西藏某水电站导流隧洞设计

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(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州，311122)

1 工程概况

西藏某水电站为二等大(2)型工程，开发任务为发电，电站装机容量为660MW，采用坝式开发，电站枢纽建筑物主要由挡水建筑物、泄洪消能建筑物、引水发电系统及升压站等组成。其中，拦河坝采用碾压混凝土重力坝；泄洪建筑物包括在坝身布置的5孔溢流表孔和1孔泄洪冲沙底孔，表孔及底孔分别采用联合戽流消能和挑流消能；引水建筑物由坝式进水口和压力管道组成；发电厂房采用坝后式布置，共安装4台单机容量165MW的混流式水轮发电机组。

电站采用一次断流围堰、隧洞过流、基坑全年施工的导流方式。初期导流阶段，由上、下游围堰挡水，两条导流隧洞泄流，导流设计标准为全年20年一遇洪水，流量8840m3/s；中后期导流阶段，由坝体临时度汛断面挡水，导流隧洞结合泄洪冲沙底孔泄流，坝体临时度汛标准为全年50年一遇洪水，流量10300m3/s。导流建筑物主要包括两条导流隧洞和上下游围堰。

2 水文气象条件

本工程河流洪水主要由暴雨形成，洪枯流量相差悬殊，6月至10月为汛期，11月至次年5月为枯水期。

工程区位于青藏高原气候区，基本特性为气温低、温差大、空气稀薄、大气干燥、太阳辐射异常强烈，气候特性复杂多样。以位于藏中地区的某气象站1978年～2009年实测资料为例，多年平均气温9.3℃，最冷月平均气温为0.3℃(1月)，极端最高、最低气温分别为32.5℃和-16.6℃。

3 地质条件

3.1 进口边坡

导流隧洞进口为岩质边坡，岩性为弱风化黑云母花岗闪长岩，岩质坚硬，边坡岩体无较大规模的构造破碎带，共发育两条Ⅳ级结构面，同产状节理发育3组，岩体结构以次块状为主，整体稳定性较好，局部不利结构面组合部位稳定性较差。

3.2 洞身段

洞身段岩性以黑云母花岗闪长岩为主，下游洞身段局部夹条带状黑云母角闪石英闪长岩，弱风化～微风化为主，断层带内岩体为强风化。围岩类别主要以Ⅲ类为主，Ⅳ类次之，局部为Ⅱ类，岩体质量总体中等。

导流隧洞主要发育三条Ⅱ级结构面F1、F2、F5和f35、f41、f44、f45等小规模断层。断层与洞轴线夹角均较小，虽然设计时在洞身走向上进行了调整，尽量增大洞轴线与断层的夹角，但断层仍影响较长洞身段，断层带内由碎块岩、碎裂岩、岩屑及断层泥组成。

3.3 出口边坡

出口边坡岩体以弱风化为主，浅表多为强卸荷，裂隙张开，局部夹岩屑。1#导流隧洞出口边坡有F1、F2断层通过，受其影响边坡岩体较破碎；2#导流隧洞出口边坡节理发育，岩体完整性差。边坡上部有f35、f43断层发育，卸荷裂隙及构造节理发育，有不利结构面组合。断层为陡倾结构面，边坡岩体结构面较发育，岩体强卸荷，岩体较破碎，边坡整体稳定性较好，局部不利结构面组合部位稳定性差。

4 导流隧洞布置

4.1 洞线比较

本工程坝址两岸均具备布置导流隧洞的条件。左岸岩体风化程度、断层及节理裂隙发育程度大于右岸，地质条件右岸较优；但坝址左岸有新S306省道通过，而右岸无现有交通，进场条件左岸较优。

若2条导流隧洞均布置在右岸，受跨江交通桥及右岸沿江道路施工制约，导流隧洞承包人进点时间将延长半年以上，且受厂房半窑洞式安装间、右下沟等制约，洞线长度比2条导流隧洞均布置在左岸方案长约350m，经济性差。因此，需至少有1条导流隧洞布置在左岸。

通过对左岸布置2条导流隧洞方案和左、右岸各布置1条导流隧洞方案进行综合比选。两方案在泄流能力、可比投资方面差别较小，全左方案施工条件较好，导流隧洞工程施工工期较短；一左一右方案地质条件较好。考虑项目业主和地方上对工程建设的迫切需求；F1、F2、F5等断层及影响范围通过加强初期支护、优化施工方案，有条件使洞室围岩保持稳定。因此，采用左岸布置2条导流隧洞方案。

