水电水利工程建设经验总结与设计探讨

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0引言

2005年前后，笔者在参与编写DL/T5397—2007《水电工程施工组织设计规范》期间，结合自身工作实践经验，对国内主要大中型水电工程的导流隧洞设计情况进行了大量调研[1]，并汇同编写组将调研结果的共性认识写入规范。现在，距2005年已经过去了17年，全国除了怒江和雅鲁藏布江下游两大水电规划基地外，其他流域的水电梯级开发格局已经基本形成，我国常规水电建设现已进入后期阶段。在十余年中，水电工程导流隧洞的建设积累了丰富的设计施工经验。为了进一步加快导流隧洞的技术进步，本文总结这些经验教训，分析导流隧洞设计标准在工程建设实践中出现的问题，探讨导流隧洞结构设计的新观念和施工的新方法，为后续水电水利工程建设提供更多的有益帮助。

1导流隧洞的设计经验和教训

总结近十余年来水电水利工程导流隧洞的设计经验和教训，主要有：

（1）导流隧洞运行期结构局部破坏的现象比较普遍。有的导流隧洞受过流时间长、推移质多的影响，隧洞进口闸门底坎和洞内底板出现了大面积的破坏，甚至被磨穿。个别地处岩溶地区的导流隧洞在下闸蓄水初期，上游洞段的喷混凝土结构被外水击穿，造成洞内出现大量涌水。

（2）导流隧洞出口受单宽流量大、弗劳德数低的影响，常规的消能方式普遍消能率低。2017年汛后投入运行的金沙江苏洼龙水电站导流隧洞在出口消能方面，探索出了一条导流隧洞内外设消力池加异形反台阶的新方案。

（3）部分导流隧洞底板被磨穿后，在高外水荷载作用下，钢筋混凝土衬砌结构并没有出现失稳现象。这说明，在导流隧洞结构设计中，需要进一步深化对外水荷载的认识。

（4）钻爆法开挖、刚模台车衬砌等施工工艺发展成熟，部分导流隧洞在应对上游突发灾害事件方面积累了十分宝贵的经验。但与交通行业相比，隧洞进出口的边坡设计等没有明显的技术进步。个别项目的导流隧洞门槽施工、洞内排水孔曾发生过突发安全事件等。此外，对于洄游性鱼类比较集中的坝址河段，导流隧洞的运行限制了鱼类的活动。

2对导流隧洞设计标准的探讨

DL/T5397—2007《水电工程施工组织设计规范》[2]对导流隧洞的设计标准问题作了十分明确的规定。在近十余年的工程实践中，出现了一些与设计标准相关的新问题，主要有：

（1）大坝度汛标准高于导流隧洞设计标准所带来的问题。对于高坝而言，当坝体筑高到不需要上游围堰保护时，依据大坝的级别、挡水高度、调蓄后的拦蓄库容、失事后果等因素，所确定的大坝临时挡水度汛标准往往要高于导流隧洞的设计过水标准。对此，需要处理好2个问题：①按大坝度汛标准开展导流隧洞的水力学研究，其目的主要是为了明确上游的度汛水位。②大坝的临时挡水度汛标准对于导流隧洞而言，只是一种校核情况下的短暂特殊过水工况。即,在研究大坝临时度汛工况下的导流隧洞结构设计问题时，极限状态表达式γ0ψS（·）≤R(·)/γd中的设计状况系数ψ只能取0.85。

（2）临时封堵体的设计标准问题。导流隧洞经过数年的运行，底板结构普遍受损严重。在下闸后的高外水荷载作用下，部分洞段结构失稳的风险很大。快速浇筑临时封堵体实际上是一项十分重要的抢险工作，临时封堵体浇筑完成后将成为永久封堵体施工的保护围堰。因此，临时封堵体的建筑物级别经论证过后可略高于导流隧洞，其设计挡水位可取初期发电水位。

（3）超前考虑后期利用所带来的结构设计等级提高问题。近年来，由于新能源在电网中的比重逐年提高，有调节性能的水电站为了进一步增大调节能力，普遍进行了扩容改造。其中，利用原导流隧洞作为新的尾水隧洞是技术经济可行的扩容布置方案。因此，经超前论证，应在可行性研究阶段将导流隧洞的结构设计等级予以提高。例如，湖南某高混凝土面板堆石坝经过近20年的运行，成为了一座渗漏很严重的病险坝。为了重新浇筑塌陷的面板混凝土，2014年对原导流隧洞重新恢复了过流能力。因此，对于大坝后期有修复需要的导流隧洞，在前期设计时，应对混凝土的耐久性设计标准予以适当提高。

