金沙江旭龙水电站施工导流关键问题研究

(1.国电金沙江旭龙(奔子栏)水电开发有限公司，四川 成都 610041； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

金沙江上游旭龙水电站为Ⅰ等大(一)型工程，位于云南省德钦县与四川省得荣县交界的金沙江干流上游河段，下游距奔子栏镇72.8 km，上游距昌波坝址75.5 km。坝址控制流域面积18.95万km2，多年平均流量990 m3/s，多年平均径流量313亿m3。挡水建筑物为混凝土双曲拱坝，坝顶高程2 308 m，最大坝高213 m，坝身设3个表孔和4个中孔泄洪；引水发电建筑物布置在右岸，地下电站装机容量为2 250 MW，正常蓄水位为2 302 m，死水位2 297 m。坝址两岸岸坡陡峻，为典型的“V”型峡谷地形，不具备开挖形成明渠导流的条件，无法采用分期导流。两岸山体雄厚，岩石地质条件适宜修建大型地下洞室，同时由于旭龙水电站为双曲薄拱坝，坝体较高，技术复杂，对施工要求高、工期长，汛期坝体过水对坝体结构存在不利影响，不宜采用过水围堰方案。经多方比选,旭龙水电站采用河床一次性拦断、围堰全年挡水、导流隧洞泄流的导流方式。

旭龙水电站大坝、泄洪和引水发电等建筑物级别为1级，根据规范[1]并综合各方面因素，确定上、下游围堰及导流隧洞为4级建筑物。初期导流设计洪水标准采用20 a一遇洪水[2]，相应最大瞬时流量为6 420 m3/s；中期导流为坝体浇筑高程超过上游土石围堰堰顶高程后至导流隧洞下闸封堵完成的时段，此阶段坝体临时度汛标准为100 a一遇洪水，相应最大瞬时流量7 930 m3/s；后期导流为导流隧洞下闸封堵至坝体浇筑到顶的时段，此时坝体度汛设计洪水标准为200 a一遇(8 560 m3/s)，校核洪水标准为500 a一遇(9 370 m3/s)。

旭龙水电站施工导流主要存在以下难题:① 导流流量较大，导流隧洞断面尺寸及围堰规模组合较多；② 地形地质条件复杂，尤其是导流隧洞出口与堆积体关系密切，需论证出口位置；③ 导流隧洞下闸后向下游供水流量大，导流程序复杂。施工导流直接关系到工程的施工程序、施工总布置以及施工安全性，且对枢纽建筑物布置、工程投资和总工期的影响较大，是影响工程全局的重要问题之一[3-5]。本文通过对旭龙水电站导流建筑物规模、导流隧洞出口布置以及下游供水等关键问题开展研究，选定了导流方案及各项技术措施，妥善解决了从初期到后期导流设计全过程中挡水、泄水及生态供水等问题，为确保枢纽工程建设顺利进行奠定了基础。

1 导流建筑物规模研究

围堰和导流隧洞的规模相互影响，需综合考虑地形地质条件、导流隧洞泄流条件及围堰施工进度等综合确定。结合旭龙水电站布置条件，若布置1条导流隧洞，围堰在60 m左右高度时[6-8]，导流隧洞的断面尺寸达到18 m×20 m，虽仍在国内施工水平掌控之下[8-10]，但导流隧洞施工难度大、施工期洞室垮塌的风险增加，施工期临时支护工程量增大，且单洞运行灵活性差，对不利条件的适应性差，下闸风险大，也不利于向下游供水问题的解决；若布置3条导流隧洞，虽然施工技术有保证，但3条隧洞开挖及支护衬砌工程量大，导流工程投资大。根据地质勘察结果可知，导流隧洞穿越地层主要为花岗岩、斜长角闪片岩和混合岩，局部有裂隙密集带及断层，围岩类别主要以Ⅲ类为主，总体围岩条件较好，宜在左岸布置2条导流隧洞，隧洞断面规模适中，施工有保证。

