天花板水电站导流隧洞设计

陈 浩，顾 伟，卢军民

（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024）

天花板水电站位于云南省昭通市境内金沙江右岸一级支流牛栏江下游河段，是牛栏江中下游梯级规划的第7级水电站。天花板水电站是以发电为主的混合式电站，主要由碾压混凝土双曲拱坝、引水系统、地面厂房等组成。最大坝高107.0 m，总库容0.787亿m3，总装机容量180 MW，为三等中型工程。天花板水电站首部枢纽施工采用断流围堰一次拦断河流、导流隧洞泄流、基坑全年施工的导流方式。本文简要分析导流隧洞的布置、断面形式的选择、进出口明渠设计及施工过程中的优化调整。

1 导流洞断面设计

1.1 导流洞平面布置

天花板水电站导流隧洞布置于坝址区左岸，进口位于坝轴线上游280 m处，出口位于坝轴线下游380 m处；洞线在平面上呈曲线布置，其中进、出口直线段长分别为98.4、170.6 m，中间圆弧段长335.4 m，圆弧转角60°，转弯半径320 m。导流隧洞长604.4 m，进口底板高程989.0 m，出口底板高程987.2 m，纵坡0.3%。导流隧洞进口设置长约80 m的进口引渠和进水塔，出口设置长约77 m的尾部明渠。

1.2 导流隧洞断面形式选择

天花板水电站导流隧洞埋深19.7～240 m，洞身经过的岩层依次为东龙潭组上段 （Z2dl3）灰色、灰白色粉晶白云岩，中段 （Z2dl2）灰、灰黑色富藻粉晶白云岩。洞身岩体大部分为Ⅱ、Ⅲ类围岩，占整个隧洞长度的80.2%，其余为IV类，成洞条件较好。地下水主要为岩溶裂隙水和基岩裂隙水，埋藏较深。

天花板水电站导流隧洞主要承担施工期导流泄水任务，无永久运行要求，运行时间约3年，共经历三个汛期。为了降低后续施工强度，导流隧洞具备分流条件后需尽快截流。考虑到导流隧洞洞身围岩成洞条件较好且工期较紧，采用施工方便，且有利于减小截流落差的圆拱直墙型断面，断面尺寸为12 m×14 m （宽×高）， 顶拱中心角120°， 隧洞过水面积 155.91 m2。

1.3 导流隧洞断面支护设计

导流隧洞按4级临时建筑物设计，根据不同洞段的地质情况，采用不同的支护方式。进出口及围岩条件较差洞段，采用初期锚喷支护、后期全断面钢筋混凝土复合衬砌形式；II类围岩洞段底板浇筑找平混凝土，边顶拱采用系统锚杆加喷聚丙烯纤维混凝土的支护形式；Ⅲ类围岩洞段底板和边墙浇筑找平混凝土，顶拱采用系统锚杆挂和网喷混凝土的支护形式。导流隧洞洞身具体支护形式及参数见表1。

天花板导流隧洞按有压流设计，设计流速13.7 m/s。过流期实际最大泄流流量约880 m3/s，为无压流，洞内最大流速8.9 m/s。导流隧洞下闸后，进行检查后发现导流洞的边墙、顶拱和底板均较完整，无大的冲刷破坏。

2 导流隧洞封堵堵头设计

导流隧洞封堵堵头属永久性建筑物，建筑物级别同碾压混凝土双曲拱坝，为3级建筑物，设计标准为50年一遇，设计挡水水头85 m。堵头采用楔型体结构，长20 m，布置于大坝轴线下部，按导流隧洞桩号布置在0＋265.0～0＋285.0，该段围岩类别为Ⅱ类，为粉晶白云岩。施工过程中，导流隧洞封堵闸门下闸挡水，库水位升至1 023.0 m高程后，发现堵头前隧洞渗漏水量较大，约0.3～0.5 m3/s。经分析，主要原因是导流隧洞渐变段靠后洞段上覆岩体较薄，不足20 m，而该部分为FD1断层上盘，岩体网状裂隙发育；该洞段原设计的增加混凝土衬砌及固结灌浆因种种原因未按设计要求施工，仅在导流隧洞分流后从洞顶山坡往下进行了部分灌浆，导流隧洞未形成封闭整体，库水位上升后裂隙渗水汇集，渗水从导流洞桩号0+040处拱端逸出，0+040前导流隧洞全断面衬砌，溢出点为全衬段末端。为防止渗水量继续增大，水库不再继续蓄水，由泄洪中孔调控库水位在1 021～1 023 m高程。由于永久堵头施工并具备挡水条件历时较长，为了尽快实现发电，同时为永久堵头施工创造更好的施工条件，在永久堵头前设置了长12 m的临时堵头。待临时堵头施工完成并具备挡水条件后，由中孔调控使库水位升至1 050 m高程，实现低水头发电。同时在临时堵头保护下进行永久堵头施工，待永久堵头具备挡水条件后再蓄水至正常蓄水位1 071 m高程。