4.2 隧洞断面型式选择

导流隧洞常用的断面型式有城门洞型、马蹄型和圆形，城门洞型断面施工条件较好，施工工期较短，有利于降低截流难度，但受力条件较差；圆型断面施工条较差，施工工期较长，但受力条件较好；马蹄型断面介于两者之间；3种断面型式各有优缺点。

导流隧洞断面型式的选取主要从安全、经济和施工进度等方面进行综合比较，从目前国内已施工的工程情况看，采用城门洞断面的较多，如二滩、大朝山、公伯峡、小湾、金安桥、苗尾等大型水电站工程，部分地质条件较差的工程也有采用圆型断面和马蹄型断面的，如小浪底、百色、水布垭、构皮滩等大型水电站工程。

近年来开工建设的导流隧洞工程已较少采用圆型断面和马蹄型断面，锦屏二级、糯扎渡及苗尾水电站工程导流隧洞断面尺寸大，沿线地质条件较差，亦采用城门洞型。本工程导流隧洞地质条件总体较好，为有利于施工，并降低截流难度，采用城门洞型断面。

4.3 隧洞尺寸选择

根据类似工程经验，为降低工程投资，加快施工进度，宜尽可能减小导流隧洞洞径；但导流隧洞洞径也不能无限度的减小，必须保证上游围堰在一个枯水期内施工完成。

根据上述原则，拟定了14.0m×17.0m(宽×高)、15.0m×17.0m(宽×高)、15.0m×18.0m(宽×高)、16.0m×18.0m(宽×高)4个城门洞型方案进行比选，相应上游围堰高度分别为66.0m、60.0m、55.5m、51.0m。

综合导流隧洞水力学条件、上游围堰布置、导流隧洞施工难度、可比投资等方面进行分析比较，方案一上游围堰高度较高、填筑强度较大，满足截流后第2年度汛难度较大，且围堰受地形限制，布置较为局促；方案三、方案四导流隧洞断面较大，工程投资较大；方案二上游围堰填筑强度适中，围堰布置条件较好，且导流隧洞断面相对较小，工程投资相对较省，最终选择方案二，即两条导流隧洞洞径均为15.0m×17.0m(宽×高)。

4.4 隧洞布置结论

综上，2条导流隧洞布置在左岸，平面上呈双弯段布置，中心线间距约60.0m，隧洞断面采用城门洞型式，衬砌后断面尺寸为15m×17m(宽×高)。1#导流隧洞长908.67m，2#导流隧洞长1110.18m。

表1导流隧洞特性

5 导流隧洞结构设计

5.1 进出口开挖支护设计

导流隧洞进出口地形较陡，其中进口边坡上部分布有较大规模崩坡积体。为尽可能减少边坡开挖对崩坡积体的扰动并控制开挖坡高，进出口边坡开挖及支护采取“早进洞，强支护，先锚后挖”的原则。

2条导流隧洞进口为整体开挖，边坡最大开挖高度为70m，共设3级马道，马道宽2.0m。

2条导流隧洞出口也为整体开挖，边坡最大开挖高度为45m，共设2级马道，马道宽2.0m。

根据导流隧洞进出口的地质条件，采用的开挖及支护原则如下：

(1)开挖原则：弱风化岩体开挖坡比为1∶0.1～1∶0.3，强风化岩体开挖坡比为1∶0.5，覆盖层开挖坡比为1∶1.0。

(2)支护原则：岩质边坡采用锚索+锚喷支护，对断层影响区加密加深锚索；土质边坡以挂网喷为主；进洞锁口支护采用锁口锚筋桩；全坡面设置排水孔。

5.2 洞身开挖支护设计

导流隧洞地质条件复杂、断面尺寸大、运行流态复杂、外水压力高，为确保施工期及运行期安全，初期支护采用锚喷支护，永久支护采用钢筋混凝土衬砌。

初期支护形式按工程类比法拟定：

(1)Ⅱ类围岩洞段：系统喷锚，C25喷混凝土厚15cm；φ22/φ25系统砂浆锚杆，间距2.0m×2.0m，长度3.0m/4.5m；

(2)Ⅲ类围岩洞段：系统喷锚，C25喷混凝土厚15cm；φ25/φ28系统砂浆锚杆，间距2.0m×2.0m，长度4.5m/6.0m；

(3)Ⅳ类围岩洞段：超前锚杆+系统锚杆+挂网喷混凝土+钢拱架，顶拱120°范围内布置φ28、L=6m的超前锚杆；挂网喷混凝土厚15cm；φ28系统砂浆锚杆，间距1.5m×1.5m，L=6.0m；I20钢拱架，间距1.0m；

