水電水利工程建設經(jīng)驗總結(jié)與設計探討

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0引言

2005年前后，筆者在參與編寫DL/T5397—2007《水電工程施工組織設計規(guī)范》期間，結(jié)合自身工作實踐經(jīng)驗，對國內(nèi)主要大中型水電工程的導流隧洞設計情況進行了大量調(diào)研[1]，并匯同編寫組將調(diào)研結(jié)果的共性認識寫入規(guī)范。現(xiàn)在，距2005年已經(jīng)過去了17年，全國除了怒江和雅魯藏布江下游兩大水電規(guī)劃基地外，其他流域的水電梯級開發(fā)格局已經(jīng)基本形成，我國常規(guī)水電建設現(xiàn)已進入后期階段。在十余年中，水電工程導流隧洞的建設積累了豐富的設計施工經(jīng)驗。為了進一步加快導流隧洞的技術進步，本文總結(jié)這些經(jīng)驗教訓，分析導流隧洞設計標準在工程建設實踐中出現(xiàn)的問題，探討導流隧洞結(jié)構設計的新觀念和施工的新方法，為后續(xù)水電水利工程建設提供更多的有益幫助。

1導流隧洞的設計經(jīng)驗和教訓

總結(jié)近十余年來水電水利工程導流隧洞的設計經(jīng)驗和教訓，主要有：

（1）導流隧洞運行期結(jié)構局部破壞的現(xiàn)象比較普遍。有的導流隧洞受過流時間長、推移質(zhì)多的影響，隧洞進口閘門底坎和洞內(nèi)底板出現(xiàn)了大面積的破壞，甚至被磨穿。個別地處巖溶地區(qū)的導流隧洞在下閘蓄水初期，上游洞段的噴混凝土結(jié)構被外水擊穿，造成洞內(nèi)出現(xiàn)大量涌水。

（2）導流隧洞出口受單寬流量大、弗勞德數(shù)低的影響，常規(guī)的消能方式普遍消能率低。2017年汛后投入運行的金沙江蘇洼龍水電站導流隧洞在出口消能方面，探索出了一條導流隧洞內(nèi)外設消力池加異形反臺階的新方案。

（3）部分導流隧洞底板被磨穿后，在高外水荷載作用下，鋼筋混凝土襯砌結(jié)構并沒有出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。這說明，在導流隧洞結(jié)構設計中，需要進一步深化對外水荷載的認識。

（4）鉆爆法開挖、剛模臺車襯砌等施工工藝發(fā)展成熟，部分導流隧洞在應對上游突發(fā)災害事件方面積累了十分寶貴的經(jīng)驗。但與交通行業(yè)相比，隧洞進出口的邊坡設計等沒有明顯的技術進步。個別項目的導流隧洞門槽施工、洞內(nèi)排水孔曾發(fā)生過突發(fā)安全事件等。此外，對于洄游性魚類比較集中的壩址河段，導流隧洞的運行限制了魚類的活動。

2對導流隧洞設計標準的探討

DL/T5397—2007《水電工程施工組織設計規(guī)范》[2]對導流隧洞的設計標準問題作了十分明確的規(guī)定。在近十余年的工程實踐中，出現(xiàn)了一些與設計標準相關的新問題，主要有：

（1）大壩度汛標準高于導流隧洞設計標準所帶來的問題。對于高壩而言，當壩體筑高到不需要上游圍堰保護時，依據(jù)大壩的級別、擋水高度、調(diào)蓄后的攔蓄庫容、失事后果等因素，所確定的大壩臨時擋水度汛標準往往要高于導流隧洞的設計過水標準。對此，需要處理好2個問題：①按大壩度汛標準開展導流隧洞的水力學研究，其目的主要是為了明確上游的度汛水位。②大壩的臨時擋水度汛標準對于導流隧洞而言，只是一種校核情況下的短暫特殊過水工況。即,在研究大壩臨時度汛工況下的導流隧洞結(jié)構設計問題時，極限狀態(tài)表達式γ0ψS（·）≤R(·)/γd中的設計狀況系數(shù)ψ只能取0.85。

