簡崇林 漆祖芳 王英

摘要： 高拱壩通常會在壩身較低高程處設置導流底孔，以降低下閘安全風險，同時滿足中后期導流和初期蓄水時下游生態(tài)供水需求。但由于高拱壩壩體底部空間有限，壩身設置導流底孔易導致壩體結(jié)構(gòu)復雜、占用大壩直線工期、投資大、初期蓄水泄放生態(tài)流量小甚至下游脫水斷流等問題。以中國首個壩身不設導流底孔的高拱壩——烏東德大壩為例，開展了復雜地質(zhì)條件下超大型導流隧洞群下閘封堵風險分析及對策研究，分別從下閘遇超標流量、閘門失穩(wěn)、下閘不到位、地下洞室失穩(wěn)、異常滲漏、洞內(nèi)氣爆、工期延遲等安全風險方面展開具體分析，并研究制定相應對策，保障了烏東德水電站導流隧洞下閘封堵安全。相關安全風險應對措施和管理經(jīng)驗可為類似工程提供借鑒參考。

關 鍵 詞： 導流隧洞; 下閘封堵; 導流底孔; 烏東德水電站

中圖法分類號： ?TV551

文獻標志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.024

0 引 言

高山峽谷地區(qū)修建高拱壩，在施工導流后期，一般多采用在壩身較低高程部位設置導流底孔（國內(nèi)外高拱壩導流底孔布置情況見表1），以解決導流隧洞下閘蓄水期的下游供水問題，降低導流隧洞動水下閘水頭及下閘風險。烏東德水電站處于金沙江高山峽谷地區(qū)，河床狹窄，底部壩體空間有限，在壩身設置導流底孔，并布置閘門等啟閉設備及相應的附屬結(jié)構(gòu)較為困難，開設孔洞也不利于壩體結(jié)構(gòu)受力安全且使用時間短、經(jīng)濟性較差。為此，烏東德水電站首創(chuàng)了特高拱壩壩身不設導流底孔方案，將5號導流隧洞改建為生態(tài)放水洞，以避免平板閘門高水頭動水閉門高風險，并解決了下閘蓄水期下游供水問題，導流隧洞全部下閘后由大壩中孔和泄洪洞聯(lián)合向下游泄流。

第二批導流隧洞下閘后，水庫開始初期蓄水，上游庫水位將連續(xù)抬升，第二批導流隧洞將在上游高水頭條件下進行永久堵頭施工，相關大型地下洞室群的穩(wěn)定安全風險也隨之增大，導流隧洞能否順利安全地完成下閘封堵，直接關系到蓄水發(fā)電目標能否實現(xiàn)，這是水電站建設成敗的最關鍵一環(huán)。國內(nèi)部分水電站在初期蓄水期曾發(fā)生過閘門失穩(wěn)事故，如新疆吉勒布拉克水電站導流隧洞閘門失穩(wěn)事故緊急疏散近8 000人，金沙江魯?shù)乩娬旧鷳B(tài)放水孔閘門失穩(wěn)事故直接損失約6億元。本文以烏東德水電站為例，分析復雜地質(zhì)條件下超大規(guī)模導流隧洞群在高水頭條件下下閘封堵的風險及對策，可為同類工程提供經(jīng)驗參考。

1 工程背景

1.1 基本情況

烏東德水電站是金沙江下游四大水電梯級中的最上游梯級，壩址位于四川省會東縣和云南省祿勸縣境內(nèi)。樞紐建筑物由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成[18]，如圖1～2所示。擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，水庫正常蓄水位975.0 m，壩頂高程988.0 m，壩高270.0 m。泄洪采用壩身泄洪為主、岸邊泄洪洞為輔的方式，壩身布置5個表孔和6個中孔，3條泄洪洞均布置于左岸靠山側(cè)。引水發(fā)電系統(tǒng)采用地下廠房式，左、右兩岸各布置6臺單機容量850 MW的水輪機組，總裝機容量1 020萬kW。