（4）下闸设计标准问题。在水电梯级开发河流上，由于大型水库，特别是年调节水库的巨大调节作用，原天然情况下的枯水期流量已经失去了意义[3]。因此，下闸设计流量应取所在时段内与上游电站协商好的来流量加区间设计标准对应的流量之和。

（5）导流隧洞过流期因临时修复需要引起的标准选择问题。有些大型水电项目的2条导流隧洞采用了“一高一低”、“一大一小”的布置方式。为了在下闸前修复已经破坏的洞内底板，需要在枯水期创造条件实现单洞过流。为此，小洞的过流标准应满足修复时段内3~5年一遇的流量，且不小于上游电站满发的流量。

3对导流隧洞结构设计的探讨

3.1底板抗冲耐磨设计

文献4总结了国内部分导流隧洞的运行冲刷情况和抗冲耐磨研究。通过总结多个工程的建设实践经验[4]，可知提高导流隧洞底板抗冲耐磨能力的设计措施有：①选择合适的进口设计高程。在对截流难度不构成严重影响的前提下，导流隧洞的进口设计高程可按高于原河床平均高程2~3m设计。②进口地形条件允许的工程，可在进口明渠内设置拦渣栅，避免过流期推移质进洞。③底板选用C40高强、低坍落度耐磨混凝土，或者刷涂环氧胶泥或环氧砂浆等耐磨材料；边墙和顶拱混凝土的设计强度等级不应低于C25。④在开展混凝土配合比试验研究时，适当提高底板混凝土粗骨料的含量等。

3.2出口消能防冲设计

导流隧洞出口水流具有单宽流量大、水头差小、佛氏数小等特点。传统的扩散和消力池消能普遍消能率比较低，由此造成出口冲刷破坏比较严重，且水流归槽不顺。金沙江上游的苏洼龙水电站导流隧洞出口消能打破常规，采用洞内消力池加反台阶消能设计取得了满意的效果。苏洼龙水电站导流隧洞尺寸为15m×19m（宽×高），设计流量为5243m3/s，出口具有单宽流量大（＞300m3/s）、弗劳德数低（Fr=1~2）、覆盖层深厚等特点，由于苏洼龙水电站导流洞出口流速高，难以形成水跃，消能难度较大，造成下游冲刷严重，常规的消能措施不能满足设计要求，设计结合水力学模型试验研究，对反台阶消能进行了试验研究[5]。反台阶消能的机理是利用底板上的连续、不规则的反台阶尾坎代替传统尾坎体形（如图1所示），水流与反台阶分层碰撞，分层消减能量，增强出池前水流碰撞、掺混、紊动流态，实现碰撞消能[6]。苏洼龙水电站导流隧洞的反台阶消能经过了2018年汛期大流量及白格堰塞体溃决产生的洪峰过流考验，图2为经受大流量过流时的水面情况。实践证明，反台阶消能理念先进，技术及经济指标优越，为后续单宽流量大、弗劳德数低、覆盖层深厚条件下的导流隧洞出口消能布置提供了新的设计理念和思路，具有广泛的参考及借鉴作用。

3.3衬砌结构设计

根据近十余年来导流隧洞衬砌结构设计的实践经验，需要重视以下问题：

（1）控制荷载工况的选择。在正常情况下，衬砌结构的控制工况为下闸蓄水后的高外水位作用期（闸门井设在大坝轴线附近的个例除外）。对于闸门井呈岸塔式布置的导流隧洞而言，大坝帷幕线上游的洞段应全部进行混凝土衬砌，其原始设计外水位应取导流洞封堵施工期相应标准对应的库水位，衬砌的设计厚度与下游相比可适当加大。综合考虑帷幕灌浆和洞顶排水孔的折减作用，大坝帷幕线下游的洞段原始设计外水位可按高于洞顶5~10m控制，衬砌的设计厚度可适当减薄，其中，II类围岩的顶拱可采用喷混凝土结构。设计外水压力的取值应结合水文地质条件和洞衬施工工艺，对外水位进行折减。一般而言，洞顶的回填灌浆结束后，水泥结石会产生一定的收缩，因此，洞顶的外水荷载只考虑排水孔折减而不考虑作用面积折减。隧洞边墙和底板因一般不设排水孔，且与围岩接触十分紧密，其外水荷载主要通过岩石的孔隙或破碎带作用在衬砌上，因此，外水荷载应综合考虑作用面积等因素进行折减。在隧洞过流期的内水荷载作用下，因洞顶排水孔有平衡内外水的作用，因此，过流工况一般对衬砌结构设计不起控制作用，只是对于部分顶拱采用喷混凝土的结构，其抗冲流速应控制在允许范围内。