(4)Ⅴ类围岩洞段：超前锚杆+系统锚杆+挂网喷混凝土+钢拱架，顶拱120°范围内布置φ28，L=6m的超前锚杆；挂网喷混凝土厚15cm；顶拱布置φ28/φ32系统砂浆锚杆，间距1.5m×1.5m，L=6.0m/9.0m间隔布置；I20钢拱架，间距0.5m；边墙布置φ28系统砂浆锚杆/3φ28锚筋桩，间距1.5m×1.5m，L=6.0m/9.0m间隔布置。

5.3 洞身衬砌设计

二次支护采用混凝土衬砌，衬砌厚度及配筋按边值数值解法计算确定，计算工况主要分为施工期、运行期、封堵期三种工况，另外根据控泄工况(导流隧洞下闸蓄水后，封堵期间，水库能降低到的最低水位)对衬砌厚度进行复核。采用《水工隧洞钢筋混凝土衬砌计算机辅助设计系统SDCAD4.0》，计算成果如下：

(1)进口段及渐变段(1#导0-020m～1#导0+036m、2#导0-017m～2#导0+036m)：钢筋混凝土衬砌厚度为2.5m；

(2)过渡段及出口段(1#导0+036m～1#导0+108m、2#导0+036m～2#导0+108m)：钢筋混凝土衬砌厚度为1.5m；

(3)普通段(1#导0+108m～1#导0+908.67m、2#导0+108m～2#导1+110.18m)：钢筋混凝土衬砌厚度为0.8m(Ⅱ～Ⅳ类围岩)/1.2m(Ⅴ类围岩)。

5.4 洞身灌浆设计

5.4.1 回填灌浆

导流隧洞顶拱120°范围内进行回填灌浆，回填灌浆在衬砌混凝土达到70%设计强度后进行，灌浆压力0.3MPa，孔距和排距约为3.0m，灌浆孔深入围岩0.1m。

5.4.2 固结灌浆

为提高围岩的受力和防渗性能，对导流隧洞进出口段、堵头段及部分洞身段进行固结灌浆。

1#导流隧洞灌浆范围为1#导0+000.00m～0+108.00m，1#导0+108.00m～0+383.19mⅣ类及Ⅴ类围岩段，堵头段，1#导0+848.67m～0+884.67m段；2#导流隧洞灌浆范围为2#导0+000.00m～0+108.00m，2#导0+108.00m～0+490.54mⅣ类围岩段，堵头段，2#导1+062.18m～1+098.18m段。

固结灌浆在该部位回填灌浆结束7d后进行，灌浆压力为0.6MPa～1.2MPa，孔距和排距约为3.0m，灌浆孔深入围岩5.0m/10.0m(进出口36m段、堵头段及Ⅴ类围岩段深入围岩

10.0m，其余洞段深入围岩5.0m)。

5.5 封堵设计

导流隧洞堵头为永久挡水建筑物，与大坝具有同等的重要性。堵头按500年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核。

导流隧洞堵头采用楔形体结构型式，长36.0m，廊道长24.0m，廊道为城门洞型，顶拱中心角180°，2.5m×3.0m(宽×高)。为方便堵头施工，缩短堵头段施工工期，降低造价，采用预留体形方案，即隧洞施工时在堵头位置的隧洞断面按堵头的外形尺寸开挖、衬砌和过水，后期对堵头段衬砌表面凿毛至粗骨料后浇筑堵头混凝土。考虑施工进度和温控要求，堵头分两段施工。堵头段围岩均进行固结灌浆，堵头拱顶进行回填灌浆，堵头边顶拱及分缝间接触面均进行接缝灌浆。

6 施工过程中的动态设计

导流隧洞施工期间，设计工作一直紧随工程进展，通过对埋设的监测仪器的反馈数据分析、地质工作跟踪观测预报，及时调整设计参数，真正做到动态设计、信息化施工，既保证了施工期的安全，也为加快施工进度、降低工程投资提供了有力的支持。

7 结语

本工程导流隧洞为西藏地区已建成的最大规模导流隧洞，目前，已投入运行。通过进、出口边坡和洞身的监测数据分析，各部位围岩稳定情况、混凝土结构受力情况良好；实际过流情况下，通过对各流量下上游水位与计算值对比，实际泄流能力略高于计算值；导流隧洞出口实际流速、流态与模型试验对比，基本吻合。