3 进口明渠及进水塔

3.1 进口明渠设计

导流隧洞进口明渠长79.2 m，进水塔进口处明渠底宽18.0 m，底板两侧均以5°向前扩散，至明渠进口处底宽约32 m；明渠两侧基岩开挖边坡坡比采用1∶0.3，覆盖层边坡坡比采用1∶0.5。洞脸处为全、强风化粉晶白云岩，属于IV类围岩，为尽量减小对原边坡的扰动，降低边坡开挖高度，减小开挖及支护工程量，洞脸处采用11.8 m高的直立边坡后，进口边坡最大坡高约75 m。为确保进口段及洞脸稳定，洞脸采用两排φ25@2 m×2 m、长4.5 m的锁口锚杆，并布置两排水平1 000 kN的预应力锚索进行加固。

施工过程中受雨季降雨影响，隧洞进口洞脸边坡开挖后出现多条卸荷变形裂缝。为确保安全，在后边坡表面裂缝填塞水泥浆封闭，加强施工期安全监测，同时增加7根1 000 kN的锚索对进口洞脸边坡进行加固。

3.2 进水塔设计

导流隧洞洞身高程较低，按有压隧洞设计。为了后期导流隧洞封堵需要，导流隧洞进口设置进水塔。进水塔按4级临时建筑物设计，进水塔外框平面尺寸为20 m×15.55 m。塔顶高程考虑下闸封堵时间、进水塔闸门安装条件、场内施工道路高程、启闭机拆除等要求，确定其高程为1 028.0 m，孔口闸门尺寸为12 m×14 m （宽×高）的矩形，进口喇叭口采取三面收缩形式，顶部曲线方程为=1，两侧曲线方程为=1。

4 导流洞出口及出口明渠

4.1 导流洞出口设计

导流隧洞出口处地形陡峻，坡度约60°。为减小开挖，导流隧洞出口采用斜交出洞，出口边坡按断层走向挖成直坡，最大坡高约45 m。洞脸坡面采用φ25@2 m×2 m、长5 m锚杆，挂网φ10@25 cm×25 cm喷混凝土20 cm进行支护，并施打27根1 000 kN、长25 m的锚索进行加固。

表1 导流隧洞支护参数

出口上半洞开挖完成后，发现出口处边坡围岩较完整，为III类围岩，为减小对出口原边坡的扰动，将出口洞脸边坡明挖取消，沿裂隙延伸方向，在裂隙两侧距裂隙1 m处各增设一排φ25@1.5 m×1.5 m、长6 m的锚杆，并在坡面采用挂网φ8@15 cm×15 cm喷混凝土15 cm进行支护，确保导流洞出口施工及运行安全。

4.2 导流洞出口明渠设计

导流隧洞出口明渠长约78.0 m，导流洞出口处明渠底宽12.0 m，底板两侧均以10°向下游扩散，明渠出口处底宽约40.4 m，出口明渠两侧基本为第四系冲积砂砾石，边坡开挖坡比采用1∶1.5。

原设计导流隧洞出口施工道路作为下基坑道路，为布置出口施工道路，导流隧洞出口设置20.6 m长的明洞段。施工过程中发现出口明洞段和明渠基础为深厚的砂卵砾石覆盖层，地质钻孔探明覆盖层深约9～11 m，且夹有大孤石，在导流隧洞出口围堰保护下的狭小基坑内，明洞段基础处理困难。综合技术经济、工期要求及安全等因素，进行方案比较，取消导流隧洞出口明洞段和明渠混凝土，下基坑的交通采用断面尺寸为8 m×6.5 m （宽×高）、长约240 m交通洞绕过导流隧洞出口的方案，同时在导流洞出口架设16 m长的临时贝雷桥承担交通洞施工期间的交通任务。

5 结语

（1）天花板水电站导流隧洞根据不同洞段的地质情况、运行条件，采用不同的支护方式，既保证了安全，又节省了投资，简化了施工程序，加快了施工进度，实现了当年年初开工、当年年底导流隧洞过水的节点目标。

（2）天花板水电站导流隧洞工程施工过程中，导流隧洞的支护方式、支护范围、结构形式等都与实际的地质情况相结合，及时做出调整和优化，使设计更趋合理，保证了工程施工的顺利进行。

（3）天花板水电站两台机组均已正式并网发电，导流隧洞经过3个汛期洪水的考验，无大的损坏，说明导流隧洞的设计是合理的。