西藏某水電站導(dǎo)流隧洞設(shè)計(jì)

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(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州，311122)

1 工程概況

西藏某水電站為二等大(2)型工程，開(kāi)發(fā)任務(wù)為發(fā)電，電站裝機(jī)容量為660MW，采用壩式開(kāi)發(fā)，電站樞紐建筑物主要由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)及升壓站等組成。其中，攔河壩采用碾壓混凝土重力壩；泄洪建筑物包括在壩身布置的5孔溢流表孔和1孔泄洪沖沙底孔，表孔及底孔分別采用聯(lián)合戽流消能和挑流消能；引水建筑物由壩式進(jìn)水口和壓力管道組成；發(fā)電廠房采用壩后式布置，共安裝4臺(tái)單機(jī)容量165MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。

電站采用一次斷流圍堰、隧洞過(guò)流、基坑全年施工的導(dǎo)流方式。初期導(dǎo)流階段，由上、下游圍堰擋水，兩條導(dǎo)流隧洞泄流，導(dǎo)流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為全年20年一遇洪水，流量8840m3/s；中后期導(dǎo)流階段，由壩體臨時(shí)度汛斷面擋水，導(dǎo)流隧洞結(jié)合泄洪沖沙底孔泄流，壩體臨時(shí)度汛標(biāo)準(zhǔn)為全年50年一遇洪水，流量10300m3/s。導(dǎo)流建筑物主要包括兩條導(dǎo)流隧洞和上下游圍堰。

2 水文氣象條件

本工程河流洪水主要由暴雨形成，洪枯流量相差懸殊，6月至10月為汛期，11月至次年5月為枯水期。

工程區(qū)位于青藏高原氣候區(qū)，基本特性為氣溫低、溫差大、空氣稀薄、大氣干燥、太陽(yáng)輻射異常強(qiáng)烈，氣候特性復(fù)雜多樣。以位于藏中地區(qū)的某氣象站1978年～2009年實(shí)測(cè)資料為例，多年平均氣溫9.3℃，最冷月平均氣溫為0.3℃(1月)，極端最高、最低氣溫分別為32.5℃和-16.6℃。

3 地質(zhì)條件

3.1 進(jìn)口邊坡

導(dǎo)流隧洞進(jìn)口為巖質(zhì)邊坡，巖性為弱風(fēng)化黑云母花崗閃長(zhǎng)巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，邊坡巖體無(wú)較大規(guī)模的構(gòu)造破碎帶，共發(fā)育兩條Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面，同產(chǎn)狀節(jié)理發(fā)育3組，巖體結(jié)構(gòu)以次塊狀為主，整體穩(wěn)定性較好，局部不利結(jié)構(gòu)面組合部位穩(wěn)定性較差。

3.2 洞身段

洞身段巖性以黑云母花崗閃長(zhǎng)巖為主，下游洞身段局部夾條帶狀黑云母角閃石英閃長(zhǎng)巖，弱風(fēng)化～微風(fēng)化為主，斷層帶內(nèi)巖體為強(qiáng)風(fēng)化。圍巖類別主要以Ⅲ類為主，Ⅳ類次之，局部為Ⅱ類，巖體質(zhì)量總體中等。

導(dǎo)流隧洞主要發(fā)育三條Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面F1、F2、F5和f35、f41、f44、f45等小規(guī)模斷層。斷層與洞軸線夾角均較小，雖然設(shè)計(jì)時(shí)在洞身走向上進(jìn)行了調(diào)整，盡量增大洞軸線與斷層的夾角，但斷層仍影響較長(zhǎng)洞身段，斷層帶內(nèi)由碎塊巖、碎裂巖、巖屑及斷層泥組成。

3.3 出口邊坡

出口邊坡巖體以弱風(fēng)化為主，淺表多為強(qiáng)卸荷，裂隙張開(kāi)，局部夾巖屑。1#導(dǎo)流隧洞出口邊坡有F1、F2斷層通過(guò)，受其影響邊坡巖體較破碎；2#導(dǎo)流隧洞出口邊坡節(jié)理發(fā)育，巖體完整性差。邊坡上部有f35、f43斷層發(fā)育，卸荷裂隙及構(gòu)造節(jié)理發(fā)育，有不利結(jié)構(gòu)面組合。斷層為陡傾結(jié)構(gòu)面，邊坡巖體結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，巖體強(qiáng)卸荷，巖體較破碎，邊坡整體穩(wěn)定性較好，局部不利結(jié)構(gòu)面組合部位穩(wěn)定性差。

