大型导流隧洞群下闸封堵风险分析及对策

简崇林 漆祖芳 王英

摘要： 高拱坝通常会在坝身较低高程处设置导流底孔，以降低下闸安全风险，同时满足中后期导流和初期蓄水时下游生态供水需求。但由于高拱壩坝体底部空间有限，坝身设置导流底孔易导致坝体结构复杂、占用大坝直线工期、投资大、初期蓄水泄放生态流量小甚至下游脱水断流等问题。以中国首个坝身不设导流底孔的高拱坝——乌东德大坝为例，开展了复杂地质条件下超大型导流隧洞群下闸封堵风险分析及对策研究，分别从下闸遇超标流量、闸门失稳、下闸不到位、地下洞室失稳、异常渗漏、洞内气爆、工期延迟等安全风险方面展开具体分析，并研究制定相应对策，保障了乌东德水电站导流隧洞下闸封堵安全。相关安全风险应对措施和管理经验可为类似工程提供借鉴参考。

关 键 词： 导流隧洞; 下闸封堵; 导流底孔; 乌东德水电站

中图法分类号：  TV551

文献标志码：  A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.024

0 引 言

高山峡谷地区修建高拱坝，在施工导流后期，一般多采用在坝身较低高程部位设置导流底孔（国内外高拱坝导流底孔布置情况见表1），以解决导流隧洞下闸蓄水期的下游供水问题，降低导流隧洞动水下闸水头及下闸风险。乌东德水电站处于金沙江高山峡谷地区，河床狭窄，底部坝体空间有限，在坝身设置导流底孔，并布置闸门等启闭设备及相应的附属结构较为困难，开设孔洞也不利于坝体结构受力安全且使用时间短、经济性较差。为此，乌东德水电站首创了特高拱坝坝身不设导流底孔方案，将5号导流隧洞改建为生态放水洞，以避免平板闸门高水头动水闭门高风险，并解决了下闸蓄水期下游供水问题，导流隧洞全部下闸后由大坝中孔和泄洪洞联合向下游泄流。

第二批导流隧洞下闸后，水库开始初期蓄水，上游库水位将连续抬升，第二批导流隧洞将在上游高水头条件下进行永久堵头施工，相关大型地下洞室群的稳定安全风险也随之增大，导流隧洞能否顺利安全地完成下闸封堵，直接关系到蓄水发电目标能否实现，这是水电站建设成败的最关键一环。国内部分水电站在初期蓄水期曾发生过闸门失稳事故，如新疆吉勒布拉克水电站导流隧洞闸门失稳事故紧急疏散近8 000人，金沙江鲁地拉水电站生态放水孔闸门失稳事故直接损失约6亿元。本文以乌东德水电站为例，分析复杂地质条件下超大规模导流隧洞群在高水头条件下下闸封堵的风险及对策，可为同类工程提供经验参考。

1 工程背景

1.1 基本情况

乌东德水电站是金沙江下游四大水电梯级中的最上游梯级，坝址位于四川省会东县和云南省禄劝县境内。枢纽建筑物由挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电系统等组成[18]，如图1～2所示。挡水建筑物为混凝土双曲拱坝，水库正常蓄水位975.0 m，坝顶高程988.0 m，坝高270.0 m。泄洪采用坝身泄洪为主、岸边泄洪洞为辅的方式，坝身布置5个表孔和6个中孔，3条泄洪洞均布置于左岸靠山侧。引水发电系统采用地下厂房式，左、右两岸各布置6台单机容量850 MW的水轮机组，总装机容量1 020万kW。

乌东德导流隧洞均靠山里侧布置，呈“左2右3、4大1小、4低1高”的布置格局，其中左岸1号、2号和右岸3号、4号导流隧洞为“大低洞”，如图3所示，过流断面尺寸为16.5 m×24.0 m，右岸5号导流隧洞为“小高洞”，过流断面尺寸为12.0 m×16.0 m，具体参数如表2所列，5条导流隧洞断面型式均为城门洞形。右岸5号高导流隧洞除参与初期导流外，还在导流隧洞下闸封堵期承担下游供水任务[19]。

1.2 水文气象条件

金沙江流域的径流主要来源于降水，上游地区有部分融雪补给。流域内暴雨一般出现在6～11月，其中以7～9月居多，中下游在此期间出现暴雨的频率在80%以上。乌东德水电站坝址处多年平均降水量为825 mm（巧家县），坝址处年径流量为1 207亿m3，年平均流量3 850 m3/s，坝址径流设计成果如表3所列。洪水设计成果及近10 a 10～12月的实测洪峰流量如表3～5所列。根据金沙江上游电站运行情况可知，乌东德水电站下闸封堵期施工分期洪水主要考虑观音岩和桐子林水电站调蓄的影响，最大瞬时流量设计成果如表6所列。

