(1.國電金沙江旭龍(奔子欄)水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041； 2.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

金沙江上游旭龍水電站為Ⅰ等大(一)型工程，位于云南省德欽縣與四川省得榮縣交界的金沙江干流上游河段，下游距奔子欄鎮(zhèn)72.8 km，上游距昌波壩址75.5 km。壩址控制流域面積18.95萬km2，多年平均流量990 m3/s，多年平均徑流量313億m3。擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程2 308 m，最大壩高213 m，壩身設3個表孔和4個中孔泄洪；引水發(fā)電建筑物布置在右岸，地下電站裝機容量為2 250 MW，正常蓄水位為2 302 m，死水位2 297 m。壩址兩岸岸坡陡峻，為典型的“V”型峽谷地形，不具備開挖形成明渠導流的條件，無法采用分期導流。兩岸山體雄厚，巖石地質(zhì)條件適宜修建大型地下洞室，同時由于旭龍水電站為雙曲薄拱壩，壩體較高，技術復雜，對施工要求高、工期長，汛期壩體過水對壩體結(jié)構存在不利影響，不宜采用過水圍堰方案。經(jīng)多方比選,旭龍水電站采用河床一次性攔斷、圍堰全年擋水、導流隧洞泄流的導流方式。

旭龍水電站大壩、泄洪和引水發(fā)電等建筑物級別為1級，根據(jù)規(guī)范[1]并綜合各方面因素，確定上、下游圍堰及導流隧洞為4級建筑物。初期導流設計洪水標準采用20 a一遇洪水[2]，相應最大瞬時流量為6 420 m3/s；中期導流為壩體澆筑高程超過上游土石圍堰堰頂高程后至導流隧洞下閘封堵完成的時段，此階段壩體臨時度汛標準為100 a一遇洪水，相應最大瞬時流量7 930 m3/s；后期導流為導流隧洞下閘封堵至壩體澆筑到頂?shù)臅r段，此時壩體度汛設計洪水標準為200 a一遇(8 560 m3/s)，校核洪水標準為500 a一遇(9 370 m3/s)。

旭龍水電站施工導流主要存在以下難題:① 導流流量較大，導流隧洞斷面尺寸及圍堰規(guī)模組合較多；② 地形地質(zhì)條件復雜，尤其是導流隧洞出口與堆積體關系密切，需論證出口位置；③ 導流隧洞下閘后向下游供水流量大，導流程序復雜。施工導流直接關系到工程的施工程序、施工總布置以及施工安全性，且對樞紐建筑物布置、工程投資和總工期的影響較大，是影響工程全局的重要問題之一[3-5]。本文通過對旭龍水電站導流建筑物規(guī)模、導流隧洞出口布置以及下游供水等關鍵問題開展研究，選定了導流方案及各項技術措施，妥善解決了從初期到后期導流設計全過程中擋水、泄水及生態(tài)供水等問題，為確保樞紐工程建設順利進行奠定了基礎。

1 導流建筑物規(guī)模研究

圍堰和導流隧洞的規(guī)模相互影響，需綜合考慮地形地質(zhì)條件、導流隧洞泄流條件及圍堰施工進度等綜合確定。結(jié)合旭龍水電站布置條件，若布置1條導流隧洞，圍堰在60 m左右高度時[6-8]，導流隧洞的斷面尺寸達到18 m×20 m，雖仍在國內(nèi)施工水平掌控之下[8-10]，但導流隧洞施工難度大、施工期洞室垮塌的風險增加，施工期臨時支護工程量增大，且單洞運行靈活性差，對不利條件的適應性差，下閘風險大，也不利于向下游供水問題的解決；若布置3條導流隧洞，雖然施工技術有保證，但3條隧洞開挖及支護襯砌工程量大，導流工程投資大。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果可知，導流隧洞穿越地層主要為花崗巖、斜長角閃片巖和混合巖，局部有裂隙密集帶及斷層，圍巖類別主要以Ⅲ類為主，總體圍巖條件較好，宜在左岸布置2條導流隧洞，隧洞斷面規(guī)模適中，施工有保證。

1.1 導流隧洞方案

參考國內(nèi)外類似工程，左岸2條導流隧洞考慮高低洞[6]和同高程兩種布置形式，并擬定了不同斷面尺寸方案(見表1)，其中方案1～3為高低洞布置，大洞為低洞，小洞為高洞；方案4～6為同高程布置。在導流流量確定的條件下，通過隧洞泄流能力計算，確定較為合理的導流建筑物規(guī)模。