（2）臨時封堵體的設計標準問題。導流隧洞經(jīng)過數(shù)年的運行，底板結(jié)構普遍受損嚴重。在下閘后的高外水荷載作用下，部分洞段結(jié)構失穩(wěn)的風險很大?？焖贊仓R時封堵體實際上是一項十分重要的搶險工作，臨時封堵體澆筑完成后將成為永久封堵體施工的保護圍堰。因此，臨時封堵體的建筑物級別經(jīng)論證過后可略高于導流隧洞，其設計擋水位可取初期發(fā)電水位。

（3）超前考慮后期利用所帶來的結(jié)構設計等級提高問題。近年來，由于新能源在電網(wǎng)中的比重逐年提高，有調(diào)節(jié)性能的水電站為了進一步增大調(diào)節(jié)能力，普遍進行了擴容改造。其中，利用原導流隧洞作為新的尾水隧洞是技術經(jīng)濟可行的擴容布置方案。因此，經(jīng)超前論證，應在可行性研究階段將導流隧洞的結(jié)構設計等級予以提高。例如，湖南某高混凝土面板堆石壩經(jīng)過近20年的運行，成為了一座滲漏很嚴重的病險壩。為了重新澆筑塌陷的面板混凝土，2014年對原導流隧洞重新恢復了過流能力。因此，對于大壩后期有修復需要的導流隧洞，在前期設計時，應對混凝土的耐久性設計標準予以適當提高。

（4）下閘設計標準問題。在水電梯級開發(fā)河流上，由于大型水庫，特別是年調(diào)節(jié)水庫的巨大調(diào)節(jié)作用，原天然情況下的枯水期流量已經(jīng)失去了意義[3]。因此，下閘設計流量應取所在時段內(nèi)與上游電站協(xié)商好的來流量加區(qū)間設計標準對應的流量之和。

（5）導流隧洞過流期因臨時修復需要引起的標準選擇問題。有些大型水電項目的2條導流隧洞采用了“一高一低”、“一大一小”的布置方式。為了在下閘前修復已經(jīng)破壞的洞內(nèi)底板，需要在枯水期創(chuàng)造條件實現(xiàn)單洞過流。為此，小洞的過流標準應滿足修復時段內(nèi)3~5年一遇的流量，且不小于上游電站滿發(fā)的流量。

3對導流隧洞結(jié)構設計的探討

3.1底板抗沖耐磨設計

文獻4總結(jié)了國內(nèi)部分導流隧洞的運行沖刷情況和抗沖耐磨研究。通過總結(jié)多個工程的建設實踐經(jīng)驗[4]，可知提高導流隧洞底板抗沖耐磨能力的設計措施有：①選擇合適的進口設計高程。在對截流難度不構成嚴重影響的前提下，導流隧洞的進口設計高程可按高于原河床平均高程2~3m設計。②進口地形條件允許的工程，可在進口明渠內(nèi)設置攔渣柵，避免過流期推移質(zhì)進洞。③底板選用C40高強、低坍落度耐磨混凝土，或者刷涂環(huán)氧膠泥或環(huán)氧砂漿等耐磨材料；邊墻和頂拱混凝土的設計強度等級不應低于C25。④在開展混凝土配合比試驗研究時，適當提高底板混凝土粗骨料的含量等。