2 导流隧洞下闸程序及下闸时机

由于右岸3号和4号导流隧洞进口大幅度错开布置，进洞点顺洞轴线方向相差70.0 m，该部位中隔墩岩体质量为Ⅳ1～Ⅳ2级，边坡结构以顺向坡为主（见图4），开挖期中隔墩岩体最小厚度为13.77 m，衬砌及支护完成后中隔墩岩体最小厚度为21.5 m[20]。为提高右岸3号和4号导流隧洞进口部位封堵期挡水安全度，创新性地采用了封堵闸门结合永久堵头第一段提前挡水的下闸封堵方法[21]，1～5号导流隧洞群由常规的同批一次下闸调整为分批分序下闸，调整后右岸3号、4号导流隧洞封堵门挡水水头由108.88 m降低至33.00 m。

导流隧洞按照4号→3号→1号→2号→5号的顺序于2019年11月至2020年1月下旬分批分序下闸。具体安排如下：

① 2019年11月上旬，右岸4号、3号导流隧洞依次下闸封堵;② 2020年1月上中旬，在右岸4号、3号导流隧洞永久堵头第一段完工并具备挡水条件后，左岸1号、2号导流隧洞依次下闸;③ 2020年1月下旬，水库水位蓄至890 m，大坝中孔可满足下泄不小于生态流量385 m3/s时，5号导流隧洞下闸封堵。下闸程序如图5所示，计划封堵时间如表7所列。

3 导流隧洞下闸封堵安全风险分析及对策

3.1 右岸4号和3号导流隧洞下闸安全风险

3.1.1 风险分析

（1）  超标洪水风险。

乌东德水电站导流隧洞断面大，采用新型不扩挖直柱型堵头形式[22]，堵头长度最长95 m，最短50 m。需要对原衬砌混凝土进行刻槽、凿毛，增设铜止水等施工，且3号和4号导流隧洞永久堵头第一段需具备挡水条件后才能进行1，2号和5号导流隧洞的下闸。因此，导流隧洞封堵工期极为紧张，4号和3号导流隧洞宜尽早下闸。由于10月份还处于汛末，如遇到水位超过846.00 m以上的洪水（4号、3号导流隧洞闸门顶高程为846.00 m），江水将倒灌进入闸门背后，涌进洞内，影响堵头施工。根据二滩水电站建成后多年统计成果可知，4号导流隧洞10月初下闸时，10月上旬实测最大洪峰流量为11 300 m3/s，对应上游水位845.85 m，距4号和3号导流隧洞闸门顶仅0.15 m;3号导流隧洞10月中旬下闸时，10月中旬实测最大洪峰流量为8 365 m3/s，对应上游水位845.11 m，距4号和3号导流隧洞闸门顶仅0.89 m。

（2） 闸门失稳风险。

4号和3号导流隧洞进口闸门是利用临时检修门改造而成，设计挡水水頭34.00 m，水位为846.00 m，经设计复核，考虑安全系数，闸门最大承载力可以抵挡848.00 m水位（1～2号导流隧洞泄流条件下，上游848.00 m水位对应流量为9 191 m3/s）。若遇到水位超过848.00 m的洪水，进口闸门可能失稳破坏，江水直接涌入洞内，此时4号、3号导流隧洞第一段堵头正在施工，洞内施工作业人员将面临巨大安全风险。同时由于右下2号施工支洞作为堵头施工交通洞已打开，洞内涌水也将通过尾水洞灌进并淹没主厂房，后果极为严重。此外3号、4号导流隧洞洞内需要重新抽排，洞内封堵工期将进一步压缩（约15～30 d），后续堵头施工工期压力会更大，对2020年度汛安全也将造成影响。

