金沙江旭龍水電站施工導(dǎo)流關(guān)鍵問題研究

(1.國電金沙江旭龍(奔子欄)水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041； 2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

金沙江上游旭龍水電站為Ⅰ等大(一)型工程，位于云南省德欽縣與四川省得榮縣交界的金沙江干流上游河段，下游距奔子欄鎮(zhèn)72.8 km，上游距昌波壩址75.5 km。壩址控制流域面積18.95萬km2，多年平均流量990 m3/s，多年平均徑流量313億m3。擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程2 308 m，最大壩高213 m，壩身設(shè)3個表孔和4個中孔泄洪；引水發(fā)電建筑物布置在右岸，地下電站裝機(jī)容量為2 250 MW，正常蓄水位為2 302 m，死水位2 297 m。壩址兩岸岸坡陡峻，為典型的“V”型峽谷地形，不具備開挖形成明渠導(dǎo)流的條件，無法采用分期導(dǎo)流。兩岸山體雄厚，巖石地質(zhì)條件適宜修建大型地下洞室，同時由于旭龍水電站為雙曲薄拱壩，壩體較高，技術(shù)復(fù)雜，對施工要求高、工期長，汛期壩體過水對壩體結(jié)構(gòu)存在不利影響，不宜采用過水圍堰方案。經(jīng)多方比選,旭龍水電站采用河床一次性攔斷、圍堰全年擋水、導(dǎo)流隧洞泄流的導(dǎo)流方式。

旭龍水電站大壩、泄洪和引水發(fā)電等建筑物級別為1級，根據(jù)規(guī)范[1]并綜合各方面因素，確定上、下游圍堰及導(dǎo)流隧洞為4級建筑物。初期導(dǎo)流設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20 a一遇洪水[2]，相應(yīng)最大瞬時流量為6 420 m3/s；中期導(dǎo)流為壩體澆筑高程超過上游土石圍堰堰頂高程后至導(dǎo)流隧洞下閘封堵完成的時段，此階段壩體臨時度汛標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇洪水，相應(yīng)最大瞬時流量7 930 m3/s；后期導(dǎo)流為導(dǎo)流隧洞下閘封堵至壩體澆筑到頂?shù)臅r段，此時壩體度汛設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇(8 560 m3/s)，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500 a一遇(9 370 m3/s)。

旭龍水電站施工導(dǎo)流主要存在以下難題:① 導(dǎo)流流量較大，導(dǎo)流隧洞斷面尺寸及圍堰規(guī)模組合較多；② 地形地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其是導(dǎo)流隧洞出口與堆積體關(guān)系密切，需論證出口位置；③ 導(dǎo)流隧洞下閘后向下游供水流量大，導(dǎo)流程序復(fù)雜。施工導(dǎo)流直接關(guān)系到工程的施工程序、施工總布置以及施工安全性，且對樞紐建筑物布置、工程投資和總工期的影響較大，是影響工程全局的重要問題之一[3-5]。本文通過對旭龍水電站導(dǎo)流建筑物規(guī)模、導(dǎo)流隧洞出口布置以及下游供水等關(guān)鍵問題開展研究，選定了導(dǎo)流方案及各項(xiàng)技術(shù)措施，妥善解決了從初期到后期導(dǎo)流設(shè)計(jì)全過程中擋水、泄水及生態(tài)供水等問題，為確保樞紐工程建設(shè)順利進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。

1 導(dǎo)流建筑物規(guī)模研究

圍堰和導(dǎo)流隧洞的規(guī)模相互影響，需綜合考慮地形地質(zhì)條件、導(dǎo)流隧洞泄流條件及圍堰施工進(jìn)度等綜合確定。結(jié)合旭龍水電站布置條件，若布置1條導(dǎo)流隧洞，圍堰在60 m左右高度時[6-8]，導(dǎo)流隧洞的斷面尺寸達(dá)到18 m×20 m，雖仍在國內(nèi)施工水平掌控之下[8-10]，但導(dǎo)流隧洞施工難度大、施工期洞室垮塌的風(fēng)險(xiǎn)增加，施工期臨時支護(hù)工程量增大，且單洞運(yùn)行靈活性差，對不利條件的適應(yīng)性差，下閘風(fēng)險(xiǎn)大，也不利于向下游供水問題的解決；若布置3條導(dǎo)流隧洞，雖然施工技術(shù)有保證，但3條隧洞開挖及支護(hù)襯砌工程量大，導(dǎo)流工程投資大。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果可知，導(dǎo)流隧洞穿越地層主要為花崗巖、斜長角閃片巖和混合巖，局部有裂隙密集帶及斷層，圍巖類別主要以Ⅲ類為主，總體圍巖條件較好，宜在左岸布置2條導(dǎo)流隧洞，隧洞斷面規(guī)模適中，施工有保證。

1.1 導(dǎo)流隧洞方案

參考國內(nèi)外類似工程，左岸2條導(dǎo)流隧洞考慮高低洞[6]和同高程兩種布置形式，并擬定了不同斷面尺寸方案(見表1)，其中方案1～3為高低洞布置，大洞為低洞，小洞為高洞；方案4～6為同高程布置。在導(dǎo)流流量確定的條件下，通過隧洞泄流能力計(jì)算，確定較為合理的導(dǎo)流建筑物規(guī)模。