4 導(dǎo)流隧洞布置

4.1 洞線比較

本工程壩址兩岸均具備布置導(dǎo)流隧洞的條件。左岸巖體風(fēng)化程度、斷層及節(jié)理裂隙發(fā)育程度大于右岸，地質(zhì)條件右岸較優(yōu)；但壩址左岸有新S306省道通過(guò)，而右岸無(wú)現(xiàn)有交通，進(jìn)場(chǎng)條件左岸較優(yōu)。

若2條導(dǎo)流隧洞均布置在右岸，受跨江交通橋及右岸沿江道路施工制約，導(dǎo)流隧洞承包人進(jìn)點(diǎn)時(shí)間將延長(zhǎng)半年以上，且受廠房半窯洞式安裝間、右下溝等制約，洞線長(zhǎng)度比2條導(dǎo)流隧洞均布置在左岸方案長(zhǎng)約350m，經(jīng)濟(jì)性差。因此，需至少有1條導(dǎo)流隧洞布置在左岸。

通過(guò)對(duì)左岸布置2條導(dǎo)流隧洞方案和左、右岸各布置1條導(dǎo)流隧洞方案進(jìn)行綜合比選。兩方案在泄流能力、可比投資方面差別較小，全左方案施工條件較好，導(dǎo)流隧洞工程施工工期較短；一左一右方案地質(zhì)條件較好?？紤]項(xiàng)目業(yè)主和地方上對(duì)工程建設(shè)的迫切需求；F1、F2、F5等斷層及影響范圍通過(guò)加強(qiáng)初期支護(hù)、優(yōu)化施工方案，有條件使洞室圍巖保持穩(wěn)定。因此，采用左岸布置2條導(dǎo)流隧洞方案。

4.2 隧洞斷面型式選擇

導(dǎo)流隧洞常用的斷面型式有城門洞型、馬蹄型和圓形，城門洞型斷面施工條件較好，施工工期較短，有利于降低截流難度，但受力條件較差；圓型斷面施工條較差，施工工期較長(zhǎng)，但受力條件較好；馬蹄型斷面介于兩者之間；3種斷面型式各有優(yōu)缺點(diǎn)。

導(dǎo)流隧洞斷面型式的選取主要從安全、經(jīng)濟(jì)和施工進(jìn)度等方面進(jìn)行綜合比較，從目前國(guó)內(nèi)已施工的工程情況看，采用城門洞斷面的較多，如二灘、大朝山、公伯峽、小灣、金安橋、苗尾等大型水電站工程，部分地質(zhì)條件較差的工程也有采用圓型斷面和馬蹄型斷面的，如小浪底、百色、水布埡、構(gòu)皮灘等大型水電站工程。

近年來(lái)開(kāi)工建設(shè)的導(dǎo)流隧洞工程已較少采用圓型斷面和馬蹄型斷面，錦屏二級(jí)、糯扎渡及苗尾水電站工程導(dǎo)流隧洞斷面尺寸大，沿線地質(zhì)條件較差，亦采用城門洞型。本工程導(dǎo)流隧洞地質(zhì)條件總體較好，為有利于施工，并降低截流難度，采用城門洞型斷面。

4.3 隧洞尺寸選擇

根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，為降低工程投資，加快施工進(jìn)度，宜盡可能減小導(dǎo)流隧洞洞徑；但導(dǎo)流隧洞洞徑也不能無(wú)限度的減小，必須保證上游圍堰在一個(gè)枯水期內(nèi)施工完成。

根據(jù)上述原則，擬定了14.0m×17.0m(寬×高)、15.0m×17.0m(寬×高)、15.0m×18.0m(寬×高)、16.0m×18.0m(寬×高)4個(gè)城門洞型方案進(jìn)行比選，相應(yīng)上游圍堰高度分別為66.0m、60.0m、55.5m、51.0m。

綜合導(dǎo)流隧洞水力學(xué)條件、上游圍堰布置、導(dǎo)流隧洞施工難度、可比投資等方面進(jìn)行分析比較，方案一上游圍堰高度較高、填筑強(qiáng)度較大，滿足截流后第2年度汛難度較大，且圍堰受地形限制，布置較為局促；方案三、方案四導(dǎo)流隧洞斷面較大，工程投資較大；方案二上游圍堰填筑強(qiáng)度適中，圍堰布置條件較好，且導(dǎo)流隧洞斷面相對(duì)較小，工程投資相對(duì)較省，最終選擇方案二，即兩條導(dǎo)流隧洞洞徑均為15.0m×17.0m(寬×高)。