烏東德導流隧洞均靠山里側(cè)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號、2號和右岸3號、4號導流隧洞為“大低洞”，如圖3所示，過流斷面尺寸為16.5 m×24.0 m，右岸5號導流隧洞為“小高洞”，過流斷面尺寸為12.0 m×16.0 m，具體參數(shù)如表2所列，5條導流隧洞斷面型式均為城門洞形。右岸5號高導流隧洞除參與初期導流外，還在導流隧洞下閘封堵期承擔下游供水任務[19]。

1.2 水文氣象條件

金沙江流域的徑流主要來源于降水，上游地區(qū)有部分融雪補給。流域內(nèi)暴雨一般出現(xiàn)在6～11月，其中以7～9月居多，中下游在此期間出現(xiàn)暴雨的頻率在80%以上。烏東德水電站壩址處多年平均降水量為825 mm（巧家縣），壩址處年徑流量為1 207億m3，年平均流量3 850 m3/s，壩址徑流設計成果如表3所列。洪水設計成果及近10 a 10～12月的實測洪峰流量如表3～5所列。根據(jù)金沙江上游電站運行情況可知，烏東德水電站下閘封堵期施工分期洪水主要考慮觀音巖和桐子林水電站調(diào)蓄的影響，最大瞬時流量設計成果如表6所列。

2 導流隧洞下閘程序及下閘時機

由于右岸3號和4號導流隧洞進口大幅度錯開布置，進洞點順洞軸線方向相差70.0 m，該部位中隔墩巖體質(zhì)量為Ⅳ1～Ⅳ2級，邊坡結(jié)構(gòu)以順向坡為主（見圖4），開挖期中隔墩巖體最小厚度為13.77 m，襯砌及支護完成后中隔墩巖體最小厚度為21.5 m[20]。為提高右岸3號和4號導流隧洞進口部位封堵期擋水安全度，創(chuàng)新性地采用了封堵閘門結(jié)合永久堵頭第一段提前擋水的下閘封堵方法[21]，1～5號導流隧洞群由常規(guī)的同批一次下閘調(diào)整為分批分序下閘，調(diào)整后右岸3號、4號導流隧洞封堵門擋水水頭由108.88 m降低至33.00 m。

導流隧洞按照4號→3號→1號→2號→5號的順序于2019年11月至2020年1月下旬分批分序下閘。具體安排如下：

① 2019年11月上旬，右岸4號、3號導流隧洞依次下閘封堵;② 2020年1月上中旬，在右岸4號、3號導流隧洞永久堵頭第一段完工并具備擋水條件后，左岸1號、2號導流隧洞依次下閘;③ 2020年1月下旬，水庫水位蓄至890 m，大壩中孔可滿足下泄不小于生態(tài)流量385 m3/s時，5號導流隧洞下閘封堵。下閘程序如圖5所示，計劃封堵時間如表7所列。

3 導流隧洞下閘封堵安全風險分析及對策

3.1 右岸4號和3號導流隧洞下閘安全風險

3.1.1 風險分析

（1） ?超標洪水風險。

烏東德水電站導流隧洞斷面大，采用新型不擴挖直柱型堵頭形式[22]，堵頭長度最長95 m，最短50 m。需要對原襯砌混凝土進行刻槽、鑿毛，增設銅止水等施工，且3號和4號導流隧洞永久堵頭第一段需具備擋水條件后才能進行1，2號和5號導流隧洞的下閘。因此，導流隧洞封堵工期極為緊張，4號和3號導流隧洞宜盡早下閘。由于10月份還處于汛末，如遇到水位超過846.00 m以上的洪水（4號、3號導流隧洞閘門頂高程為846.00 m），江水將倒灌進入閘門背后，涌進洞內(nèi)，影響堵頭施工。根據(jù)二灘水電站建成后多年統(tǒng)計成果可知，4號導流隧洞10月初下閘時，10月上旬實測最大洪峰流量為11 300 m3/s，對應上游水位845.85 m，距4號和3號導流隧洞閘門頂僅0.15 m;3號導流隧洞10月中旬下閘時，10月中旬實測最大洪峰流量為8 365 m3/s，對應上游水位845.11 m，距4號和3號導流隧洞閘門頂僅0.89 m。