（2）排水孔和固结灌浆的布置。排水孔和固结灌浆都是导流洞结构的安全措施。除了距离库岸较近和透水性强的洞段外，排水孔应沿顶拱全线布置。排水孔的入岩深度和间排距应按水工隧洞设计规范的有关规定布置。多个导流隧洞下闸后渗水情况表明，位于大坝帷幕线上游且受下闸后高外水位影响较大的洞段，排水孔的布置不可过多，否则会造成下闸后洞内排水困难。对于软岩洞段，为避免内水外渗恶化围岩的稳定，可在排水孔上增设防内水外渗的机关。除了大坝帷幕线下游的II类围岩洞段外，固结灌浆应沿洞线全方位布置。

（3）结构计算。有的导流隧洞底板被磨穿后，在下闸后的高外水荷载作用下，并没有出现结构失稳现象。究其原因，主要有：①底板被磨穿后，洞内渗水情况的加剧在一定程度上降低了外水压力。②锚杆对衬砌结构产生了较大的约束作用。③下闸后，在短期内没有形成稳定的渗流场，设计对外水荷载的折减与实际不符。④围岩作为一种承载结构，在外水荷载作用下，和衬砌结构形成了联合受力。综上所述，笔者提出以下结构设计观点：①对于建筑物等级为3级或地质条件复杂的导流隧洞，应采用有限元法和结构力学法2种计算方法对结构进行对比计算分析。当计算结果相差较大时，可选用有限元计算结果。②对于运行时间长、底板冲刷破坏严重的导流隧洞，应增加底板被磨断后考虑锚杆约束的计算工况。③引入概念设计的观点。例如，锚杆外露部分的长度应按抗拉钢筋的锚固要求进行焊接加长布设，在衬砌的“刚架”拐角外侧设置加强角筋等。

3.4封堵设计

导流隧洞封堵体实际上是永久挡水建筑物的组成部分。针对传统工艺存在的施工工艺复杂、施工周期长等缺点，在黄河上游的李家峡水电站导流隧洞封堵体设计时，采用了掺加复合膨胀剂的新工艺，取消了接触灌浆和冷却灌浆系统，推动了技术进步。近年来，笔者在以往工作的基础上，总结提炼出以下2个观点：①经论证，可采用国家发明专利滑移式封堵体。滑移式封堵体的设计构思为，导流隧洞下闸后，先浇筑封堵体的底板找平层，然后铺设铝板，在边墙和顶拱喷涂乳化沥青，在迎水面以下0.5m附近埋设铜止水。随后快速浇筑封堵体，并取消冷却水管和接触灌浆。回填灌浆结束后，封堵体就具备运行条件。在水压力作用下，楔形封堵体产生水平变位，并与围岩呈挤压接触状态。该方案可把封堵体的施工周期控制在2个月以内，使得汛前3个月下闸蓄水成为可能。②临时封堵体有抢险和围堰2个功能。在浇筑过程中，因没有温控措施，在浇筑完成后的2、3个月内，临时封堵体不会和边墙脱开，因而在稳定计算时应考虑临时封堵体与边墙的C值。永久封堵体的施工过程中因有温控措施，永久封堵体和临时封堵体之间会产生温度收缩缝，因此，二者不能联合受力。

3.5后期排气设计

当导流隧洞的闸门井选在进水口部位，并呈岸坡式布置时，封堵体上游洞段在下闸后实际上形成了一个比较大的空间。当封堵体具备挡水条件后，上游渗水逐渐把洞内空气压缩在洞顶一个比较小的范围内，形成高压气囊。东北某导流隧洞的封堵体在关闭了排水钢管进行固结灌浆收尾施工时，曾发生过气爆安全事故。为此，在进水口结构设计时，可在洞顶布置一条排气钢管，将下闸后的洞内压缩空气引至封堵体施工期对应的设计库水位以上，以避免在洞内高压水作用下产生气爆现象。

