夹岩水利枢纽工程施工导流隧洞设计

2020-10-20文志颖张晨

水利水电快报 2020年9期

文志颖张晨

摘要：夹岩水利枢纽工程采用一次拦断河床、围堰全年挡水、导流隧洞泄流的导流方案。针对导流隧洞运行时间长、水位变幅大、成洞地质条件复杂等特点，将其布置在河流左岸。首次在贵州山区洪水陡涨陡落的山区性河流采用全年导流方案、有压流设计工况。根据施工期、运行期、封堵期分部分段计算衬砌结构设计最不利工况，对临时导流隧洞设计思路和施工提出了更高要求。导流隧洞3 a运行情况表明，其设计合理，可供同类工程借鉴和参考。

关键词：导流隧洞;衬砌结构;全年导流;夹岩水利枢纽工程;贵州省

中图法分类号：TV551.12文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.09.007

Abstract： During the construction of the Jiayan Hydro-complex Project， river was closed at one time， water was retained by cofferdam throughout the year， and river flow was released by diversion tunnel. Its diversion tunnel has the typical characteristics of long service life， large variations in water levels， complex geological conditions， thus it is arranged on the left river bank. Year-round diversion plan with pressure flow design were firstly adopted for mountainous rivers with flood fast rising and falling in Guizhou Province. Most unfavorable working condition in construction period， operation period and blockage period were considered to calculate lining structure according to different tunnel sections and positions， thus higher requirements were put forward for the design and construction of the diversion tunnel. The diversion tunnel has operated for three years， and its design proves to be reasonable and can provide reference for other similar projects.

Key words： diversion tunnel; tunnel lining structure; year-round diversion; Jiayan Hydro- complex Project; Guizhou Province

1 工程概况

贵州省夹岩水利枢纽工程（以下简称“夹岩工程”）位于长江流域乌江支流六冲河七星关区与纳雍县界河段，主要建筑物由混凝土面板堆石坝、溢洪道、泄洪洞、放空洞、壩后发电系统和伏流泄洪洞等组成。工程的任务以供水和灌溉为主，兼顾发电，并为区域扶贫开发及改善生态环境创造条件。夹岩工程属Ⅰ等大（1）型工程，水源枢纽工程水库校核洪水位1 326.01 m，正常蓄水位1 323.0 m，坝顶高程1 328.0 m，总库容13.23亿m3，电站总装机容量90 MW。大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶防浪墙顶高程1 329.0 m，坝顶高程1 328.0 m，最大坝高154.0 m[1]。

2 导流隧洞平面布置

2.1 平面布置

夹岩工程坝址处两岸山体雄厚，具备布置导流隧洞的条件。从地形上看，左右岸均分布有冲沟。左岸冲沟为潘家岩脚大沟，与六冲河交汇处距离大坝河床部位开挖线以上约30 m;右岸冲沟为陈家大沟，与六冲河交汇处位于坝脚。无论导流洞布置在左岸或右岸均会不同程度受到冲沟影响。若布置于右岸，潘家岩脚大沟的汇水流量较大，进入大坝施工基坑需增加基坑的抽排水费用或增设潘家岩脚大沟汇水导流措施。目前场内现有交通和导流洞均布置于河床左岸，有利于导流洞提前开工建设和减少至导流洞各工作部位的施工临时道路。结合场内交通和地质地形条件，导流隧洞宜布置于河床左岸（见图1）。

2.2 地质条件

（1）地形地貌。工程区位于峡谷出口下游800 m处河段，河流流向S43°E，两岸冲沟发育，左岸自上而下分布有潘家岩脚冲沟、1号冲沟、2号冲沟、3号冲沟、胡家屋基冲沟和水文站冲沟;右岸分布有法拉冲沟、4号冲沟、5号冲沟、6号冲沟和陈家大沟。河谷为典型横向V型谷，河床高程 1 208～1 212 m，宽 60～75 m。左岸山顶高程 1 527.6 m，右岸山顶高程 1 645.6 m，相对高差 320～440 m。左岸地形坡度38°，右岸为复式坡，1 500 m以下地形坡度35°～42°，1 500 m以上为陡壁，陡壁高60～80 m。猴场-田坝县级柏油公路从左岸高程1 243～1 249 m通过，坝址岩层倾向上游，倾角20°～31°，属横向河谷[1]。

（2）地层岩性。工程区出露基岩地层为下三迭统下统飞仙关组及永定镇组第一段底部。峡谷出口-潘家岩脚冲沟之间两岸斜坡分布崩塌堆积层;潘家岩脚冲沟下游两斜坡零星分布第四系残坡积层;河床及漫滩分布有第四系冲洪积层。