（2） 閘門失穩(wěn)風險。

4號和3號導流隧洞進口閘門是利用臨時檢修門改造而成，設計擋水水頭34.00 m，水位為846.00 m，經(jīng)設計復核，考慮安全系數(shù)，閘門最大承載力可以抵擋848.00 m水位（1～2號導流隧洞泄流條件下，上游848.00 m水位對應流量為9 191 m3/s）。若遇到水位超過848.00 m的洪水，進口閘門可能失穩(wěn)破壞，江水直接涌入洞內(nèi)，此時4號、3號導流隧洞第一段堵頭正在施工，洞內(nèi)施工作業(yè)人員將面臨巨大安全風險。同時由于右下2號施工支洞作為堵頭施工交通洞已打開，洞內(nèi)涌水也將通過尾水洞灌進并淹沒主廠房，后果極為嚴重。此外3號、4號導流隧洞洞內(nèi)需要重新抽排，洞內(nèi)封堵工期將進一步壓縮（約15～30 d），后續(xù)堵頭施工工期壓力會更大，對2020年度汛安全也將造成影響。

3.1.2 對 策

（1） 協(xié)調(diào)上游電站控制來水流量，根據(jù)水情預報擇機安排導流隧洞下閘，下閘期間按1 h/次加密發(fā)布水情通告。

（2） 在右岸導流隧洞進口加高2 m擋水墻至848.00 m，防止超標洪水時江水進入導流隧洞。

（3） 當預報壩前水位可能超過848 m（9 191 m3/s時），則采用洞內(nèi)充水平壓方式，防止閘門損壞。

（4） 在右下2號施工支洞設置臨時封堵閘門，當采用充水平壓時，封堵此閘門，確保出現(xiàn)超標洪水時不淹沒地下廠房。

（5） 對新型直柱型堵頭封堵設計和工藝進行優(yōu)化，加快4號和3號導流隧洞第一段堵頭施工進度，確保永久堵頭第一段盡早具備擋水條件，降低安全風險影響。

3.2 ?左岸2號導流隧洞進口閘門下閘不到位風險

3.2.1 風險分析

2號導流隧洞下閘后，水位迅速抬升，按設計原則，3 h內(nèi)應確定閘門是否順利下閘到位，以此判定是否需要提起閘門重新下閘。下閘不到位將導致閘門漏水，增加洞內(nèi)抽排量，影響洞內(nèi)施工。此外由于進口啟閉機驅(qū)動采用的是臨時電源，提門過程中也存在操作失靈風險。

3.2.2 對 策

（1） 引入多種精確測量手段，潛水員進行水下檢查，準確及時判斷閘門是否下閘到位[23]。

（2） 復核導流隧洞進口閘門事故工況提門操作水頭、啟閉力，制定下閘風險應對措施，做好電源可靠性保障預案（如配置備用電源）。

（3） 備足黏土、棉絮、石渣等應急物質(zhì)，在閘門下閘不到位時拋入門前堵塞漏水[24]。

3.3 右岸5號導流隧洞下閘失敗風險

3.3.1 風險分析

5號導流隧洞下閘過程中可能因門槽卡阻或供電、設備故障引起閘門無法正常下閘，另外下閘時低線路6-2隧洞和各支洞若發(fā)生較大滲水，也可能導致閘室不能進人，無法完成弧形閘門下閘操作。

若5號導流隧洞下閘失敗，此時只有5號導流隧洞過流，其他4條導流隧洞均已淹在水下無法過流（4號、3號導流隧洞已完成第一段堵頭，1號和2號導流隧洞進口無法提門），5號導流隧洞將面臨長時間高速水流過流的考驗，若不能及時封堵，勢必會造成沖刷性破壞，下閘失敗且不可修復。