4.4 隧洞布置結(jié)論

綜上，2條導(dǎo)流隧洞布置在左岸，平面上呈雙彎段布置，中心線間距約60.0m，隧洞斷面采用城門洞型式，襯砌后斷面尺寸為15m×17m(寬×高)。1#導(dǎo)流隧洞長(zhǎng)908.67m，2#導(dǎo)流隧洞長(zhǎng)1110.18m。

表1導(dǎo)流隧洞特性

5 導(dǎo)流隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 進(jìn)出口開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)

導(dǎo)流隧洞進(jìn)出口地形較陡，其中進(jìn)口邊坡上部分布有較大規(guī)模崩坡積體。為盡可能減少邊坡開(kāi)挖對(duì)崩坡積體的擾動(dòng)并控制開(kāi)挖坡高，進(jìn)出口邊坡開(kāi)挖及支護(hù)采取“早進(jìn)洞，強(qiáng)支護(hù)，先錨后挖”的原則。

2條導(dǎo)流隧洞進(jìn)口為整體開(kāi)挖，邊坡最大開(kāi)挖高度為70m，共設(shè)3級(jí)馬道，馬道寬2.0m。

2條導(dǎo)流隧洞出口也為整體開(kāi)挖，邊坡最大開(kāi)挖高度為45m，共設(shè)2級(jí)馬道，馬道寬2.0m。

根據(jù)導(dǎo)流隧洞進(jìn)出口的地質(zhì)條件，采用的開(kāi)挖及支護(hù)原則如下：

(1)開(kāi)挖原則：弱風(fēng)化巖體開(kāi)挖坡比為1∶0.1～1∶0.3，強(qiáng)風(fēng)化巖體開(kāi)挖坡比為1∶0.5，覆蓋層開(kāi)挖坡比為1∶1.0。

(2)支護(hù)原則：巖質(zhì)邊坡采用錨索+錨噴支護(hù)，對(duì)斷層影響區(qū)加密加深錨索；土質(zhì)邊坡以掛網(wǎng)噴為主；進(jìn)洞鎖口支護(hù)采用鎖口錨筋樁；全坡面設(shè)置排水孔。

5.2 洞身開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)

導(dǎo)流隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜、斷面尺寸大、運(yùn)行流態(tài)復(fù)雜、外水壓力高，為確保施工期及運(yùn)行期安全，初期支護(hù)采用錨噴支護(hù)，永久支護(hù)采用鋼筋混凝土襯砌。

初期支護(hù)形式按工程類比法擬定：

(1)Ⅱ類圍巖洞段：系統(tǒng)噴錨，C25噴混凝土厚15cm；φ22/φ25系統(tǒng)砂漿錨桿，間距2.0m×2.0m，長(zhǎng)度3.0m/4.5m；

(2)Ⅲ類圍巖洞段：系統(tǒng)噴錨，C25噴混凝土厚15cm；φ25/φ28系統(tǒng)砂漿錨桿，間距2.0m×2.0m，長(zhǎng)度4.5m/6.0m；

(3)Ⅳ類圍巖洞段：超前錨桿+系統(tǒng)錨桿+掛網(wǎng)噴混凝土+鋼拱架，頂拱120°范圍內(nèi)布置φ28、L=6m的超前錨桿；掛網(wǎng)噴混凝土厚15cm；φ28系統(tǒng)砂漿錨桿，間距1.5m×1.5m，L=6.0m；I20鋼拱架，間距1.0m；

(4)Ⅴ類圍巖洞段：超前錨桿+系統(tǒng)錨桿+掛網(wǎng)噴混凝土+鋼拱架，頂拱120°范圍內(nèi)布置φ28，L=6m的超前錨桿；掛網(wǎng)噴混凝土厚15cm；頂拱布置φ28/φ32系統(tǒng)砂漿錨桿，間距1.5m×1.5m，L=6.0m/9.0m間隔布置；I20鋼拱架，間距0.5m；邊墻布置φ28系統(tǒng)砂漿錨桿/3φ28錨筋樁，間距1.5m×1.5m，L=6.0m/9.0m間隔布置。

5.3 洞身襯砌設(shè)計(jì)

二次支護(hù)采用混凝土襯砌，襯砌厚度及配筋按邊值數(shù)值解法計(jì)算確定，計(jì)算工況主要分為施工期、運(yùn)行期、封堵期三種工況，另外根據(jù)控泄工況(導(dǎo)流隧洞下閘蓄水后，封堵期間，水庫(kù)能降低到的最低水位)對(duì)襯砌厚度進(jìn)行復(fù)核。采用《水工隧洞鋼筋混凝土襯砌計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)SDCAD4.0》，計(jì)算成果如下：