（3）导流洞地质条件。导流隧洞埋深10～127 m，围岩分别为：①永宁镇组第一段（T1yn1-1）中厚层灰岩夹泥质灰岩;②永宁镇组第一段（T1yn）中厚层灰岩夹泥质灰岩及飞仙关组第二段第四层（T1f2-4）紫红色薄至中厚层泥质粉砂岩与粉砂质泥岩互层;③飞仙关组第二段第四层（T1f2-4）紫红色薄至中厚层泥质粉砂岩与粉砂质泥岩互层;④飞仙关组第二段第四层（T1f2-4）紫红色薄至中厚层泥质粉砂岩与粉砂质泥岩互层，在0+624处发育f4断层，断层产状为NE62° /SE∠65°，属压性断层，延伸长3.5 km左右，断距约4～8 m，破碎带宽0.5～2.0 m，影响带宽7 m左右;⑤飞仙关组第二段第三层第三亚层（T1f2-3-3）紫红色薄至中厚层泥质粉砂岩;紫红色薄至中厚层泥质粉砂岩，（T1f2-3-2）灰色中厚层细砂岩，（T1f2-3-1）紫红色薄至中厚层泥质粉砂岩夹中厚层灰色细砂岩，（T1f2-2）紫红色薄至中厚层泥质粉砂岩与薄至中厚层灰色细砂岩。

（4）物理力学参数。根据围岩强度、岩体结构及完整性特点，坝区隧洞各类围岩主要物理力学参数建议值见表1。

3 导流隧洞断面设计

3.1 断面型式选择

导流隧洞断面型式与其穿越的地质条件、施工因素、运行条件和工期密切相关。夹岩工程导流隧洞穿越的主要岩层为飞仙关组泥质粉砂岩，同时考虑施工与导流要求，选择采用城门洞型断面。

3.2 断面洞径比选

结合枢纽建筑物布置和地形条件，为减小导流洞建筑物工程量，减少导流工程投资，对导流隧洞不同洞径及对应工程投资进行了比选（见表2）。根据工程确定的全年施工导流方案，相应洪峰流量为1 570 m3/s，对导流洞洞身断面尺寸分别为6.0 m×8.0 m（方案1）、6.5 m×8.5 m（方案2）、7.0 m×9.0 m（方案3）、7.5 m×9.5 m（方案4）和8.0 m×10.0 m（方案5）进行综合比选。

根据不同导流洞断面尺寸及上游围堰工程量、投资比较可以看出，由于导流洞洞线较长，导流洞投资占比较大。在一定范围内导流洞洞径越小、围堰越高，其导流建筑物的投资就越小。

当导流洞洞身断面尺寸为6.0 m×8.0 m时，对应的围堰最大高度为44.5 m，围堰的填筑量为48.23万m3，填筑规模较大。虽然该导流方案并非投资最优方案，但综合考虑围堰的施工时段和大坝临时度汛断面高程风险，建议导流洞洞径采用断面尺寸6.0 m×8.0 m，中心角120°。

3.3 导流隧洞组成

导流隧洞由进口引渠段、洞身段、明洞段、闸井段、洞身段和出口明渠段组成，导流隧洞典型断面见图2。

（1）导流洞进口底板高程1 217.0 m，进口引渠为梯形断面，底宽7.0 m，岩石开挖边坡1：0.5，表层覆盖层开挖边坡1∶1.2，每10 m高设一层马道。

（2）导流洞洞身长1 440.12 m，城门洞型，纵坡为0.45 %，为有压流隧洞。

（3）导流洞出口明渠座落在岩基上，出口底板高程1 210.00 m，长38.92 m。

（4）进口引渠为梯形断面，底宽7.2 m，岩石开挖边坡1∶0.5，表层覆盖层开挖边坡1∶1.2，每10 m高设一层马道。

3.4 导流方案选定

贵州高原地区河流属山区性雨源型河流，洪水均由暴雨形成。河道一般较陡，汇流集中，因而洪水具有洪峰陡峻、洪量集中、上涨历时较短、洪水陡涨陡落等山區性河流特点。贵州已建大型水电站或枢纽工程，如洪家渡、引子渡、索风营、乌江渡、构皮滩、天生桥一级、天生桥二级、马马崖、董箐水电站及黔中水利枢纽等项目均采用枯水期导流方案。

若夹岩工程采用枯水期导流方案，导流隧洞进口潘家岩脚堆积体在施工期存在滑动可能，因此，采取压坡+减载的处理方案。压坡体沿堆积体下部河床布置，方量达30万m3，束窄河床近2/3。该治理方案束窄河床后将导致导流洞进口水力条件变差，上游围堰迎水面需采取抗冲防护措施，度汛时一旦压坡体失稳可能导致大量堆积物堵塞导流洞，造成严重后果。同时压坡体施工与导流洞等前期工程基本同步施工，施工干扰大。为此，结合堆积体治理、工程弃渣场布置及规模、占地等因素，提出全年导流方案。该方案采用长隧洞布置方式，隧洞穿过潘家岩堆积体下部完整基岩，在导流洞进口与大坝之间布置全年挡水高围堰，围堰同时也兼作弃渣场，可减小下游右岸陈家大沟弃渣场占地及水保防护规模。