1.1 导流隧洞方案

参考国内外类似工程，左岸2条导流隧洞考虑高低洞[6]和同高程两种布置形式，并拟定了不同断面尺寸方案(见表1)，其中方案1～3为高低洞布置，大洞为低洞，小洞为高洞；方案4～6为同高程布置。在导流流量确定的条件下，通过隧洞泄流能力计算，确定较为合理的导流建筑物规模。

表1 导流隧洞不同断面尺寸方案Tab.1 Different section sizes of diversion tunnel schemes

1.2 导流隧洞泄流能力计算

导流隧洞水流流态主要取决于上下游水位，当下游水位高于洞顶，并发生淹没水跃，此时洞内流态为有压流，如果下游水位较低，且为自由出流时，其洞内水流流态可由上游临界壅高比进行判别。半有压流的下限临界壅高比为τpc=1.2，半有压流与有压流分界点的上游临界壅高比为τfc=1.5，据此可知,当h/d<τpc时为明流，当τpc≤h/d<τfc时为半有压流，当h/d≥τfc时为有压流，其中h为进口底槛以上的水深[11]。

(1) 明流。导流隧洞的长度、底坡、进口型式以及出口条件都直接影响导流隧洞明流状态的泄流能力。自由出流条件下缓坡短管的泄流量按非淹没宽顶堰公式计算：

(1)

(2) 半有压流泄流能力按下式计算：

(2)

(3) 有压流。当底坡i沿程不变时，泄流能力计算公式

(3)

隧洞淹没出流泄流量按下式计算

(4)

(5)

1.3 导流建筑物规模选择

导流隧洞泄流能力计算结果见表2。分析可知,高低洞布置(过流断面为14 m×17 m和12 m×16 m)和同高程布置(过流断面为13 m×17 m)2种方案在初期和中期导流阶段洞内平均流速均在20 m/s以内，不超过国内导流工程隧洞过流经验指标。但是高低洞布置时可利用低洞先截流，使高洞施工不受截流节点限制，有利于施工资源的投入；另外，导流隧洞下闸期间利用高低洞衔接向下游供水，可降低另外设置的供水通道(旁通洞、导流底孔)下闸水头。因此，推荐采用高低洞布置，断面尺寸分别为14 m×17 m和12 m×16 m，上游围堰最大高度约50 m。

表2 不同方案下围堰最大高度及隧洞断面平均流速Tab.2 Maximum height of cofferdam and average velocity oftunnel section under different schemes

2 导流隧洞出口布置研究

工程区影响导流隧洞出口的地质构造主要有1号危岩区和3号堆积体(见图1)。其中1号危岩区上游紧邻大坝基坑，不适宜布置导流隧洞出口；下游接3号堆积体，该区域边坡表层岩体破碎，自稳能力差。通过比较研究，导流隧洞出口有布置于3号堆积体下游(方案1)和3号堆积体范围内(方案2)2种方案。其中，方案1中高、低导流隧洞的长度分别为1 446.77 m和1 313.18 m，纵坡分别为5.53‰和2.28‰；方案2中高、低导流隧洞的长度分别为1 204.9 m和1 078.3 m，纵坡分别为9.96‰和4.64‰。

图1 1号危岩区和3号堆积体影像Fig.1 Image map of No.1 dangerous rock area andNo.3 deposit body

1号危岩区至3号堆积体下游边界段边坡高陡，卸荷强烈，危石、松动岩体成片分布，时有小型崩塌发生，且该段的凹槽地形使上方大范围的危石、松动岩体崩塌向该段汇集，对下方的建筑物及人员、设备安全威胁较大。若导流隧洞出口布置在3号堆积体范围内，则需要对3号堆积体及其后缘高位自然边坡进行系统防治处理，不仅投资高，而且工期长(至少需要24个月)，不能满足导流隧洞施工及工程总工期要求。