3.3.2 對 策

（1） 從弧門閘室牽引一套至洞外蓄水位以上的遠程操作系統(tǒng)，并提前做好測試、調(diào)試，確保弧門下閘順利。

（2） ?在低線路6-2隧洞封堵時，預留去往5號導流隧洞弧門閘室操作的臨時進人通道，增設封堵鋼門，并配置足夠抽水設備，及時排出6-2隧洞滲漏積水。

（3） 在5號導流隧洞弧門閘室布置監(jiān)控攝像頭，下閘期間24 h不間斷監(jiān)控，若出現(xiàn)高速水流沖刷較為嚴重情況，立即將進口閘門和弧門下閘到底，確保工程安全。

3.4 不良地質(zhì)段洞室失穩(wěn)風險

3.4.1 風險分析

左岸1號和2號導流隧洞進口段及其施工支洞與左岸低線路5-3隧洞相交范圍內(nèi)，局部發(fā)育有巖溶;右岸5號導流隧洞上游段、低線路6-2隧洞巖體質(zhì)量為Ⅳ1～Ⅳ2級，地質(zhì)條件較差，尤其是6-2隧洞在開挖期間塌方較多，襯砌后仍發(fā)生多次較大圍巖變形，后經(jīng)加固處理變形得到控制。5號導流隧洞下閘后，1號和2號導流隧洞進口段、5號導流隧洞進口與堵頭之間（長約700 m）、低線路6-2隧洞未封堵段水頭為60.00～106.88 m，上述洞室的透水和穩(wěn)定安全風險較大，若失穩(wěn)江水將直接涌入洞內(nèi)，對導流隧洞封堵造成致命影響。

3.4.2 對 策

（1） 如圖6所示，應用孔洞、地質(zhì)缺陷三維可視化技術(shù)，全面復核所有相關洞室地質(zhì)及封堵情況，對可能存在尚未處理的地質(zhì)缺陷和孔洞進行排查，采取相關工程措施進行加強處理。

（2） 在4號和5號導流隧洞增加減滲減壓措施（4號導流隧洞封堵排水孔，5號導流隧洞增加排水孔），1號和2號導流隧洞增加臨時擋水坎等。

（3） 導流隧洞下閘封堵期間，加強洞室滲水、圍巖變形情況的巡視、觀測、記錄及信息報送工作，24 h專人巡查、報告，以便異常情況及時處理。

（4） 下閘前完成相關安全監(jiān)測設施的布置，采集初始數(shù)據(jù)，實時掌握下閘過程中各項監(jiān)測數(shù)據(jù)情況。

3.5 異常滲漏風險

3.5.1 風險分析

（1） 下閘后閘門周邊、閘后洞段若發(fā)生大流量滲、涌水，且洞內(nèi)無法及時抽水，將對堵頭施工安全產(chǎn)生嚴重影響。

（2） 下閘后，在高水頭作用力下，江水可能沿襯砌排水孔或施工縫滲出，將危及襯砌結(jié)構(gòu)和上游洞身段圍巖穩(wěn)定安全，從而影響堵頭混凝土施工。

（3） 與下閘蓄水相關的需封堵的，若孔洞封堵遺漏或封堵質(zhì)量不合格，將帶來不可預見的重大安全風險。

3.5.2 對 策

（1） 在堵頭內(nèi)增設排水管，加大閘門后滲漏水抽排力度，同時施工組織設計中充分考慮異常滲漏工況，并做好應對措施。

（2） ?在首批導流隧洞下閘后、上游處于低水頭時，對堵頭區(qū)域原襯砌排水孔進行灌漿封堵，如4號、3號導流隧洞堵頭第一段，若封堵后在高水頭時存在滲水量較大的情況，應提高灌漿壓力進行減滲灌漿處理。