3.1.2 对 策

（1） 协调上游电站控制来水流量，根据水情预报择机安排导流隧洞下闸，下闸期间按1 h/次加密发布水情通告。

（2） 在右岸导流隧洞进口加高2 m挡水墙至848.00 m，防止超标洪水时江水进入导流隧洞。

（3） 当预报坝前水位可能超过848 m（9 191 m3/s时），则采用洞内充水平压方式，防止闸门损坏。

（4） 在右下2号施工支洞设置临时封堵闸门，当采用充水平压时，封堵此闸门，确保出现超标洪水时不淹没地下厂房。

（5） 对新型直柱型堵头封堵设计和工艺进行优化，加快4号和3号导流隧洞第一段堵头施工进度，确保永久堵头第一段尽早具备挡水条件，降低安全风险影响。

3.2  左岸2号导流隧洞进口闸门下闸不到位风险

3.2.1 风险分析

2号导流隧洞下闸后，水位迅速抬升，按设计原则，3 h内应确定闸门是否顺利下闸到位，以此判定是否需要提起闸门重新下闸。下闸不到位将导致闸门漏水，增加洞内抽排量，影响洞内施工。此外由于进口启闭机驱动采用的是临时电源，提门过程中也存在操作失灵风险。

3.2.2 对 策

（1） 引入多种精确测量手段，潜水员进行水下检查，准确及时判断闸门是否下闸到位[23]。

（2） 复核导流隧洞进口闸门事故工况提门操作水头、启闭力，制定下闸风险应对措施，做好电源可靠性保障预案（如配置备用电源）。

（3） 备足黏土、棉絮、石渣等应急物质，在闸门下闸不到位时抛入门前堵塞漏水[24]。

3.3 右岸5号导流隧洞下闸失败风险

3.3.1 风险分析

5号导流隧洞下闸过程中可能因门槽卡阻或供电、设备故障引起闸门无法正常下闸，另外下闸时低线路6-2隧洞和各支洞若发生较大渗水，也可能导致闸室不能进人，无法完成弧形闸门下闸操作。

若5号导流隧洞下闸失败，此时只有5号导流隧洞过流，其他4条导流隧洞均已淹在水下无法过流（4号、3号导流隧洞已完成第一段堵头，1号和2号导流隧洞进口无法提门），5号导流隧洞将面临长时间高速水流过流的考验，若不能及时封堵，势必会造成冲刷性破坏，下闸失败且不可修复。

3.3.2 对 策

（1） 从弧门闸室牵引一套至洞外蓄水位以上的远程操作系统，并提前做好测试、调试，确保弧门下闸顺利。

（2）  在低线路6-2隧洞封堵时，预留去往5号导流隧洞弧门闸室操作的临时进人通道，增设封堵钢门，并配置足够抽水设备，及时排出6-2隧洞渗漏积水。

（3） 在5号导流隧洞弧门闸室布置监控摄像头，下闸期间24 h不间断监控，若出现高速水流冲刷较为严重情况，立即将进口闸门和弧门下闸到底，确保工程安全。

3.4 不良地质段洞室失稳风险

3.4.1 风险分析

左岸1号和2号导流隧洞进口段及其施工支洞与左岸低线路5-3隧洞相交范围内，局部发育有岩溶;右岸5号导流隧洞上游段、低线路6-2隧洞岩体质量为Ⅳ1～Ⅳ2级，地质条件较差，尤其是6-2隧洞在开挖期间塌方较多，衬砌后仍发生多次较大围岩变形，后经加固处理变形得到控制。5号导流隧洞下闸后，1号和2号导流隧洞进口段、5号导流隧洞进口与堵头之间（长约700 m）、低线路6-2隧洞未封堵段水头为60.00～106.88 m，上述洞室的透水和稳定安全风险较大，若失稳江水将直接涌入洞内，对导流隧洞封堵造成致命影响。

3.4.2 对 策

（1） 如图6所示，应用孔洞、地质缺陷三维可视化技术，全面复核所有相关洞室地质及封堵情况，对可能存在尚未处理的地质缺陷和孔洞进行排查，采取相关工程措施进行加强处理。

（2） 在4号和5号导流隧洞增加减渗减压措施（4号导流隧洞封堵排水孔，5号导流隧洞增加排水孔），1号和2号导流隧洞增加临时挡水坎等。

（3） 导流隧洞下闸封堵期间，加强洞室渗水、围岩变形情况的巡视、观测、记录及信息报送工作，24 h专人巡查、报告，以便异常情况及时处理。

（4） 下闸前完成相关安全监测设施的布置，采集初始数据，实时掌握下闸过程中各项监测数据情况。

3.5 异常渗漏风险

3.5.1 风险分析

（1） 下闸后闸门周边、闸后洞段若发生大流量渗、涌水，且洞内无法及时抽水，将对堵头施工安全产生严重影响。

（2） 下闸后，在高水头作用力下，江水可能沿衬砌排水孔或施工缝渗出，将危及衬砌结构和上游洞身段围岩稳定安全，从而影响堵头混凝土施工。

（3） 与下闸蓄水相关的需封堵的，若孔洞封堵遗漏或封堵质量不合格，将带来不可预见的重大安全风险。

3.5.2 对 策

（1） 在堵头内增设排水管，加大闸门后渗漏水抽排力度，同时施工组织设计中充分考虑异常渗漏工况，并做好应对措施。

（2）  在首批导流隧洞下闸后、上游处于低水头时，对堵头区域原衬砌排水孔进行灌浆封堵，如4号、3号导流隧洞堵头第一段，若封堵后在高水头时存在渗水量较大的情况，应提高灌浆压力进行减渗灌浆处理。