若导流隧洞出口移至3号堆积体下游，3号堆积体后缘高位自然边坡防护要求可适当降低，只需清除3号堆积体,并在2 280 m和2 350 m高程左右各设置一道拦石墙及被动防护网，对坡面少量极危险的块体进行处理，即可降低高位自然边坡的滚石对下游围堰的施工期安全的影响，工程投资较少；同时，该方案可有效避免3号堆积体及其后缘高位边坡对导流隧洞构成安全威胁和工期影响。与导流隧洞出口位于3号堆积体边坡范围的方案相比，出口下移方案的边坡处理费用低，且不占用导流隧洞施工工期。

综合上述各因素，为满足导流隧洞工程工期，保证导流隧洞施工安全，及避免导流隧洞出口冲刷对岸，导流隧洞出口推荐布置于3号堆积体下游。

3 下游供水方案

旭龙水电站最小下泄流量(生态流量)为180 m3/s，导流隧洞下闸后，在库水位上升至坝身中孔可泄生态流量前，利用生态供水洞向下游供水。由于导流隧洞是高低洞布置，继而向下游供水方案[10]有以下3种：① 方案1，导流隧洞设旁通洞方案，高导流隧洞靠山侧设4 m×5.15 m城门洞形旁通洞，进口采用平板门控制，先按高、低导流隧洞顺序下闸，旁通洞向下游供水，待大坝中孔满足下游供水要求后，旁通洞洞内弧门下闸。② 方案2，坝身设导流底孔方案，坝身高程855 m布置1个导流底孔，孔口尺寸3 m×5 m。进口设平板门，出口设弧门。先按低、高导流隧洞顺序下闸，导流底孔向下游供水，待大坝中孔满足下游供水要求后，导流底孔下闸。③ 方案3，高导流隧洞改建供水洞方案，高导流隧洞中间直线段上游布置改建堵头和弧门闸室，改建堵头内预留泄水孔，泄水孔出口设弧门，在泄洪中孔满足下游供水要求后，弧门下闸关闭泄水孔。

3种方案在技术上均是可行的，均能有效解决初期蓄水期下游供水和安全下闸等问题。但对于方案2，由于旭龙水电站大坝施工进度满足中、后期导流安全度汛要求，导流底孔不需参与中、后期导流度汛，导流底孔使用时间短，经济性较差，且削弱坝体整体性、增加了施工程序，影响工程进度，工程投资较高。至于方案3，将高导流隧洞改建为具有坝身“导流底孔”功能，采用适应高水头安全下闸要求的弧门控制的导流泄水建筑物，克服了坝身设置导流底孔存在的问题和不足，也能有效解决初期蓄水期下游供水和安全下闸等问题，但高导流隧洞改建工期长，改建后汛期低洞须单独度汛，流量大，洞内流速高，存在一定风险。方案1中，旁通洞除洞内弧门和启闭设施后期调试外，其余结构和设施均在通水前施工完毕，后期导流，高低洞均参与度汛，弧门安装、调试时间短，整个导流过程风险可控，工程投资较方案2低。

从旭龙水电站枢纽布置、导流隧洞布置、水文及地形地质条件、工程施工进度安排、现场实际条件等方面综合考虑，推荐方案1，即旁通洞供水方案。具体布置见图2。

图2 旭龙水电站施工导流布置Fig.2 Layout of diversion tunels at XulongHydropower Station

4 结 论

旭龙水电站施工导流具有规模大、地形地质条件复杂、下闸后向下游供水流量大、导流程序复杂等诸多难点，本文通过对旭龙水电站导流建筑物规模、导流隧洞出口布置以及下游供水等方面内容的研究，基本解决了主要技术问题，选定了导流方案及各项技术措施，结论如下。

(1) 根据工程特点、地形地质及水文条件，旭龙水电站推荐采用全年围堰一次性拦断河床、导流隧洞泄流的导流方式。

(2) 经方案比选，推荐在金沙江左岸按高低洞布置2条导流隧洞，过水断面分别为14 m×17 m和12 m×16 m，出口布置在3号堆积体下游；上游全年挡水围堰最大堰高为50 m，下游围堰推荐布置于电站尾水出口下游。

(3) 导流隧洞下闸后，由生态供水洞(旁通洞)向下游供水，直至水位上升至中孔满足下泄生态流量要求。