鉴于夹岩工程布置的特殊性，为了减少导流隧洞规模，首次提出初期全年洪水的导流方案，同时采用有压流的设计工况。

3.5 导流隧洞水力学计算

导流洞洞身段设计为有压洞，城门洞型，长1 440.12 m，纵坡0.45%，底宽6.0 m，直墙高6.268 m，拱高为1.732 m，圆心角120°。根据导流洞的地质条件，隧洞设计采用全断面C20钢筋混凝土衬砌。

经水力学计算，导流洞流量系数为0.487，最大下泄流量为562.9 m3/s，堰前最高水位为1 251.13 m，设计工况下导流洞洞身最大流速为12 m/s。导流度汛特性见表3。

据南京水利科学研究院所做的模型试验表明：导流洞试验测得初期导流水位1 251.13 m，导流洞下泄流量为569.53 m3/s，较设计值（569.00 m3/s）略大。在库水位1 235.20～1 264.17 m满管流区间，[μ]=0.49～0.50。设计计算成果与水工模型试验成果基本一致。

3.6 分段衬砌结构设计

依据SL 279-2016《水工隧洞设计规范》[3]进行结构计算，计算内力组合分为施工期、运行期和封堵期。

（1）施工期：自重+山岩压力+灌浆压力+外水压力。

（2）运行期：自重+内水压力+外水压力+山岩压力。

（3）封堵期：自重+外水压力+山岩压力。

（4）导流洞按临时4级建筑物计算[4]。

隧洞由钢筋混凝土衬砌，采用 “北京理正隧道衬砌计算软件”进行结构及配筋计算，最大裂缝宽度允许值采用0.4 mm。

以闸井后1.0 m衬砌段为例：①施工期。外水水头为6.35 m，洞内无水。②运行期。外水水头为6.35 m，经水力学计算洞内水头为20.29 m。③封堵期。经调洪演算下闸封堵期外水水头为53.04 m，洞内无水。经隧道衬砌计算软件结构及配筋计算，最不利工况为封堵期。结构计算最不利工况及计算结果详见表4～6。

4 封堵闸井及金属结构

闸井布置于导流洞中部，采用岸塔式;闸井设封堵钢闸门一道，尺寸6.0 m×8.0 m;閘井底板高程1 214.0 m，闸井检修平台高程1 226.0 m，闸井顶高1 245.0 m，满足导流度汛高程要求，闸井段长12.5 m。

封堵闸门底槛高程为1 214.00 m，启闭机平台高程为1 242.50 m，闸门检修平台高程为1 228.50 m，闸门的孔口尺寸为6 m×8 m（宽×高）。封堵时动水下闸的最大闭门水位不超过1 224.0 m，动水下闸的最大闭门水头不超过10.0 m，下闸后最高挡水水位考虑为1 286.0 m，最高挡水水头为72.0 m。考虑下闸封堵启门调整时的水位涌高，最大动水启门水位考虑不超过1 234.0 m，最大动水启门水头不超过20.0 m。

导流洞封堵闸门型式为潜孔式平面滑动钢闸门，门体主材选用Q345B低合金钢，门体重72.109 t。因封堵闸门孔口尺寸较大，闸门门槽采用水力学条件较好的II型门槽，埋件主材选用Q345B碳素结构钢，埋件重（含钢衬重量）26.150 t。

封堵闸门为低水头下的工作闸门，闸门的运行方式为低水头下动水启闭。考虑闸门在封堵时的调整，启闭机选用1套规格型号为QPG2×1250kN-20 m的卷扬式启闭机。双吊点启闭，启门容量为2×1 250 kN，扬程20 m，吊点距6.84 m。

5 结论

目前夹岩工程导流隧洞已经运行3 a，在这期间经受住了大流量洪水考验，通过对该工程导流隧洞设计研究分析，得出以下结论。

（1）在洪水陡涨陡落的山区性河流首次提出全年导流方案，采用有压流水力计算，小断面隧洞+高围堰的导流组合方式减少了工程投资。

（2）针对复杂地质条件，采用不同衬砌方式，分段计算并考虑了封堵期间的不利影响，既保证了工程安全又节省了投资。

（3）导流洞的布置考虑潘家岩脚堆积体的影响，采用布置长1 490.17 m导流隧洞，避免了潘家岩减载开挖。

（4）根据导流隧洞3 a的运行情况分析，导流设计方案合理，可供同类工程借鉴。

参考文献：

[1] 贵州夹岩水利枢纽工程公司. 贵州省夹岩水利枢纽及黔西北供水工程初步设计报告[R]. 贵阳：贵州夹岩水利枢纽工程公司， 2015.

[2] 李炜. 水力学计算手册（第二版）[M]. 北京：中国水利水电出版社，2006.

[3] SL 279-2016 水工隧洞设计规范[S].