（3） 梳理出所有与下闸蓄水相关的孔洞封堵清单，包括施工支洞、勘探平硐、勘探钻孔、通风井等，乌东德下闸蓄水需封堵干线交通洞、施工支洞共117条，勘探平硐共100条，勘探钻孔共85个，经不同阶段多次梳理分析，明确了所属标段及责任单位，建立销号制，并对孔洞封堵现场实行24 h监理旁站制度，逐一检查封堵质量，确保无一遗漏，质量合格。

3.6 导流隧洞内产生气爆风险

3.6.1 风险分析

左岸1号、2号导流隧洞和右岸5号导流隧洞永久堵头完工后，随着水位抬升，导流隧洞渗水增加，挤压封堵闸门和堵头洞段空气，可能产生气爆风险，影响封堵闸门、导流隧洞及堵头混凝土结构安全，甚至导致封堵失败。

3.6.2 对 策

为顺利充水排气，在左岸泄洪洞进口边坡和右岸导流隧洞进口边坡分别布置通气孔和充水孔，将通气孔引至不低于925.00 m高程（见图7），消除洞内气爆风险。

3.7 施工工期延迟风险

3.7.1 风险分析

由于乌东德大坝不设导流底孔，为确保堵头施工安全，导流隧洞封堵必须在一个枯水期内（2020年汛前）全部完成，同时由于下闸由同批一次下闸调整为两批次下闸后，4号和3号导流隧洞第一段堵头施工需在2020年1月中旬前完成，施工时间仅有3个月，1号、2号、5号堵头施工需在5月中上旬完成，时间也仅4个月，堵头施工时间非常紧张。堵头混凝土施工前，涉及尾水清淤、下闸、抽水等不确定因素，同时堵头刻槽、凿毛施工困难，工效低，施工过程中一个环节出现问题，将直接影响整个堵头施工工期，对蓄水及发电均产生直接影响。

3.7.2 对 策

（1） 提前做好下闸、封堵前的各项准备工作，包括：下闸流程明白卡、技术方案、工艺试验、资源设备、作业队伍、应急预案等，认真进行技术交底，以便快速高效组织堵头混凝土施工，尽早满足挡水条件。

（2） 提前研究落实下闸封堵的相关经济合同变更处理，增加保证春节期间连续施工的专项费用。

（3） 配置足够的抽水设备，采用“浮船泵站+施工支洞排水孔”的方式抽排水，缩短抽水时间。

（4） 采用液压破碎机大幅提高刻槽、凿毛效率，将堵头上游两道铜止水由埋入式优化为“L”形粘贴式，降低施工难度，如图8所示。

（5） 采用大型布料机浇筑为主、泵送浇筑为辅的浇筑方式，分层由3 m调整至6 m，采用低塌落度的低热混凝土，加密冷却水管间距，由智能通水系统（见图9）高效进行混凝土温控;采用预制灌浆廊道为灌浆创造有利条件。

（6）  联合参建各方成立导流隧洞下闸封堵领导小组，对下闸封堵过程中出现的问题，及时研判、决策、处理，为导流隧洞顺利下闸封堵提高坚强可靠的保障。

4 下闸封堵情况及相关问题处理

4.1 下闸封堵情况

2019年10月至2020年1月，乌东德水电站按4号→3号→1号→2号→5号顺序分批完成了导流隧洞下闸封堵，实现中孔过流，期间右岸3号和4号导流隧洞永久堵头第一段封堵完成并具备挡水条件。在前期各项风险应对措施落实到位后，下闸过程总体顺利，下游河道最小下泄流量高达238 m3/s，满足环评批复和蓄水计划审批要求，是首个实现不断流的电站。