表1 導流隧洞不同斷面尺寸方案Tab.1 Different section sizes of diversion tunnel schemes

1.2 導流隧洞泄流能力計算

導流隧洞水流流態(tài)主要取決于上下游水位，當下游水位高于洞頂，并發(fā)生淹沒水躍，此時洞內(nèi)流態(tài)為有壓流，如果下游水位較低，且為自由出流時，其洞內(nèi)水流流態(tài)可由上游臨界壅高比進行判別。半有壓流的下限臨界壅高比為τpc=1.2，半有壓流與有壓流分界點的上游臨界壅高比為τfc=1.5，據(jù)此可知,當h/d<τpc時為明流，當τpc≤h/d<τfc時為半有壓流，當h/d≥τfc時為有壓流，其中h為進口底檻以上的水深[11]。

(1) 明流。導流隧洞的長度、底坡、進口型式以及出口條件都直接影響導流隧洞明流狀態(tài)的泄流能力。自由出流條件下緩坡短管的泄流量按非淹沒寬頂堰公式計算：

(1)

(2) 半有壓流泄流能力按下式計算：

(2)

(3) 有壓流。當?shù)灼耰沿程不變時，泄流能力計算公式

(3)

隧洞淹沒出流泄流量按下式計算

(4)

(5)

1.3 導流建筑物規(guī)模選擇

導流隧洞泄流能力計算結(jié)果見表2。分析可知,高低洞布置(過流斷面為14 m×17 m和12 m×16 m)和同高程布置(過流斷面為13 m×17 m)2種方案在初期和中期導流階段洞內(nèi)平均流速均在20 m/s以內(nèi)，不超過國內(nèi)導流工程隧洞過流經(jīng)驗指標。但是高低洞布置時可利用低洞先截流，使高洞施工不受截流節(jié)點限制，有利于施工資源的投入；另外，導流隧洞下閘期間利用高低洞銜接向下游供水，可降低另外設置的供水通道(旁通洞、導流底孔)下閘水頭。因此，推薦采用高低洞布置，斷面尺寸分別為14 m×17 m和12 m×16 m，上游圍堰最大高度約50 m。

表2 不同方案下圍堰最大高度及隧洞斷面平均流速Tab.2 Maximum height of cofferdam and average velocity oftunnel section under different schemes

2 導流隧洞出口布置研究

工程區(qū)影響導流隧洞出口的地質(zhì)構造主要有1號危巖區(qū)和3號堆積體(見圖1)。其中1號危巖區(qū)上游緊鄰大壩基坑，不適宜布置導流隧洞出口；下游接3號堆積體，該區(qū)域邊坡表層巖體破碎，自穩(wěn)能力差。通過比較研究，導流隧洞出口有布置于3號堆積體下游(方案1)和3號堆積體范圍內(nèi)(方案2)2種方案。其中，方案1中高、低導流隧洞的長度分別為1 446.77 m和1 313.18 m，縱坡分別為5.53‰和2.28‰；方案2中高、低導流隧洞的長度分別為1 204.9 m和1 078.3 m，縱坡分別為9.96‰和4.64‰。

圖1 1號危巖區(qū)和3號堆積體影像Fig.1 Image map of No.1 dangerous rock area andNo.3 deposit body

1號危巖區(qū)至3號堆積體下游邊界段邊坡高陡，卸荷強烈，危石、松動巖體成片分布，時有小型崩塌發(fā)生，且該段的凹槽地形使上方大范圍的危石、松動巖體崩塌向該段匯集，對下方的建筑物及人員、設備安全威脅較大。若導流隧洞出口布置在3號堆積體范圍內(nèi)，則需要對3號堆積體及其后緣高位自然邊坡進行系統(tǒng)防治處理，不僅投資高，而且工期長(至少需要24個月)，不能滿足導流隧洞施工及工程總工期要求。

若導流隧洞出口移至3號堆積體下游，3號堆積體后緣高位自然邊坡防護要求可適當降低，只需清除3號堆積體,并在2 280 m和2 350 m高程左右各設置一道攔石墻及被動防護網(wǎng)，對坡面少量極危險的塊體進行處理，即可降低高位自然邊坡的滾石對下游圍堰的施工期安全的影響，工程投資較少；同時，該方案可有效避免3號堆積體及其后緣高位邊坡對導流隧洞構成安全威脅和工期影響。與導流隧洞出口位于3號堆積體邊坡范圍的方案相比，出口下移方案的邊坡處理費用低，且不占用導流隧洞施工工期。

