǎo)流隧洞的泄流能力較原設(shè)計(jì)方案有所降低，由此相應(yīng)帶來對(duì)圍堰及壩體度汛臨時(shí)斷面高程要求的調(diào)整。

(1)2014 年10 月～翌年5 月20 a一遇洪水時(shí)，施工導(dǎo)流流量Qp5月=57.1 m3/s；導(dǎo)流隧洞過流時(shí)，大壩上游圍堰堰前水位高程為1 068.62 m，考慮安全超高1 m，上游圍堰頂高程應(yīng)不低于1 069.62 m，比原設(shè)計(jì)方案上游圍堰高程1 065.5 m 提高了4.12 m，因此，在原設(shè)計(jì)圍堰高程范圍內(nèi)，未增加上游圍堰填筑工程量。

(2)2015 年度汛標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇洪水，洪水流量Q2=610 m3/s，壩前上游水位高程為1 098.6 m，比招標(biāo)文件要求的同期水位高程1 090.8 m 高出7.8 m，因此，壩體臨時(shí)斷面在2015 年汛前(5 月底前)應(yīng)全線高于高程1 101 m，進(jìn)而增加了壩體填筑施工強(qiáng)度。

5.2 取消了閘室高程1 078 m以上的進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)及固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)

固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)主要用于下閘蓄水時(shí)關(guān)閉導(dǎo)流洞進(jìn)口封堵閘門，設(shè)計(jì)額定啟閉力為2 500 kN，安裝在導(dǎo)流洞閘門上部高程1 091 m平臺(tái)，處于水庫淹沒區(qū)且位于庫區(qū)死水位高程1 120 m以下，下閘后不具備拆除條件。通過充分研究核算，取消了排架固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)下閘方式，改為卷揚(yáng)機(jī)門架下閘，由此啟閉機(jī)及其拉桿等附件、導(dǎo)流隧洞進(jìn)水塔1 078 m以上的結(jié)構(gòu)被取消，卷揚(yáng)機(jī)門架平臺(tái)高程確定為1 078 m，節(jié)約了啟閉機(jī)設(shè)備采購、運(yùn)輸、安裝費(fèi)用，優(yōu)化導(dǎo)流洞進(jìn)水塔高度13 m，大大節(jié)約了工程成本。

為保證閘門順利啟閉，項(xiàng)目部設(shè)計(jì)制作了簡(jiǎn)易鋼門架，并對(duì)其受力工況進(jìn)行了驗(yàn)算，制定了詳細(xì)的閘門起吊方案，保證了閘門吊裝安全。由于下閘撤退時(shí)間較短，通過制定周密的撤退方案，完成了閘門下放并及時(shí)撤出了人員和設(shè)備，保證了方案的實(shí)施。

5.3 取消了導(dǎo)流洞封堵閘門門槽側(cè)及底板鋼襯，對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)體型、鋼筋以及止水帶、通氣孔鋼管進(jìn)行了調(diào)整

通過認(rèn)真分析導(dǎo)流流量、導(dǎo)流時(shí)序及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，取消了導(dǎo)流洞封堵閘門門槽側(cè)、底板鋼襯，主要包括：上游底鋼襯、底封板、上游側(cè)鋼襯、上游側(cè)封板、下游側(cè)封板、下游側(cè)鋼襯以及下游側(cè)底鋼襯等。

由于上述構(gòu)件已優(yōu)化取消，故對(duì)導(dǎo)流洞進(jìn)水塔體型和鋼筋進(jìn)行了以下調(diào)整:

(1)由于底板及側(cè)墻鋼襯取消，故原鋼襯部位的一期混凝土凹槽相應(yīng)取消。

(2)體型調(diào)整后，對(duì)該部位配筋進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。

(3)底板及側(cè)墻鋼襯部位的插筋相應(yīng)取消。

由于南湃水電站工程較普遍地使用了651型橡膠止水，而原設(shè)計(jì)方案中的451型止水用量小且需單獨(dú)從國(guó)內(nèi)采購，因此，將導(dǎo)流洞體型中的橡膠止水帶型號(hào)調(diào)整為651型。由于原設(shè)計(jì)方案中的φ80 cm通氣孔鋼管需單獨(dú)采購，而現(xiàn)場(chǎng)庫存有φ40 cm鋼管，經(jīng)設(shè)計(jì)人員重新進(jìn)行閘門關(guān)閉時(shí)通氣驗(yàn)算后，采用φ40 cm鋼管進(jìn)行了代換優(yōu)化。

6 結(jié) 語

經(jīng)過設(shè)計(jì)人員核算及四方討論后，最終南湃水電站導(dǎo)流洞工程優(yōu)化成功，施工期間，導(dǎo)流洞各個(gè)節(jié)點(diǎn)均滿足度汛目標(biāo)要求，大壩臨時(shí)度汛斷面1 101 m高程中期導(dǎo)流目標(biāo)按期實(shí)現(xiàn)， 2014年10 月15日至2016年6月18日(持續(xù)20個(gè)月)圓滿通過過流考驗(yàn)，下閘蓄水目標(biāo)按期順利完成，封堵工作也在下閘后提前完成且封堵效果非常好，該項(xiàng)優(yōu)化的成功，為類似工程提供了工程經(jīng)驗(yàn)。