表1 導(dǎo)流隧洞不同斷面尺寸方案Tab.1 Different section sizes of diversion tunnel schemes

1.2 導(dǎo)流隧洞泄流能力計(jì)算

導(dǎo)流隧洞水流流態(tài)主要取決于上下游水位，當(dāng)下游水位高于洞頂，并發(fā)生淹沒水躍，此時洞內(nèi)流態(tài)為有壓流，如果下游水位較低，且為自由出流時，其洞內(nèi)水流流態(tài)可由上游臨界壅高比進(jìn)行判別。半有壓流的下限臨界壅高比為τpc=1.2，半有壓流與有壓流分界點(diǎn)的上游臨界壅高比為τfc=1.5，據(jù)此可知,當(dāng)h/d<τpc時為明流，當(dāng)τpc≤h/d<τfc時為半有壓流，當(dāng)h/d≥τfc時為有壓流，其中h為進(jìn)口底檻以上的水深[11]。

(1) 明流。導(dǎo)流隧洞的長度、底坡、進(jìn)口型式以及出口條件都直接影響導(dǎo)流隧洞明流狀態(tài)的泄流能力。自由出流條件下緩坡短管的泄流量按非淹沒寬頂堰公式計(jì)算：

(1)

(2) 半有壓流泄流能力按下式計(jì)算：

(2)

(3) 有壓流。當(dāng)?shù)灼耰沿程不變時，泄流能力計(jì)算公式

(3)

隧洞淹沒出流泄流量按下式計(jì)算

(4)

(5)

1.3 導(dǎo)流建筑物規(guī)模選擇

導(dǎo)流隧洞泄流能力計(jì)算結(jié)果見表2。分析可知,高低洞布置(過流斷面為14 m×17 m和12 m×16 m)和同高程布置(過流斷面為13 m×17 m)2種方案在初期和中期導(dǎo)流階段洞內(nèi)平均流速均在20 m/s以內(nèi)，不超過國內(nèi)導(dǎo)流工程隧洞過流經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)。但是高低洞布置時可利用低洞先截流，使高洞施工不受截流節(jié)點(diǎn)限制，有利于施工資源的投入；另外，導(dǎo)流隧洞下閘期間利用高低洞銜接向下游供水，可降低另外設(shè)置的供水通道(旁通洞、導(dǎo)流底孔)下閘水頭。因此，推薦采用高低洞布置，斷面尺寸分別為14 m×17 m和12 m×16 m，上游圍堰最大高度約50 m。

表2 不同方案下圍堰最大高度及隧洞斷面平均流速Tab.2 Maximum height of cofferdam and average velocity oftunnel section under different schemes

2 導(dǎo)流隧洞出口布置研究

工程區(qū)影響導(dǎo)流隧洞出口的地質(zhì)構(gòu)造主要有1號危巖區(qū)和3號堆積體(見圖1)。其中1號危巖區(qū)上游緊鄰大壩基坑，不適宜布置導(dǎo)流隧洞出口；下游接3號堆積體，該區(qū)域邊坡表層巖體破碎，自穩(wěn)能力差。通過比較研究，導(dǎo)流隧洞出口有布置于3號堆積體下游(方案1)和3號堆積體范圍內(nèi)(方案2)2種方案。其中，方案1中高、低導(dǎo)流隧洞的長度分別為1 446.77 m和1 313.18 m，縱坡分別為5.53‰和2.28‰；方案2中高、低導(dǎo)流隧洞的長度分別為1 204.9 m和1 078.3 m，縱坡分別為9.96‰和4.64‰。

圖1 1號危巖區(qū)和3號堆積體影像Fig.1 Image map of No.1 dangerous rock area andNo.3 deposit body

1號危巖區(qū)至3號堆積體下游邊界段邊坡高陡，卸荷強(qiáng)烈，危石、松動巖體成片分布，時有小型崩塌發(fā)生，且該段的凹槽地形使上方大范圍的危石、松動巖體崩塌向該段匯集，對下方的建筑物及人員、設(shè)備安全威脅較大。若導(dǎo)流隧洞出口布置在3號堆積體范圍內(nèi)，則需要對3號堆積體及其后緣高位自然邊坡進(jìn)行系統(tǒng)防治處理，不僅投資高，而且工期長(至少需要24個月)，不能滿足導(dǎo)流隧洞施工及工程總工期要求。

若導(dǎo)流隧洞出口移至3號堆積體下游，3號堆積體后緣高位自然邊坡防護(hù)要求可適當(dāng)降低，只需清除3號堆積體,并在2 280 m和2 350 m高程左右各設(shè)置一道攔石墻及被動防護(hù)網(wǎng)，對坡面少量極危險(xiǎn)的塊體進(jìn)行處理，即可降低高位自然邊坡的滾石對下游圍堰的施工期安全的影響，工程投資較少；同時，該方案可有效避免3號堆積體及其后緣高位邊坡對導(dǎo)流隧洞構(gòu)成安全威脅和工期影響。與導(dǎo)流隧洞出口位于3號堆積體邊坡范圍的方案相比，出口下移方案的邊坡處理費(fèi)用低，且不占用導(dǎo)流隧洞施工工期。

