卡基娃水电站导流洞设计及关键技术研究

涂小飞，魏丽琴，谢金元，冯 菊

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，成都610072)

卡基娃水电站位于四川省木里县唐央乡，系木里河干流(上通坝～阿布地)河段“一库六级”开发方案中的第二级水电站。电站枢纽建筑物由混凝土面板堆石坝、放空洞、1#泄洪洞、2#泄洪洞和引水发电系统等建筑物组成;拦河大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高171 m，总库容3.745亿m3，电站装机容量440 MW。本电站枢纽工程为二等大(2)型工程，拦河大坝提高一级，为1级建筑物。工程施工采用断流围堰、隧洞泄流、大坝基坑全年施工的导流方式。本文针对该导流洞设计中遇到的一些关键技术(如“三洞合一”设计、高外水水头结构设计、抗冲耐磨设计，出口防冲消能设计等)进行简要介绍，并对设计实施效果进行了分析。

1 导流洞设计

1.1 导流洞布置设计

1.1.1 导流洞平面布置

卡基娃水电站坝址区为“S”型微弯河段，导流洞布置于坝区左岸，采用单弯道设计，进口位于坝轴线上游约650 m处，出口位于坝轴线下游约300 m处;其中进、出口直线段长分别为223.3 m、550.8 m，中间圆弧段长217.1 m，圆弧转角62.2°，转弯半径200 m。导流洞进口底板高程2 706.00 m，出口底板高程2 695.00 m，洞身长度991.092 m，隧洞底坡i= 0.0110989。导流洞进、出口分别设置引渠长度约20.0 m，进口闸室段长18.0 m。

导流洞在桩号(导)0+687.758处与放空洞采用龙抬头形式结合，在桩号(导)0+807.53处与1#泄洪洞平面交岔结合。

1.1.2 导流洞断面形式选择

导流洞洞身段所在岩层主要为奥陶系下统人公组第三段(O1r3)，岩性以千枚化板岩、炭质板岩为主，夹层纹理发育的变质砂岩。隧洞埋深17～195 m，洞身岩体以Ⅲ、Ⅳ类围岩为主，其中Ⅲ类围岩段长约303 m，占30.4%，Ⅳ类围岩段长约688 m，占69.6%。

卡基娃水电站导流洞主要承担施工期导流任务，后半段虽与水工放空洞、1#泄洪洞结合，但结合后过流量与导流期间流量相比较小，因此，断面设计主要为满足导流期间过流要求(按20 a一遇洪水设计，导流流量973 m3/s)。考虑到导流洞洞身围岩成洞条件较好且导流洞施工工期较紧，设计最终采用施工方便，且有利于降低截流难度的圆拱直墙型断面，断面尺寸为7.5m×9.0m(宽×高)，顶拱中心角102.5°。导流隧洞布置特性见表1。

表1 导流洞特性表

1.2 导流洞进口闸室及洞身结构设计

1.2.1 进口闸室设计

导流洞进口闸室采用岸塔式，闸室长度18 m，设一封堵闸门。闸门孔口尺寸7.5m×9.0m;进口底板高程2 706.0 m，闸顶高程2 746.0 m;闸室边墙、底板厚度均为2.5 m，闸室基础进行固结灌浆。闸室进水口采用顶面收缩(1/4椭圆曲线)断面，曲线方程为:，进口断面7.5×11.0m.;塔体采用C25W8钢筋混凝土浇筑，为使塔体与周边岩体连接成整体，闸室两侧2 718.0 m高程以下与开挖面间采用C10素混凝土回填。

1.2.2 洞身结构设计

根据导流洞沿程围岩条件和运行工况，特别是封堵期高外水的作用，同时考虑与放空洞及1#泄洪洞结合段各运行工况及要求，导流洞全洞段洞身结构采用喷锚支护与钢筋混凝土衬砌相结合的复合型支护型式。

导流洞进口渐变段采用1.0～1.2 m厚混凝土衬砌，桩号(导)0+687.758m段以前洞身段(非结合段)根据围岩类别及运行工况要求分别采用0.6～0.8 m厚混凝土全断面衬砌(Ⅳ类围岩采用0.8 m厚混凝土全断面衬砌，II、Ⅲ类类围岩采用0.6 m厚混凝土全断面衬砌)。洞室在开挖后，立即喷射5～15 cm厚的混凝土或挂网喷混凝土，顶拱与边墙视塑性区的范围布置锚杆，并在顶拱及边墙局部设置排水孔。系统锚杆采用按1.5 m间、排距布设Φ25、L=3.0 m、4.5 m、6.0 m的锚杆。