4有关环保设计和施工设计的探讨

4.1环保设计

导流隧洞过流后改变了原河段的水流特性，即使在枯水期，洞内平均流速也大于洄游性鱼类的最大限制流速。因此，对于洄游性鱼类比较集中的河段，可尝试在导流隧洞出口附近布置临时性集鱼设施，再通过机械运输至上游放生。与导流隧洞设计相关的环保设施主要为临时生态流量放水洞。根据金沙江旭龙水电站临时生态放水洞的布置经验，需要重视以下问题：①临时生态放水洞可以和导流隧洞结合布置，临时生态放水洞的建筑物设计级别应和导流隧洞一致。②生态放水洞呈旁通洞布置时，临时生态放水洞的出口方向应与导流隧洞轴线平行。③水力学条件复杂的临时生态放水洞，除了设置工作弧门和封堵闸门外，经论证，还可考虑再增加一套不设门槽、采用拍门方式下闸的平板门。④生态放水洞和导流隧洞的闸门都应在安装结束后开展探伤检查作业。

4.2施工设计

近十余年来，导流隧洞施工设计积累了丰富的经验，主要有：①按光面爆破要求开挖的大型水工隧洞，其边顶拱的开挖平整度比较理想，但底板受出渣车辆反复碾压、浇筑前高压水冲洗等影响，超挖现象普遍严重。承包商提出的索赔现象比较普遍。②用钢模台车浇筑的混凝土，其糙率可控制在0.0125以内。而设计普遍选用0.014的糙率，由此造成导流隧洞的实际泄流能力普遍大于设计值5%以上。③金沙江上游部分导流隧洞在底板混凝土浇筑前，先浇筑找平层混凝土能够节省备仓时间。底板浇筑完成后，先铺设隔离层，再浇筑厚10cm的低强混凝土保护层，这样能够保证底板的平整度。施工工艺的改善在一定程度上提高了施工质量。④导流隧洞的进出口设计仍沿用了传统的高边坡开挖，这种设计理念与交通行业相比明显落后。对于有压隧洞而言，顶拱以上的覆盖岩体重量只要满足内水作用下的安全要求，就可借鉴交通行业的洞口施工经验，将边坡开挖高度控制在最低范围内。⑤在过流前，闸门井门楣以上的混凝土应全部浇筑完毕，门槽保护框的尺寸应考虑后期提取方便等因素，闸门组装结束后应进行探伤检查等。

5结论

水电水利工程的高质量发展理念对导流隧洞的设计提出了新要求。本文总结了十余年水电工程中导流隧洞的建设经验和教训，分析了导流隧洞建设过程中出现的问题，探讨了导流隧洞在设计标准、结构设计、环境保护、施工工艺等方面的新观念，得到以下结论：

（1）导流隧洞作为一种高风险建筑物，其结构设计标准和耐久性标准可结合工程的长远规划要求适当提高。大坝施工期的度汛标准应作为导流隧洞的校核标准。在勘测设计的投入上，导流隧洞应和主体工程同等对待。

（2）抗冲耐磨和出口消能防冲设计应在总结现有经验的基础上进一步完善。高外水荷载作用下衬砌受力分析可采用有限元法。过流时间长、坝址区洄游性鱼类多的导流隧洞可尝试在出口附近布置临时集鱼设施。

（3）导流隧洞的进出口边坡设计可借鉴交通行业的经验，更新设计理念，优化施工方案，在条件允许的情况下将边坡开挖高度控制在最低范围内。

参考文献：

[1]姚福海.论大中型水电工程导流隧洞的设计布置[J].水电站设计，2007(1):1-4,9.

[2]中华人民共和国国家发展和改革委员会.水电工程施工组织设计规范：DL/T5397—2007[S].北京：中国水利水电出版社，2007.

[3]阎崇林，漆祖芳，王英.大型导流隧洞群下闸封堵风险分析及对策[J].人民长江，2021（8）：158-165.

[4]姚福海.新时期高坝建设中的环保和安全管理对策研究[C]//2019年全国大坝学术年会论文集，昆明：中国大坝工程学会2019学术年会，2019:443-450.

[5]薛宝臣，王剑涛，史晓阳，等.苏洼龙水电站导流隧洞设计[J].四川水力发电，2018（6）：120-121,128.

[6]吴时强，王芳芳，王威，等.一种反台阶消力池整流消能方法及消力池:201510083336.3[P].2015-06-03.

作者:姚福海 常作维 何伟 郑爱武 单位:国家能源集团金沙江分公司 水电水利规划设计总院 华能集团澜沧江流域水电开发有限公司