綜合上述各因素，為滿足導(dǎo)流隧洞工程工期，保證導(dǎo)流隧洞施工安全，及避免導(dǎo)流隧洞出口沖刷對岸，導(dǎo)流隧洞出口推薦布置于3號堆積體下游。

3 下游供水方案

旭龍水電站最小下泄流量(生態(tài)流量)為180 m3/s，導(dǎo)流隧洞下閘后，在庫水位上升至壩身中孔可泄生態(tài)流量前，利用生態(tài)供水洞向下游供水。由于導(dǎo)流隧洞是高低洞布置，繼而向下游供水方案[10]有以下3種：① 方案1，導(dǎo)流隧洞設(shè)旁通洞方案，高導(dǎo)流隧洞靠山側(cè)設(shè)4 m×5.15 m城門洞形旁通洞，進(jìn)口采用平板門控制，先按高、低導(dǎo)流隧洞順序下閘，旁通洞向下游供水，待大壩中孔滿足下游供水要求后，旁通洞洞內(nèi)弧門下閘。② 方案2，壩身設(shè)導(dǎo)流底孔方案，壩身高程855 m布置1個導(dǎo)流底孔，孔口尺寸3 m×5 m。進(jìn)口設(shè)平板門，出口設(shè)弧門。先按低、高導(dǎo)流隧洞順序下閘，導(dǎo)流底孔向下游供水，待大壩中孔滿足下游供水要求后，導(dǎo)流底孔下閘。③ 方案3，高導(dǎo)流隧洞改建供水洞方案，高導(dǎo)流隧洞中間直線段上游布置改建堵頭和弧門閘室，改建堵頭內(nèi)預(yù)留泄水孔，泄水孔出口設(shè)弧門，在泄洪中孔滿足下游供水要求后，弧門下閘關(guān)閉泄水孔。

3種方案在技術(shù)上均是可行的，均能有效解決初期蓄水期下游供水和安全下閘等問題。但對于方案2，由于旭龍水電站大壩施工進(jìn)度滿足中、后期導(dǎo)流安全度汛要求，導(dǎo)流底孔不需參與中、后期導(dǎo)流度汛，導(dǎo)流底孔使用時間短，經(jīng)濟(jì)性較差，且削弱壩體整體性、增加了施工程序，影響工程進(jìn)度，工程投資較高。至于方案3，將高導(dǎo)流隧洞改建為具有壩身“導(dǎo)流底孔”功能，采用適應(yīng)高水頭安全下閘要求的弧門控制的導(dǎo)流泄水建筑物，克服了壩身設(shè)置導(dǎo)流底孔存在的問題和不足，也能有效解決初期蓄水期下游供水和安全下閘等問題，但高導(dǎo)流隧洞改建工期長，改建后汛期低洞須單獨(dú)度汛，流量大，洞內(nèi)流速高，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。方案1中，旁通洞除洞內(nèi)弧門和啟閉設(shè)施后期調(diào)試外，其余結(jié)構(gòu)和設(shè)施均在通水前施工完畢，后期導(dǎo)流，高低洞均參與度汛，弧門安裝、調(diào)試時間短，整個導(dǎo)流過程風(fēng)險(xiǎn)可控，工程投資較方案2低。

從旭龍水電站樞紐布置、導(dǎo)流隧洞布置、水文及地形地質(zhì)條件、工程施工進(jìn)度安排、現(xiàn)場實(shí)際條件等方面綜合考慮，推薦方案1，即旁通洞供水方案。具體布置見圖2。

圖2 旭龍水電站施工導(dǎo)流布置Fig.2 Layout of diversion tunels at XulongHydropower Station

4 結(jié) 論

旭龍水電站施工導(dǎo)流具有規(guī)模大、地形地質(zhì)條件復(fù)雜、下閘后向下游供水流量大、導(dǎo)流程序復(fù)雜等諸多難點(diǎn)，本文通過對旭龍水電站導(dǎo)流建筑物規(guī)模、導(dǎo)流隧洞出口布置以及下游供水等方面內(nèi)容的研究，基本解決了主要技術(shù)問題，選定了導(dǎo)流方案及各項(xiàng)技術(shù)措施，結(jié)論如下。

(1) 根據(jù)工程特點(diǎn)、地形地質(zhì)及水文條件，旭龍水電站推薦采用全年圍堰一次性攔斷河床、導(dǎo)流隧洞泄流的導(dǎo)流方式。

(2) 經(jīng)方案比選，推薦在金沙江左岸按高低洞布置2條導(dǎo)流隧洞，過水?dāng)嗝娣謩e為14 m×17 m和12 m×16 m，出口布置在3號堆積體下游；上游全年擋水圍堰最大堰高為50 m，下游圍堰推薦布置于電站尾水出口下游。

(3) 導(dǎo)流隧洞下閘后，由生態(tài)供水洞(旁通洞)向下游供水，直至水位上升至中孔滿足下泄生態(tài)流量要求。