导流洞与放空洞、1#泄洪洞结合段采取0.8 m厚混凝土全断面衬砌，其中桩号(导)0+772.420m～(导)0+809.92m段为1#泄洪洞与导流洞结合渐变部位，洞身尺寸由17.37m× 9.0m渐变为8.54m×9.0m。由于该部位洞身跨度较大，根据此段围岩类别及运行工况要求，此段采取1.2 m厚混凝土全断面衬砌。

2 导流洞水力计算及水力模型试验复核

2.1 泄流能力计算

导流洞明流时按宽顶堰出流公式计算;明满流时按满流公式计算。

明流时计算公式为:

满流时，导流洞出口为自由出流，流量计算公式为:

式中:M为流量系数;△Z=(Z上－(Z下+h))，Z上为库水位高程，Z下为导流洞出口高程(本工程具体导流洞出口高程为2 695.0 m)，h为0.85导流洞高(0.85×9.0m);本工程导流洞断面面积为63.15 m2。

当遭遇导流设计标准洪水时，导流洞为有压洞设计，由于导流洞出口原河床水位低于导流洞顶拱高程，导流洞出口为自由出流。在导流洞过常年洪水流量时，导流洞的纵坡大于该流量下的临界底坡。

设计状态下，导流洞最大泄流流量为973 m3/s，平均流速15.4 m/s。

导流洞泄流能力曲线见图1。

图1 导流洞泄流曲线图

2.2 水力模型试验复核

由于卡基娃水电站导流洞具有布置复杂(与放空洞、泄洪洞“三洞合一”)且泄流量较大、流速较高，出口水流对卡基娃滑坡影响较大，为进一步了解、论证导流洞在宣泄各级流量时的水流状态(包括进出口及洞身水流条件、单洞泄流能力、高速水流对洞身衬砌结构的影响和导流洞出口河床的冲淤变化)及上游围堰、下游围堰及下游河床等部位的冲刷情况，特委托四川大学高速水力学国家重点实验室进行了施工导流模型试验研究。

模型试验研究成果如下:

1)导流洞加设“三洞合一”体型后，过流能力满足设计要求。在明流区导流洞的平均流量系数为0.365;在满流区导流洞的平均流量系数为0.550。

2)在所有试验工况中，除导流洞出口段以外，其它各部分(包括闸室段和门槽处)均无负压产生，沿程压强梯度亦无突变。在初期导流设计流量QP=5%=973.0 m3/s时，导流洞出口处底板压强为6.5×9.8KPa，比洞顶低2.5 m。

3)在小于设计工况的各级流量下，实测水流最小空化数σ=0.38＞0.3(Q=973.0 m3/s)，位于导流洞出口处;在本试验各级工况下，导流洞无发生空蚀破坏的可能性。

3 关键技术研究

3.1 导流洞与放空洞、1#泄洪洞“三洞合一”布置设计

由于坝址区域靠下游存在大型滑坡(如卡基娃滑坡和普尔滑坡等)及右岸深切冲沟(如则窝沟)，使得泄水建筑物出口布置极为困难，为确保施工期间不影响到下游卡基娃滑坡边界，导流洞布置必须考虑出口与水工建筑物结合。

根据水工建筑物布置要求，右岸布置2#泄洪洞和引水发电系统，左岸布置放空洞和1#泄洪洞。经综合比较，导流洞布置于左岸，放空洞后段采用龙抬头方式与导流洞结合，1#泄洪洞通过竖井后采用平面交岔方式与导流洞结合。具体结合方式及布置见图2。

图2 导流洞与放空洞、1#泄洪洞“三洞合一”平面布置图

采用导流洞与放空洞、1#泄洪洞“三洞合一”布置方案，虽然较好的解决了出口布置干扰问题，且节约了导流洞后半段及出口的工程量，但对导流洞洞内施工干扰较大，造成导流洞工期拖延;部分结合段施工难度较大，施工及运行风险增加;为减少后期改建的施工时间，在导流洞过流前需完成“龙抬头”段以及“平岔口”段的施工，因此为保证导流洞过流期间水流平顺，在“平岔口”处设有临时侧挡墙，后期改建时再拆除此挡墙。另外，由于导流洞下闸后结合段仍然要经放空洞过流，后期导流洞封堵施工需合理安排。

3.2 进口闸室稳定研究及高外水水头下的洞身结构设计

由于导流洞进口段地质条件较差，进口闸室及渐变段布置区域有一崩滑座落体通过，且导流洞封堵期考虑封堵闸门挡水提前发电，闸室及洞身外水压力水头高达99.0 m(由于控制泄流要求，实际控制水位需达到105 m);因此对闸室稳定及洞身结构设计提出较高要求。为确保导流洞在封堵期的结构安全，为设计提供科学依据，委托四川大学应用岩土工程数值仿真分析软件，对导流洞进口闸室及进口洞身段在高外水水头下结构内力、变形情况进行全面系统的三维有限元数值仿真分析。

