卡基娃水電站導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

涂小飛，魏麗琴，謝金元，馮 菊

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，成都610072)

卡基娃水電站位于四川省木里縣唐央鄉(xiāng)，系木里河干流(上通壩～阿布地)河段“一庫六級”開發(fā)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(fā)電系統(tǒng)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(jī)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(dǎo)流方式。本文針對該導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)中遇到的一些關(guān)鍵技術(shù)(如“三洞合一”設(shè)計(jì)、高外水水頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗沖耐磨設(shè)計(jì)，出口防沖消能設(shè)計(jì)等)進(jìn)行簡要介紹，并對設(shè)計(jì)實(shí)施效果進(jìn)行了分析。

1 導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)

1.1 導(dǎo)流洞布置設(shè)計(jì)

1.1.1 導(dǎo)流洞平面布置

卡基娃水電站壩址區(qū)為“S”型微彎河段，導(dǎo)流洞布置于壩區(qū)左岸，采用單彎道設(shè)計(jì)，進(jìn)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(jìn)、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(zhuǎn)角62.2°，轉(zhuǎn)彎半徑200 m。導(dǎo)流洞進(jìn)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(dǎo)流洞進(jìn)、出口分別設(shè)置引渠長度約20.0 m，進(jìn)口閘室段長18.0 m。

導(dǎo)流洞在樁號(導(dǎo))0+687.758處與放空洞采用龍?zhí)ь^形式結(jié)合，在樁號(導(dǎo))0+807.53處與1#泄洪洞平面交岔結(jié)合。

1.1.2 導(dǎo)流洞斷面形式選擇

導(dǎo)流洞洞身段所在巖層主要為奧陶系下統(tǒng)人公組第三段(O1r3)，巖性以千枚化板巖、炭質(zhì)板巖為主，夾層紋理發(fā)育的變質(zhì)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(dǎo)流洞主要承擔(dān)施工期導(dǎo)流任務(wù)，后半段雖與水工放空洞、1#泄洪洞結(jié)合，但結(jié)合后過流量與導(dǎo)流期間流量相比較小，因此，斷面設(shè)計(jì)主要為滿足導(dǎo)流期間過流要求(按20 a一遇洪水設(shè)計(jì)，導(dǎo)流流量973 m3/s)。考慮到導(dǎo)流洞洞身圍巖成洞條件較好且導(dǎo)流洞施工工期較緊，設(shè)計(jì)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(dǎo)流隧洞布置特性見表1。

表1 導(dǎo)流洞特性表

1.2 導(dǎo)流洞進(jìn)口閘室及洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 進(jìn)口閘室設(shè)計(jì)

導(dǎo)流洞進(jìn)口閘室采用岸塔式，閘室長度18 m，設(shè)一封堵閘門。閘門孔口尺寸7.5m×9.0m;進(jìn)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(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿。閘室進(jìn)水口采用頂面收縮(1/4橢圓曲線)斷面，曲線方程為:，進(jìn)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(cè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)導(dǎo)流洞沿程圍巖條件和運(yùn)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(jié)合段各運(yùn)行工況及要求，導(dǎo)流洞全洞段洞身結(jié)構(gòu)采用噴錨支護(hù)與鋼筋混凝土襯砌相結(jié)合的復(fù)合型支護(hù)型式。

導(dǎo)流洞進(jìn)口漸變段采用1.0～1.2 m厚混凝土襯砌，樁號(導(dǎo))0+687.758m段以前洞身段(非結(jié)合段)根據(jù)圍巖類別及運(yùn)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(wǎng)噴混凝土，頂拱與邊墻視塑性區(qū)的范圍布置錨桿，并在頂拱及邊墻局部設(shè)置排水孔。系統(tǒng)錨桿采用按1.5 m間、排距布設(shè)Φ25、L=3.0 m、4.5 m、6.0 m的錨桿。

導(dǎo)流洞與放空洞、1#泄洪洞結(jié)合段采取0.8 m厚混凝土全斷面襯砌，其中樁號(導(dǎo))0+772.420m～(導(dǎo))0+809.92m段為1#泄洪洞與導(dǎo)流洞結(jié)合漸變部位，洞身尺寸由17.37m× 9.0m漸變?yōu)?.54m×9.0m。由于該部位洞身跨度較大，根據(jù)此段圍巖類別及運(yùn)行工況要求，此段采取1.2 m厚混凝土全斷面襯砌。

2 導(dǎo)流洞水力計(jì)算及水力模型試驗(yàn)復(fù)核

2.1 泄流能力計(jì)算

導(dǎo)流洞明流時按寬頂堰出流公式計(jì)算;明滿流時按滿流公式計(jì)算。

明流時計(jì)算公式為:

