夾巖水利樞紐工程施工導流隧洞設計

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、導流隧洞泄流的導流方案。針對導流隧洞運行時間長、水位變幅大、成洞地質條件復雜等特點，將其布置在河流左岸。首次在貴州山區洪水陡漲陡落的山區性河流采用全年導流方案、有壓流設計工況。根據施工期、運行期、封堵期分部分段計算襯砌結構設計最不利工況，對臨時導流隧洞設計思路和施工提出了更高要求。導流隧洞3 a運行情況表明，其設計合理，可供同類工程借鑒和參考。

關鍵詞： 導流隧洞;襯砌結構;全年導流;夾巖水利樞紐工程;貴州省

中圖法分類號：TV551.12文獻標志碼：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”）位于長江流域烏江支流六沖河七星關區與納雍縣界河段，主要建筑物由混凝土面板堆石壩、溢洪道、泄洪洞、放空洞、壩后發電系統和伏流泄洪洞等組成。工程的任務以供水和灌溉為主，兼顧發電，并為區域扶貧開發及改善生態環境創造條件。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。左岸沖溝為潘家巖腳大溝，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。無論導流洞布置在左岸或右岸均會不同程度受到沖溝影響。若布置于右岸，潘家巖腳大溝的匯水流量較大，進入大壩施工基坑需增加基坑的抽排水費用或增設潘家巖腳大溝匯水導流措施。目前場內現有交通和導流洞均布置于河床左岸，有利于導流洞提前開工建設和減少至導流洞各工作部位的施工臨時道路。結合場內交通和地質地形條件，導流隧洞宜布置于河床左岸（見圖1）。

2.2 地質條件

（1）地形地貌。工程區位于峽谷出口下游800 m處河段，河流流向S43°E，兩岸沖溝發育，左岸自上而下分布有潘家巖腳沖溝、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。工程區出露基巖地層為下三迭統下統飛仙關組及永定鎮組第一段底部。峽谷出口-潘家巖腳沖溝之間兩岸斜坡分布崩塌堆積層;潘家巖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）導流洞地質條件。導流隧洞埋深10～127 m，圍巖分別為：①永寧鎮組第一段（T1yn1-1）中厚層灰巖夾泥質灰巖;②永寧鎮組第一段（T1yn）中厚層灰巖夾泥質灰巖及飛仙關組第二段第四層（T1f2-4）紫紅色薄至中厚層泥質粉砂巖與粉砂質泥巖互層;③飛仙關組第二段第四層（T1f2-4）紫紅色薄至中厚層泥質粉砂巖與粉砂質泥巖互層;④飛仙關組第二段第四層（T1f2-4）紫紅色薄至中厚層泥質粉砂巖與粉砂質泥巖互層，在0+624處發育f4斷層，斷層產狀為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飛仙關組第二段第三層第三亞層（T1f2-3-3）紫紅色薄至中厚層泥質粉砂巖;紫紅色薄至中厚層泥質粉砂巖，（T1f2-3-2）灰色中厚層細砂巖，（T1f2-3-1）紫紅色薄至中厚層泥質粉砂巖夾中厚層灰色細砂巖，（T1f2-2）紫紅色薄至中厚層泥質粉砂巖與薄至中厚層灰色細砂巖。

（4）物理力學參數。根據圍巖強度、巖體結構及完整性特點，壩區隧洞各類圍巖主要物理力學參數建議值見表1。

3 導流隧洞斷面設計

3.1 斷面型式選擇

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

3.2 斷面洞徑比選

結合樞紐建筑物布置和地形條件，為減小導流洞建筑物工程量，減少導流工程投資，對導流隧洞不同洞徑及對應工程投資進行了比選（見表2）。根據工程確定的全年施工導流方案，相應洪峰流量為1 570 m3/s，對導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）進行綜合比選。

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

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

3.3 導流隧洞組成

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

（1）導流洞進口底板高程1 217.0 m，進口引渠為梯形斷面，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高設一層馬道。

（2）導流洞洞身長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高設一層馬道。

3.4 導流方案選定

貴州高原地區河流屬山區性雨源型河流，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性河流特點。貴州已建大型水電站或樞紐工程，如洪家渡、引子渡、索風營、烏江渡、構皮灘、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目均采用枯水期導流方案。

若夾巖工程采用枯水期導流方案，導流隧洞進口潘家巖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30萬m3，束窄河床近2/3。該治理方案束窄河床后將導致導流洞進口水力條件變差，上游圍堰迎水面需采取抗沖防護措施，度汛時一旦壓坡體失穩可能導致大量堆積物堵塞導流洞，造成嚴重后果。同時壓坡體施工與導流洞等前期工程基本同步施工，施工干擾大。為此，結合堆積體治理、工程棄渣場布置及規模、占地等因素，提出全年導流方案。該方案采用長隧洞布置方式，隧洞穿過潘家巖堆積體下部完整基巖，在導流洞進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規模。

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

3.5 導流隧洞水力學計算

導流洞洞身段設計為有壓洞，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°。根據導流洞的地質條件，隧洞設計采用全斷面C20鋼筋混凝土襯砌。

經水力學計算，導流洞流量系數為0.487，最大下泄流量為562.9 m3/s，堰前最高水位為1 251.13 m，設計工況下導流洞洞身最大流速為12 m/s。導流度汛特性見表3。

據南京水利科學研究院所做的模型試驗表明：導流洞試驗測得初期導流水位1 251.13 m，導流洞下泄流量為569.53 m3/s，較設計值（569.00 m3/s）略大。在庫水位1 235.20～1 264.17 m滿管流區間，[μ]=0.49～0.50。設計計算成果與水工模型試驗成果基本一致。

3.6 分段襯砌結構設計

依據SL 279-2016《水工隧洞設計規范》[3]進行結構計算，計算內力組合分為施工期、運行期和封堵期。

（1）施工期：自重+山巖壓力+灌漿壓力+外水壓力。

（2）運行期：自重+內水壓力+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”進行結構及配筋計算，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，洞內無水。②運行期。外水水頭為6.35 m，經水力學計算洞內水頭為20.29 m。③封堵期。經調洪演算下閘封堵期外水水頭為53.04 m，洞內無水。經隧道襯砌計算軟件結構及配筋計算，最不利工況為封堵期。結構計算最不利工況及計算結果詳見表4～6。

4 封堵閘井及金屬結構

閘井布置于導流洞中部，采用岸塔式;閘井設封堵鋼閘門一道，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。考慮下閘封堵啟門調整時的水位涌高，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條件較好的II型門槽，埋件主材選用Q345B碳素結構鋼，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，閘門的運行方式為低水頭下動水啟閉。考慮閘門在封堵時的調整，啟閉機選用1套規格型號為QPG2×1250kN-20 m的卷揚式啟閉機。雙吊點啟閉，啟門容量為2×1 250 kN，揚程20 m，吊點距6.84 m。

5 結 論

目前夾巖工程導流隧洞已經運行3 a，在這期間經受住了大流量洪水考驗，通過對該工程導流隧洞設計研究分析，得出以下結論。

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

（2）針對復雜地質條件，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省了投資。

（3）導流洞的布置考慮潘家巖腳堆積體的影響，采用布置長1 490.17 m導流隧洞，避免了潘家巖減載開挖。

（4）根據導流隧洞3 a的運行情況分析，導流設計方案合理，可供同類工程借鑒。

參考文獻：

[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 水工隧洞設計規范[S].

[4] SL 303-2017？水利水電工程施工組織設計規范[S].

（編輯：李曉濛）