3.2出口消能防沖設計

導流隧洞出口水流具有單寬流量大、水頭差小、佛氏數(shù)小等特點。傳統(tǒng)的擴散和消力池消能普遍消能率比較低，由此造成出口沖刷破壞比較嚴重，且水流歸槽不順。金沙江上游的蘇洼龍水電站導流隧洞出口消能打破常規(guī)，采用洞內(nèi)消力池加反臺階消能設計取得了滿意的效果。蘇洼龍水電站導流隧洞尺寸為15m×19m（寬×高），設計流量為5243m3/s，出口具有單寬流量大（＞300m3/s）、弗勞德數(shù)低（Fr=1~2）、覆蓋層深厚等特點，由于蘇洼龍水電站導流洞出口流速高，難以形成水躍，消能難度較大，造成下游沖刷嚴重，常規(guī)的消能措施不能滿足設計要求，設計結(jié)合水力學模型試驗研究，對反臺階消能進行了試驗研究[5]。反臺階消能的機理是利用底板上的連續(xù)、不規(guī)則的反臺階尾坎代替?zhèn)鹘y(tǒng)尾坎體形（如圖1所示），水流與反臺階分層碰撞，分層消減能量，增強出池前水流碰撞、摻混、紊動流態(tài)，實現(xiàn)碰撞消能[6]。蘇洼龍水電站導流隧洞的反臺階消能經(jīng)過了2018年汛期大流量及白格堰塞體潰決產(chǎn)生的洪峰過流考驗，圖2為經(jīng)受大流量過流時的水面情況。實踐證明，反臺階消能理念先進，技術及經(jīng)濟指標優(yōu)越，為后續(xù)單寬流量大、弗勞德數(shù)低、覆蓋層深厚條件下的導流隧洞出口消能布置提供了新的設計理念和思路，具有廣泛的參考及借鑒作用。

3.3襯砌結(jié)構設計

根據(jù)近十余年來導流隧洞襯砌結(jié)構設計的實踐經(jīng)驗，需要重視以下問題：

（1）控制荷載工況的選擇。在正常情況下，襯砌結(jié)構的控制工況為下閘蓄水后的高外水位作用期（閘門井設在大壩軸線附近的個例除外）。對于閘門井呈岸塔式布置的導流隧洞而言，大壩帷幕線上游的洞段應全部進行混凝土襯砌，其原始設計外水位應取導流洞封堵施工期相應標準對應的庫水位，襯砌的設計厚度與下游相比可適當加大。綜合考慮帷幕灌漿和洞頂排水孔的折減作用，大壩帷幕線下游的洞段原始設計外水位可按高于洞頂5~10m控制，襯砌的設計厚度可適當減薄，其中，II類圍巖的頂拱可采用噴混凝土結(jié)構。設計外水壓力的取值應結(jié)合水文地質(zhì)條件和洞襯施工工藝，對外水位進行折減。一般而言，洞頂?shù)幕靥罟酀{結(jié)束后，水泥結(jié)石會產(chǎn)生一定的收縮，因此，洞頂?shù)耐馑奢d只考慮排水孔折減而不考慮作用面積折減。隧洞邊墻和底板因一般不設排水孔，且與圍巖接觸十分緊密，其外水荷載主要通過巖石的孔隙或破碎帶作用在襯砌上，因此，外水荷載應綜合考慮作用面積等因素進行折減。在隧洞過流期的內(nèi)水荷載作用下，因洞頂排水孔有平衡內(nèi)外水的作用，因此，過流工況一般對襯砌結(jié)構設計不起控制作用，只是對于部分頂拱采用噴混凝土的結(jié)構，其抗沖流速應控制在允許范圍內(nèi)。

（2）排水孔和固結(jié)灌漿的布置。排水孔和固結(jié)灌漿都是導流洞結(jié)構的安全措施。除了距離庫岸較近和透水性強的洞段外，排水孔應沿頂拱全線布置。排水孔的入巖深度和間排距應按水工隧洞設計規(guī)范的有關規(guī)定布置。多個導流隧洞下閘后滲水情況表明，位于大壩帷幕線上游且受下閘后高外水位影響較大的洞段，排水孔的布置不可過多，否則會造成下閘后洞內(nèi)排水困難。對于軟巖洞段，為避免內(nèi)水外滲惡化圍巖的穩(wěn)定，可在排水孔上增設防內(nèi)水外滲的機關。除了大壩帷幕線下游的II類圍巖洞段外，固結(jié)灌漿應沿洞線全方位布置。