滿流時，導(dǎo)流洞出口為自由出流，流量計(jì)算公式為:

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

當(dāng)遭遇導(dǎo)流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水時，導(dǎo)流洞為有壓洞設(shè)計(jì)，由于導(dǎo)流洞出口原河床水位低于導(dǎo)流洞頂拱高程，導(dǎo)流洞出口為自由出流。在導(dǎo)流洞過常年洪水流量時，導(dǎo)流洞的縱坡大于該流量下的臨界底坡。

設(shè)計(jì)狀態(tài)下，導(dǎo)流洞最大泄流流量為973 m3/s，平均流速15.4 m/s。

導(dǎo)流洞泄流能力曲線見圖1。

圖1 導(dǎo)流洞泄流曲線圖

2.2 水力模型試驗(yàn)復(fù)核

由于卡基娃水電站導(dǎo)流洞具有布置復(fù)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(jìn)一步了解、論證導(dǎo)流洞在宣泄各級流量時的水流狀態(tài)(包括進(jìn)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(jié)構(gòu)的影響和導(dǎo)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(xué)高速水力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了施工導(dǎo)流模型試驗(yàn)研究。

模型試驗(yàn)研究成果如下:

1)導(dǎo)流洞加設(shè)“三洞合一”體型后，過流能力滿足設(shè)計(jì)要求。在明流區(qū)導(dǎo)流洞的平均流量系數(shù)為0.365;在滿流區(qū)導(dǎo)流洞的平均流量系數(shù)為0.550。

2)在所有試驗(yàn)工況中，除導(dǎo)流洞出口段以外，其它各部分(包括閘室段和門槽處)均無負(fù)壓產(chǎn)生，沿程壓強(qiáng)梯度亦無突變。在初期導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量QP=5%=973.0 m3/s時，導(dǎo)流洞出口處底板壓強(qiáng)為6.5×9.8KPa，比洞頂?shù)?.5 m。

3)在小于設(shè)計(jì)工況的各級流量下，實(shí)測水流最小空化數(shù)σ=0.38＞0.3(Q=973.0 m3/s)，位于導(dǎo)流洞出口處;在本試驗(yàn)各級工況下，導(dǎo)流洞無發(fā)生空蝕破壞的可能性。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 導(dǎo)流洞與放空洞、1#泄洪洞“三洞合一”布置設(shè)計(jì)

由于壩址區(qū)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(dǎo)流洞布置必須考慮出口與水工建筑物結(jié)合。

根據(jù)水工建筑物布置要求，右岸布置2#泄洪洞和引水發(fā)電系統(tǒng)，左岸布置放空洞和1#泄洪洞。經(jīng)綜合比較，導(dǎo)流洞布置于左岸，放空洞后段采用龍?zhí)ь^方式與導(dǎo)流洞結(jié)合，1#泄洪洞通過豎井后采用平面交岔方式與導(dǎo)流洞結(jié)合。具體結(jié)合方式及布置見圖2。

圖2 導(dǎo)流洞與放空洞、1#泄洪洞“三洞合一”平面布置圖

采用導(dǎo)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(jié)約了導(dǎo)流洞后半段及出口的工程量，但對導(dǎo)流洞洞內(nèi)施工干擾較大，造成導(dǎo)流洞工期拖延;部分結(jié)合段施工難度較大，施工及運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增加;為減少后期改建的施工時間，在導(dǎo)流洞過流前需完成“龍?zhí)ь^”段以及“平岔口”段的施工，因此為保證導(dǎo)流洞過流期間水流平順，在“平岔口”處設(shè)有臨時側(cè)擋墻，后期改建時再拆除此擋墻。另外，由于導(dǎo)流洞下閘后結(jié)合段仍然要經(jīng)放空洞過流，后期導(dǎo)流洞封堵施工需合理安排。

3.2 進(jìn)口閘室穩(wěn)定研究及高外水水頭下的洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于導(dǎo)流洞進(jìn)口段地質(zhì)條件較差，進(jìn)口閘室及漸變段布置區(qū)域有一崩滑座落體通過，且導(dǎo)流洞封堵期考慮封堵閘門擋水提前發(fā)電，閘室及洞身外水壓力水頭高達(dá)99.0 m(由于控制泄流要求，實(shí)際控制水位需達(dá)到105 m);因此對閘室穩(wěn)定及洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出較高要求。為確保導(dǎo)流洞在封堵期的結(jié)構(gòu)安全，為設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，委托四川大學(xué)應(yīng)用巖土工程數(shù)值仿真分析軟件，對導(dǎo)流洞進(jìn)口閘室及進(jìn)口洞身段在高外水水頭下結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形情況進(jìn)行全面系統(tǒng)的三維有限元數(shù)值仿真分析。