图3 闸室及洞身三维有限元计算模型

图4 开挖过后的三维计算模型

根据数值仿真分析结果，闸室抗滑、抗浮及抗倾覆在各工况下均满足规范要求。闸室和导流洞洞身结构配筋以封堵期为最不利工况，实际配筋结果满足计算要求。

闸室不同工况条件下的抗滑稳定、抗浮稳定及抗倾覆稳定性计算结果见表2～4。

表2 闸室抗滑稳定性计算结果

表3 闸室抗浮稳定性计算结果

表4 闸室抗倾覆稳定性计算结果

考虑到闸基及进口洞段地质条件较差，且下闸封堵后该段必须承受105 m高外水水头。在实际设计中，对导流洞闸室基础及进口洞身段0+50 m桩号前进行了固结灌浆。同时为减小外水水头对衬砌影响，对桩号0+50 m以后至堵头前的洞身段边墙5 m以上及顶拱部位设置排水孔。桩号0+ 50 m以前段为防止外水“击穿”，未设置排水孔，主要通过固结灌浆、增加配筋和底部加贴脚来承受外水压力。

3.3 抗冲耐磨设计

由于前期施工大量的弃碴下河，在导流洞运行期间混凝土衬砌的磨损将非常严重，同时为避免高速水流对导流洞洞身衬砌造成空蚀空化破坏(导流洞结合段在放空洞运行期，三洞合一段断面平均流速18～27 m/s)，在导流洞结构设计时考虑了抗冲耐磨措施。根据导流洞实际运行时段、运行工况、洞内流速分布并结合洞身施工方案，在导流洞与永久结合段的底板、边墙采用C40HF混凝土，顶拱采用C 30混凝土;非结合段底板、边墙(2.0 m以下)采用C 30混凝土，边墙2.0 m以上及顶拱采用C 25混凝土。

导流洞洞内磨蚀破坏主要为石渣及推移质造成。工程实例证明，推移质的磨蚀破坏基本上都发生在边墙2 m以下部位。现阶段设计中，普遍采用导流洞底板及边墙下部2 m采用高标号抗冲耐磨混凝土，其余部位采用低标号普通混凝土的设计原则是较为经济合理的。

在实际设计中，单纯通过提高标号来提高混凝土强度，常常会导致水化热过高，造成混凝土裂缝，反而不利于混凝土抗冲耐磨。据实验和相关资料显示，由于骨料抗磨蚀性能较水泥结石要高很多，提高混凝土中水泥结石抗磨蚀性能的同时，应更多的考虑如何提高耐磨骨料在混凝土中的比例及分布。比如采用减水剂在不增加水泥用量的同时提高混凝土强度;一些无泵送要求的部位(如底板)可以通过提高混凝土级配，以便提高骨料粒径及骨料所占比例;施工中也应严格控制抗磨蚀层混凝土的施工振捣，防止出现底板表层保护层大部分为水泥浆的现象，有条件也可以调整混凝土保护层厚度到15 cm以上。另外，从磨蚀破坏的部位统计可以发现，大部分磨蚀破坏发生在底板混凝土裂隙及施工分缝处，因此，底板部位的施工环向缝应严格采取缝面处理措施，对于底板部位结构缝(一般要求缝宽2 cm)更应采取表层封闭的结构方式。

3.4 出口消能设计

卡基娃滑坡位于坝轴线下游500 m左右木里河左岸，总方量约3 723万m3，属于基岩滑坡，在天然状态下整体处于稳定，前缘局部活动。因此，如何尽可能减小导流洞出口水流对卡基娃滑坡坡脚的影响是导流洞设计中极为关键的问题。

在实际设计中，通过不断调整出口水流与河道夹角，研究侧墙对水流影响，以及出口设置消力坎高度，并不断通过动床模型试验验证，最终确定导流洞出口布置方案，采取出口设置1.5 m消力坎的型式。实际施工中也对卡基娃滑坡体前沿局部采用钢筋石笼临时保护，进一步减小导流洞过流对滑坡体坡脚的淘刷。

4 结语

卡基娃水电站导流洞规模虽不算太大，但其特殊的地质条件、布置空间以及运行要求使得在该导流洞设计中遇到了较多的需研究问题，受篇幅所限，本文仅对设计中运用的一些关键技术进行了简要分析。

目前，导流洞已经历2011、2012年两年汛期洪水的考验，最大度汛流量653 m3/s，导流洞运行状况良好，出口滑坡体未见明显淘刷。

［1］戴光清，杨庆，李鹏，等.四川省木里河卡基娃水电站施工导流水力学模型试验研究报告［R］.成都:中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，2008.

［2］刘善均，许唯临，王韦，等.高坝竖井、龙抬头放空洞与导流洞“三洞合一”优化布置研究［J］.四川大学学报，2003.