(1)進(jìn)口段及漸變段(1#導(dǎo)0-020m～1#導(dǎo)0+036m、2#導(dǎo)0-017m～2#導(dǎo)0+036m)：鋼筋混凝土襯砌厚度為2.5m；

(2)過(guò)渡段及出口段(1#導(dǎo)0+036m～1#導(dǎo)0+108m、2#導(dǎo)0+036m～2#導(dǎo)0+108m)：鋼筋混凝土襯砌厚度為1.5m；

(3)普通段(1#導(dǎo)0+108m～1#導(dǎo)0+908.67m、2#導(dǎo)0+108m～2#導(dǎo)1+110.18m)：鋼筋混凝土襯砌厚度為0.8m(Ⅱ～Ⅳ類圍巖)/1.2m(Ⅴ類圍巖)。

5.4 洞身灌漿設(shè)計(jì)

5.4.1 回填灌漿

導(dǎo)流隧洞頂拱120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿，回填灌漿在襯砌混凝土達(dá)到70%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行，灌漿壓力0.3MPa，孔距和排距約為3.0m，灌漿孔深入圍巖0.1m。

5.4.2 固結(jié)灌漿

為提高圍巖的受力和防滲性能，對(duì)導(dǎo)流隧洞進(jìn)出口段、堵頭段及部分洞身段進(jìn)行固結(jié)灌漿。

1#導(dǎo)流隧洞灌漿范圍為1#導(dǎo)0+000.00m～0+108.00m，1#導(dǎo)0+108.00m～0+383.19mⅣ類及Ⅴ類圍巖段，堵頭段，1#導(dǎo)0+848.67m～0+884.67m段；2#導(dǎo)流隧洞灌漿范圍為2#導(dǎo)0+000.00m～0+108.00m，2#導(dǎo)0+108.00m～0+490.54mⅣ類圍巖段，堵頭段，2#導(dǎo)1+062.18m～1+098.18m段。

固結(jié)灌漿在該部位回填灌漿結(jié)束7d后進(jìn)行，灌漿壓力為0.6MPa～1.2MPa，孔距和排距約為3.0m，灌漿孔深入圍巖5.0m/10.0m(進(jìn)出口36m段、堵頭段及Ⅴ類圍巖段深入圍巖

10.0m，其余洞段深入圍巖5.0m)。

5.5 封堵設(shè)計(jì)

導(dǎo)流隧洞堵頭為永久擋水建筑物，與大壩具有同等的重要性。堵頭按500年一遇洪水設(shè)計(jì)，2000年一遇洪水校核。

導(dǎo)流隧洞堵頭采用楔形體結(jié)構(gòu)型式，長(zhǎng)36.0m，廊道長(zhǎng)24.0m，廊道為城門洞型，頂拱中心角180°，2.5m×3.0m(寬×高)。為方便堵頭施工，縮短堵頭段施工工期，降低造價(jià)，采用預(yù)留體形方案，即隧洞施工時(shí)在堵頭位置的隧洞斷面按堵頭的外形尺寸開(kāi)挖、襯砌和過(guò)水，后期對(duì)堵頭段襯砌表面鑿毛至粗骨料后澆筑堵頭混凝土。考慮施工進(jìn)度和溫控要求，堵頭分兩段施工。堵頭段圍巖均進(jìn)行固結(jié)灌漿，堵頭拱頂進(jìn)行回填灌漿，堵頭邊頂拱及分縫間接觸面均進(jìn)行接縫灌漿。

6 施工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

導(dǎo)流隧洞施工期間，設(shè)計(jì)工作一直緊隨工程進(jìn)展，通過(guò)對(duì)埋設(shè)的監(jiān)測(cè)儀器的反饋數(shù)據(jù)分析、地質(zhì)工作跟蹤觀測(cè)預(yù)報(bào)，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，真正做到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、信息化施工，既保證了施工期的安全，也為加快施工進(jìn)度、降低工程投資提供了有力的支持。

7 結(jié)語(yǔ)

本工程導(dǎo)流隧洞為西藏地區(qū)已建成的最大規(guī)模導(dǎo)流隧洞，目前，已投入運(yùn)行。通過(guò)進(jìn)、出口邊坡和洞身的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，各部位圍巖穩(wěn)定情況、混凝土結(jié)構(gòu)受力情況良好；實(shí)際過(guò)流情況下，通過(guò)對(duì)各流量下上游水位與計(jì)算值對(duì)比，實(shí)際泄流能力略高于計(jì)算值；導(dǎo)流隧洞出口實(shí)際流速、流態(tài)與模型試驗(yàn)對(duì)比，基本吻合。