天花板水電站導(dǎo)流隧洞設(shè)計

陳 浩，顧 偉，盧軍民

（中國水電顧問集團北京勘測設(shè)計研究院，北京 100024）

天花板水電站位于云南省昭通市境內(nèi)金沙江右岸一級支流牛欄江下游河段，是牛欄江中下游梯級規(guī)劃的第7級水電站。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(dǎo)流隧洞泄流、基坑全年施工的導(dǎo)流方式。本文簡要分析導(dǎo)流隧洞的布置、斷面形式的選擇、進出口明渠設(shè)計及施工過程中的優(yōu)化調(diào)整。

1 導(dǎo)流洞斷面設(shè)計

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(zhuǎn)角60°，轉(zhuǎn)彎半徑320 m。導(dǎo)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(dǎo)流隧洞進口設(shè)置長約80 m的進口引渠和進水塔，出口設(shè)置長約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(dǎo)流隧洞主要承擔(dān)施工期導(dǎo)流泄水任務(wù)，無永久運行要求，運行時間約3年，共經(jīng)歷三個汛期。為了降低后續(xù)施工強度，導(dǎo)流隧洞具備分流條件后需盡快截流?？紤]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°， 隧洞過水面積 155.91 m2。

1.3 導(dǎo)流隧洞斷面支護設(shè)計

導(dǎo)流隧洞按4級臨時建筑物設(shè)計，根據(jù)不同洞段的地質(zhì)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(fù)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(tǒng)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(tǒng)錨桿掛和網(wǎng)噴混凝土的支護形式。導(dǎo)流隧洞洞身具體支護形式及參數(shù)見表1。

天花板導(dǎo)流隧洞按有壓流設(shè)計，設(shè)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(nèi)最大流速8.9 m/s。導(dǎo)流隧洞下閘后，進行檢查后發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流洞的邊墻、頂拱和底板均較完整，無大的沖刷破壞。

2 導(dǎo)流隧洞封堵堵頭設(shè)計

導(dǎo)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(shè)計標(biāo)準為50年一遇，設(shè)計擋水水頭85 m。堵頭采用楔型體結(jié)構(gòu)，長20 m，布置于大壩軸線下部，按導(dǎo)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(dǎo)流隧洞封堵閘門下閘擋水，庫水位升至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，巖體網(wǎng)狀裂隙發(fā)育；該洞段原設(shè)計的增加混凝土襯砌及固結(jié)灌漿因種種原因未按設(shè)計要求施工，僅在導(dǎo)流隧洞分流后從洞頂山坡往下進行了部分灌漿，導(dǎo)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(dǎo)流洞樁號0+040處拱端逸出，0+040前導(dǎo)流隧洞全斷面襯砌，溢出點為全襯段末端。為防止?jié)B水量繼續(xù)增大，水庫不再繼續(xù)蓄水，由泄洪中孔調(diào)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(xiàn)發(fā)電，同時為永久堵頭施工創(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(diào)控使庫水位升至1 050 m高程，實現(xiàn)低水頭發(fā)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(shè)計

導(dǎo)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(cè)均以5°向前擴散，至明渠進口處底寬約32 m；明渠兩側(cè)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(fēng)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(wěn)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(yù)應(yīng)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(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，加強施工期安全監(jiān)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(shè)計

導(dǎo)流隧洞洞身高程較低，按有壓隧洞設(shè)計。為了后期導(dǎo)流隧洞封堵需要，導(dǎo)流隧洞進口設(shè)置進水塔。進水塔按4級臨時建筑物設(shè)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(nèi)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(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

導(dǎo)流隧洞出口處地形陡峻，坡度約60°。為減小開挖，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5 m錨桿，掛網(wǎng)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(dǎo)流隧洞支護參數(shù)

出口上半洞開挖完成后，發(fā)現(xiàn)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(cè)距裂隙1 m處各增設(shè)一排φ25@1.5 m×1.5 m、長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進行支護，確保導(dǎo)流洞出口施工及運行安全。

4.2 導(dǎo)流洞出口明渠設(shè)計

導(dǎo)流隧洞出口明渠長約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，邊坡開挖坡比采用1∶1.5。

原設(shè)計導(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長的明洞段。施工過程中發(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，且夾有大孤石，在導(dǎo)流隧洞出口圍堰保護下的狹小基坑內(nèi)，明洞段基礎(chǔ)處理困難。綜合技術(shù)經(jīng)濟、工期要求及安全等因素，進行方案比較，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）、長約240 m交通洞繞過導(dǎo)流隧洞出口的方案，同時在導(dǎo)流洞出口架設(shè)16 m長的臨時貝雷橋承擔(dān)交通洞施工期間的交通任務(wù)。

5 結(jié)語

（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、運行條件，采用不同的支護方式，既保證了安全，又節(jié)省了投資，簡化了施工程序，加快了施工進度，實現(xiàn)了當(dāng)年年初開工、當(dāng)年年底導(dǎo)流隧洞過水的節(jié)點目標(biāo)。

（2）天花板水電站導(dǎo)流隧洞工程施工過程中，導(dǎo)流隧洞的支護方式、支護范圍、結(jié)構(gòu)形式等都與實際的地質(zhì)情況相結(jié)合，及時做出調(diào)整和優(yōu)化，使設(shè)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(wǎng)發(fā)電，導(dǎo)流隧洞經(jīng)過3個汛期洪水的考驗，無大的損壞，說明導(dǎo)流隧洞的設(shè)計是合理的。