（3）結(jié)構計算。有的導流隧洞底板被磨穿后，在下閘后的高外水荷載作用下，并沒有出現(xiàn)結(jié)構失穩(wěn)現(xiàn)象。究其原因，主要有：①底板被磨穿后，洞內(nèi)滲水情況的加劇在一定程度上降低了外水壓力。②錨桿對襯砌結(jié)構產(chǎn)生了較大的約束作用。③下閘后，在短期內(nèi)沒有形成穩(wěn)定的滲流場，設計對外水荷載的折減與實際不符。④圍巖作為一種承載結(jié)構，在外水荷載作用下，和襯砌結(jié)構形成了聯(lián)合受力。綜上所述，筆者提出以下結(jié)構設計觀點：①對于建筑物等級為3級或地質(zhì)條件復雜的導流隧洞，應采用有限元法和結(jié)構力學法2種計算方法對結(jié)構進行對比計算分析。當計算結(jié)果相差較大時，可選用有限元計算結(jié)果。②對于運行時間長、底板沖刷破壞嚴重的導流隧洞，應增加底板被磨斷后考慮錨桿約束的計算工況。③引入概念設計的觀點。例如，錨桿外露部分的長度應按抗拉鋼筋的錨固要求進行焊接加長布設，在襯砌的“剛架”拐角外側(cè)設置加強角筋等。

3.4封堵設計

導流隧洞封堵體實際上是永久擋水建筑物的組成部分。針對傳統(tǒng)工藝存在的施工工藝復雜、施工周期長等缺點，在黃河上游的李家峽水電站導流隧洞封堵體設計時，采用了摻加復合膨脹劑的新工藝，取消了接觸灌漿和冷卻灌漿系統(tǒng)，推動了技術進步。近年來，筆者在以往工作的基礎上，總結(jié)提煉出以下2個觀點：①經(jīng)論證，可采用國家發(fā)明專利滑移式封堵體?；剖椒舛麦w的設計構思為，導流隧洞下閘后，先澆筑封堵體的底板找平層，然后鋪設鋁板，在邊墻和頂拱噴涂乳化瀝青，在迎水面以下0.5m附近埋設銅止水。隨后快速澆筑封堵體，并取消冷卻水管和接觸灌漿。回填灌漿結(jié)束后，封堵體就具備運行條件。在水壓力作用下，楔形封堵體產(chǎn)生水平變位，并與圍巖呈擠壓接觸狀態(tài)。該方案可把封堵體的施工周期控制在2個月以內(nèi)，使得汛前3個月下閘蓄水成為可能。②臨時封堵體有搶險和圍堰2個功能。在澆筑過程中，因沒有溫控措施，在澆筑完成后的2、3個月內(nèi)，臨時封堵體不會和邊墻脫開，因而在穩(wěn)定計算時應考慮臨時封堵體與邊墻的C值。永久封堵體的施工過程中因有溫控措施，永久封堵體和臨時封堵體之間會產(chǎn)生溫度收縮縫，因此，二者不能聯(lián)合受力。

3.5后期排氣設計

當導流隧洞的閘門井選在進水口部位，并呈岸坡式布置時，封堵體上游洞段在下閘后實際上形成了一個比較大的空間。當封堵體具備擋水條件后，上游滲水逐漸把洞內(nèi)空氣壓縮在洞頂一個比較小的范圍內(nèi)，形成高壓氣囊。東北某導流隧洞的封堵體在關閉了排水鋼管進行固結(jié)灌漿收尾施工時，曾發(fā)生過氣爆安全事故。為此，在進水口結(jié)構設計時，可在洞頂布置一條排氣鋼管，將下閘后的洞內(nèi)壓縮空氣引至封堵體施工期對應的設計庫水位以上，以避免在洞內(nèi)高壓水作用下產(chǎn)生氣爆現(xiàn)象。