圖3 閘室及洞身三維有限元計(jì)算模型

圖4 開挖過后的三維計(jì)算模型

根據(jù)數(shù)值仿真分析結(jié)果，閘室抗滑、抗浮及抗傾覆在各工況下均滿足規(guī)范要求。閘室和導(dǎo)流洞洞身結(jié)構(gòu)配筋以封堵期為最不利工況，實(shí)際配筋結(jié)果滿足計(jì)算要求。

閘室不同工況條件下的抗滑穩(wěn)定、抗浮穩(wěn)定及抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2～4。

表2 閘室抗滑穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

表3 閘室抗浮穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

表4 閘室抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

考慮到閘基及進(jìn)口洞段地質(zhì)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(shí)際設(shè)計(jì)中，對導(dǎo)流洞閘室基礎(chǔ)及進(jìn)口洞身段0+50 m樁號前進(jìn)行了固結(jié)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(shè)置排水孔。樁號0+ 50 m以前段為防止外水“擊穿”，未設(shè)置排水孔，主要通過固結(jié)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(shè)計(jì)

由于前期施工大量的棄碴下河，在導(dǎo)流洞運(yùn)行期間混凝土襯砌的磨損將非常嚴(yán)重，同時為避免高速水流對導(dǎo)流洞洞身襯砌造成空蝕空化破壞(導(dǎo)流洞結(jié)合段在放空洞運(yùn)行期，三洞合一段斷面平均流速18～27 m/s)，在導(dǎo)流洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時考慮了抗沖耐磨措施。根據(jù)導(dǎo)流洞實(shí)際運(yùn)行時段、運(yùn)行工況、洞內(nèi)流速分布并結(jié)合洞身施工方案，在導(dǎo)流洞與永久結(jié)合段的底板、邊墻采用C40HF混凝土，頂拱采用C 30混凝土;非結(jié)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(dǎo)流洞洞內(nèi)磨蝕破壞主要為石渣及推移質(zhì)造成。工程實(shí)例證明，推移質(zhì)的磨蝕破壞基本上都發(fā)生在邊墻2 m以下部位?，F(xiàn)階段設(shè)計(jì)中，普遍采用導(dǎo)流洞底板及邊墻下部2 m采用高標(biāo)號抗沖耐磨混凝土，其余部位采用低標(biāo)號普通混凝土的設(shè)計(jì)原則是較為經(jīng)濟(jì)合理的。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，單純通過提高標(biāo)號來提高混凝土強(qiáng)度，常常會導(dǎo)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(jù)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)資料顯示，由于骨料抗磨蝕性能較水泥結(jié)石要高很多，提高混凝土中水泥結(jié)石抗磨蝕性能的同時，應(yīng)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(qiáng)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(yīng)嚴(yán)格控制抗磨蝕層混凝土的施工振搗，防止出現(xiàn)底板表層保護(hù)層大部分為水泥漿的現(xiàn)象，有條件也可以調(diào)整混凝土保護(hù)層厚度到15 cm以上。另外，從磨蝕破壞的部位統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，大部分磨蝕破壞發(fā)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(huán)向縫應(yīng)嚴(yán)格采取縫面處理措施，對于底板部位結(jié)構(gòu)縫(一般要求縫寬2 cm)更應(yīng)采取表層封閉的結(jié)構(gòu)方式。

3.4 出口消能設(shè)計(jì)

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(tài)下整體處于穩(wěn)定，前緣局部活動。因此，如何盡可能減小導(dǎo)流洞出口水流對卡基娃滑坡坡腳的影響是導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)中極為關(guān)鍵的問題。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通過不斷調(diào)整出口水流與河道夾角，研究側(cè)墻對水流影響，以及出口設(shè)置消力坎高度，并不斷通過動床模型試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定導(dǎo)流洞出口布置方案，采取出口設(shè)置1.5 m消力坎的型式。實(shí)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(hù)，進(jìn)一步減小導(dǎo)流洞過流對滑坡體坡腳的淘刷。

4 結(jié)語

卡基娃水電站導(dǎo)流洞規(guī)模雖不算太大，但其特殊的地質(zhì)條件、布置空間以及運(yùn)行要求使得在該導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)中遇到了較多的需研究問題，受篇幅所限，本文僅對設(shè)計(jì)中運(yùn)用的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡要分析。

目前，導(dǎo)流洞已經(jīng)歷2011、2012年兩年汛期洪水的考驗(yàn)，最大度汛流量653 m3/s，導(dǎo)流洞運(yùn)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(dǎo)流水力學(xué)模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.成都:中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，2008.

［2］劉善均，許唯臨，王韋，等.高壩豎井、龍?zhí)ь^放空洞與導(dǎo)流洞“三洞合一”優(yōu)化布置研究［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2003.