4.2 相关问题处理

4.2.1 左岸1号导流隧洞上游段渗水

（1） 通气孔漏水。

导流隧洞全部下闸后，在水位超过858.00 m时，导流隧洞上游段布置的通气孔漏水，流量约350 m3/h。经分析，通气孔漏水來自边坡卸荷裂缝岩体的涌漏水，未与金沙江连通，渗漏量总体可控，不会影响衬砌结构和围岩稳定安全。处理措施：对通气孔高程850.00 m以上，采取下套管和阻浆塞等措施进行回填处理;对高程850.00 m以下，作为减小衬砌外水压力的排水措施不封堵。

（2） 小溶洞KW3漏水。

该出水点自2012年5月开挖揭露以来一直存在漏水现象，出水流量约150 m3/h（与蓄水前无变化），总体分析KW3为山体地下水，来源稳定，未受江水位上升影响。

处理措施：在导流隧洞永久堵头下部预埋排水钢管（排水能力5 000 m3/h），满足堵头施工期排水。

4.2.2  右岸3号、4号导流隧洞永久堵头部位渗水

在2号导流隧洞下闸后到大坝中孔过流前，因水位上升，3号、4号导流隧洞永久堵头第一段预埋灌浆管出现不同程度渗水，渗水量分别约为40，24 m3/h，主要集中在永久帷幕线上游，帷幕线下游侧渗水量总体较少。处理措施为：① 利用导流隧洞永久堵头部位预埋的接触兼固结灌浆孔反灌处理，自下游向上游、自低处向高处分区灌浆[25];② 后期从高程850.00 m灌浆廊道对大坝防渗帷幕进行补强灌浆，强化衬砌与围岩，堵头与衬砌之间的防渗效果。

各渗水部位经减渗灌浆处理后，渗水明显减小。综合现场巡查和安全监测数据可知，下闸后地下工程其他洞室渗水较小，未出现异常情况，下闸效果总体良好。

5 结 论

（1） 乌东德水电站高拱坝不设导流底孔的方式简化了坝体结构，有利于大坝结构安全，缩短了大坝直线工期，节约了工程投资，利用5号导流隧洞改建弧门控泄，保证了下游供水和生态流量。

（2） 乌东德水电站第二批下闸导流隧洞在高水头条件下下闸封堵，存在遇超标流量、闸门下不到位、不良地质段洞室稳定、异常渗漏、洞内气爆、工期延迟等安全风险，尤其是对地下工程影响最大，需高度重视并研究制定对策。

（3） 采取回填堵漏、埋管引排、減渗灌浆等措施，能有效控制或减小下闸后水位抬升出现的洞室渗水现象。

（4） 通过提前充分准备、精准施策、高效组织、成立领导小组及时决策、协调上游控制来水流量、加密水情预报、成立现场24 h巡查工作组、建立信息沟通、报送和应急反应机制等，2019年10月至2020年1月顺利完成了乌东德水电站5条导流隧洞下闸和3号和4号导流隧洞第一段永久堵头封堵，为后续导流隧洞封堵和蓄水发电创造了有利条件。

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（编辑：胡旭东）

引用本文：

简崇林，漆祖芳，王英.大型导流隧洞群下闸封堵风险分析及对策：以乌东德水电站为例

[J].人民长江，2021，52（8）：158-165.

Risk analysis and countermeasures for gate closing and plugging of large scale diversion tunnel

groups：case of Wudongde Hydropower Station

JIAN Chonglin1，QI Zufang2，WANG ying3

（ 1.China Three Gorges Projects Development Co.，Ltd.，Chengdu 610000，China; 2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，，Wuhan 430010，China; 3.Yangtze Ecology and Environment Co.，Ltd.，Wuhan 430062，China ）

Abstract：

The bottom diversion outlets are usually set for high arch dams at the bottom of the dam body to reduce the safety risk of gate closing，and at the same time to meet the needs of the later diversion and the downstream ecological water supply in initial water storage.However，due to the limited space at the bottom of the high arch dam body，setting the bottom diversion holes in the dam body can easily lead to complex structure stress of the dam body，occupation of the straight time of dam construction，large investment，small ecological flow during initial water storage period and even downstream dehydration and disconnection.Taking the Wudongde dam，the first high arch dam without bottom diversion outlet in China as an example，the risk analysis and countermeasures for gate closing under complex geological conditions were carried out.The specific analysis was carried out from the safety risks of gate facing super flood，gate instability，inadequate gate closing，underground cavern instability，abnormal leakage，gas explosion in the tunnel and time delay.And then the corresponding countermeasures were studied and formulated to ensure the safety of gate closing.Relevant safety risk response measures and management experience can provide reference for similar projects.

Key words：

diversion tunnel;gate closing and plugging;bottom diversion outlet;Wudongde Hydropower Station