綜合上述各因素，為滿足導流隧洞工程工期，保證導流隧洞施工安全，及避免導流隧洞出口沖刷對岸，導流隧洞出口推薦布置于3號堆積體下游。

3 下游供水方案

旭龍水電站最小下泄流量(生態(tài)流量)為180 m3/s，導流隧洞下閘后，在庫水位上升至壩身中孔可泄生態(tài)流量前，利用生態(tài)供水洞向下游供水。由于導流隧洞是高低洞布置，繼而向下游供水方案[10]有以下3種：① 方案1，導流隧洞設旁通洞方案，高導流隧洞靠山側(cè)設4 m×5.15 m城門洞形旁通洞，進口采用平板門控制，先按高、低導流隧洞順序下閘，旁通洞向下游供水，待大壩中孔滿足下游供水要求后，旁通洞洞內(nèi)弧門下閘。② 方案2，壩身設導流底孔方案，壩身高程855 m布置1個導流底孔，孔口尺寸3 m×5 m。進口設平板門，出口設弧門。先按低、高導流隧洞順序下閘，導流底孔向下游供水，待大壩中孔滿足下游供水要求后，導流底孔下閘。③ 方案3，高導流隧洞改建供水洞方案，高導流隧洞中間直線段上游布置改建堵頭和弧門閘室，改建堵頭內(nèi)預留泄水孔，泄水孔出口設弧門，在泄洪中孔滿足下游供水要求后，弧門下閘關閉泄水孔。

3種方案在技術上均是可行的，均能有效解決初期蓄水期下游供水和安全下閘等問題。但對于方案2，由于旭龍水電站大壩施工進度滿足中、后期導流安全度汛要求，導流底孔不需參與中、后期導流度汛，導流底孔使用時間短，經(jīng)濟性較差，且削弱壩體整體性、增加了施工程序，影響工程進度，工程投資較高。至于方案3，將高導流隧洞改建為具有壩身“導流底孔”功能，采用適應高水頭安全下閘要求的弧門控制的導流泄水建筑物，克服了壩身設置導流底孔存在的問題和不足，也能有效解決初期蓄水期下游供水和安全下閘等問題，但高導流隧洞改建工期長，改建后汛期低洞須單獨度汛，流量大，洞內(nèi)流速高，存在一定風險。方案1中，旁通洞除洞內(nèi)弧門和啟閉設施后期調(diào)試外，其余結(jié)構和設施均在通水前施工完畢，后期導流，高低洞均參與度汛，弧門安裝、調(diào)試時間短，整個導流過程風險可控，工程投資較方案2低。

從旭龍水電站樞紐布置、導流隧洞布置、水文及地形地質(zhì)條件、工程施工進度安排、現(xiàn)場實際條件等方面綜合考慮，推薦方案1，即旁通洞供水方案。具體布置見圖2。

圖2 旭龍水電站施工導流布置Fig.2 Layout of diversion tunels at XulongHydropower Station

4 結(jié) 論

旭龍水電站施工導流具有規(guī)模大、地形地質(zhì)條件復雜、下閘后向下游供水流量大、導流程序復雜等諸多難點，本文通過對旭龍水電站導流建筑物規(guī)模、導流隧洞出口布置以及下游供水等方面內(nèi)容的研究，基本解決了主要技術問題，選定了導流方案及各項技術措施，結(jié)論如下。

(1) 根據(jù)工程特點、地形地質(zhì)及水文條件，旭龍水電站推薦采用全年圍堰一次性攔斷河床、導流隧洞泄流的導流方式。

(2) 經(jīng)方案比選，推薦在金沙江左岸按高低洞布置2條導流隧洞，過水斷面分別為14 m×17 m和12 m×16 m，出口布置在3號堆積體下游；上游全年擋水圍堰最大堰高為50 m，下游圍堰推薦布置于電站尾水出口下游。

(3) 導流隧洞下閘后，由生態(tài)供水洞(旁通洞)向下游供水，直至水位上升至中孔滿足下泄生態(tài)流量要求。