4有關環(huán)保設計和施工設計的探討

4.1環(huán)保設計

導流隧洞過流后改變了原河段的水流特性，即使在枯水期，洞內(nèi)平均流速也大于洄游性魚類的最大限制流速。因此，對于洄游性魚類比較集中的河段，可嘗試在導流隧洞出口附近布置臨時性集魚設施，再通過機械運輸至上游放生。與導流隧洞設計相關的環(huán)保設施主要為臨時生態(tài)流量放水洞。根據(jù)金沙江旭龍水電站臨時生態(tài)放水洞的布置經(jīng)驗，需要重視以下問題：①臨時生態(tài)放水洞可以和導流隧洞結(jié)合布置，臨時生態(tài)放水洞的建筑物設計級別應和導流隧洞一致。②生態(tài)放水洞呈旁通洞布置時，臨時生態(tài)放水洞的出口方向應與導流隧洞軸線平行。③水力學條件復雜的臨時生態(tài)放水洞，除了設置工作弧門和封堵閘門外，經(jīng)論證，還可考慮再增加一套不設門槽、采用拍門方式下閘的平板門。④生態(tài)放水洞和導流隧洞的閘門都應在安裝結(jié)束后開展探傷檢查作業(yè)。

4.2施工設計

近十余年來，導流隧洞施工設計積累了豐富的經(jīng)驗，主要有：①按光面爆破要求開挖的大型水工隧洞，其邊頂拱的開挖平整度比較理想，但底板受出渣車輛反復碾壓、澆筑前高壓水沖洗等影響，超挖現(xiàn)象普遍嚴重。承包商提出的索賠現(xiàn)象比較普遍。②用鋼模臺車澆筑的混凝土，其糙率可控制在0.0125以內(nèi)。而設計普遍選用0.014的糙率，由此造成導流隧洞的實際泄流能力普遍大于設計值5%以上。③金沙江上游部分導流隧洞在底板混凝土澆筑前，先澆筑找平層混凝土能夠節(jié)省備倉時間。底板澆筑完成后，先鋪設隔離層，再澆筑厚10cm的低強混凝土保護層，這樣能夠保證底板的平整度。施工工藝的改善在一定程度上提高了施工質(zhì)量。④導流隧洞的進出口設計仍沿用了傳統(tǒng)的高邊坡開挖，這種設計理念與交通行業(yè)相比明顯落后。對于有壓隧洞而言，頂拱以上的覆蓋巖體重量只要滿足內(nèi)水作用下的安全要求，就可借鑒交通行業(yè)的洞口施工經(jīng)驗，將邊坡開挖高度控制在最低范圍內(nèi)。⑤在過流前，閘門井門楣以上的混凝土應全部澆筑完畢，門槽保護框的尺寸應考慮后期提取方便等因素，閘門組裝結(jié)束后應進行探傷檢查等。

5結(jié)論

水電水利工程的高質(zhì)量發(fā)展理念對導流隧洞的設計提出了新要求。本文總結(jié)了十余年水電工程中導流隧洞的建設經(jīng)驗和教訓，分析了導流隧洞建設過程中出現(xiàn)的問題，探討了導流隧洞在設計標準、結(jié)構設計、環(huán)境保護、施工工藝等方面的新觀念，得到以下結(jié)論：

（1）導流隧洞作為一種高風險建筑物，其結(jié)構設計標準和耐久性標準可結(jié)合工程的長遠規(guī)劃要求適當提高。大壩施工期的度汛標準應作為導流隧洞的校核標準。在勘測設計的投入上，導流隧洞應和主體工程同等對待。

（2）抗沖耐磨和出口消能防沖設計應在總結(jié)現(xiàn)有經(jīng)驗的基礎上進一步完善。高外水荷載作用下襯砌受力分析可采用有限元法。過流時間長、壩址區(qū)洄游性魚類多的導流隧洞可嘗試在出口附近布置臨時集魚設施。

（3）導流隧洞的進出口邊坡設計可借鑒交通行業(yè)的經(jīng)驗，更新設計理念，優(yōu)化施工方案，在條件允許的情況下將邊坡開挖高度控制在最低范圍內(nèi)。

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作者:姚福海 常作維 何偉 鄭愛武 單位:國家能源集團金沙江分公司 水電水利規(guī)劃設計總院 華能集團瀾滄江流域水電開發(fā)有限公司