（3） 梳理出所有與下閘蓄水相關的孔洞封堵清單，包括施工支洞、勘探平硐、勘探鉆孔、通風井等，烏東德下閘蓄水需封堵干線交通洞、施工支洞共117條，勘探平硐共100條，勘探鉆孔共85個，經(jīng)不同階段多次梳理分析，明確了所屬標段及責任單位，建立銷號制，并對孔洞封堵現(xiàn)場實行24 h監(jiān)理旁站制度，逐一檢查封堵質(zhì)量，確保無一遺漏，質(zhì)量合格。

3.6 導流隧洞內(nèi)產(chǎn)生氣爆風險

3.6.1 風險分析

左岸1號、2號導流隧洞和右岸5號導流隧洞永久堵頭完工后，隨著水位抬升，導流隧洞滲水增加，擠壓封堵閘門和堵頭洞段空氣，可能產(chǎn)生氣爆風險，影響封堵閘門、導流隧洞及堵頭混凝土結(jié)構(gòu)安全，甚至導致封堵失敗。

3.6.2 對 策

為順利充水排氣，在左岸泄洪洞進口邊坡和右岸導流隧洞進口邊坡分別布置通氣孔和充水孔，將通氣孔引至不低于925.00 m高程（見圖7），消除洞內(nèi)氣爆風險。

3.7 施工工期延遲風險

3.7.1 風險分析

由于烏東德大壩不設導流底孔，為確保堵頭施工安全，導流隧洞封堵必須在一個枯水期內(nèi)（2020年汛前）全部完成，同時由于下閘由同批一次下閘調(diào)整為兩批次下閘后，4號和3號導流隧洞第一段堵頭施工需在2020年1月中旬前完成，施工時間僅有3個月，1號、2號、5號堵頭施工需在5月中上旬完成，時間也僅4個月，堵頭施工時間非常緊張。堵頭混凝土施工前，涉及尾水清淤、下閘、抽水等不確定因素，同時堵頭刻槽、鑿毛施工困難，工效低，施工過程中一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，將直接影響整個堵頭施工工期，對蓄水及發(fā)電均產(chǎn)生直接影響。

3.7.2 對 策

（1） 提前做好下閘、封堵前的各項準備工作，包括：下閘流程明白卡、技術(shù)方案、工藝試驗、資源設備、作業(yè)隊伍、應急預案等，認真進行技術(shù)交底，以便快速高效組織堵頭混凝土施工，盡早滿足擋水條件。

（2） 提前研究落實下閘封堵的相關經(jīng)濟合同變更處理，增加保證春節(jié)期間連續(xù)施工的專項費用。

（3） 配置足夠的抽水設備，采用“浮船泵站+施工支洞排水孔”的方式抽排水，縮短抽水時間。

（4） 采用液壓破碎機大幅提高刻槽、鑿毛效率，將堵頭上游兩道銅止水由埋入式優(yōu)化為“L”形粘貼式，降低施工難度，如圖8所示。

（5） 采用大型布料機澆筑為主、泵送澆筑為輔的澆筑方式，分層由3 m調(diào)整至6 m，采用低塌落度的低熱混凝土，加密冷卻水管間距，由智能通水系統(tǒng)（見圖9）高效進行混凝土溫控;采用預制灌漿廊道為灌漿創(chuàng)造有利條件。

（6） ?聯(lián)合參建各方成立導流隧洞下閘封堵領導小組，對下閘封堵過程中出現(xiàn)的問題，及時研判、決策、處理，為導流隧洞順利下閘封堵提高堅強可靠的保障。

4 下閘封堵情況及相關問題處理

4.1 下閘封堵情況

2019年10月至2020年1月，烏東德水電站按4號→3號→1號→2號→5號順序分批完成了導流隧洞下閘封堵，實現(xiàn)中孔過流，期間右岸3號和4號導流隧洞永久堵頭第一段封堵完成并具備擋水條件。在前期各項風險應對措施落實到位后，下閘過程總體順利，下游河道最小下泄流量高達238 m3/s，滿足環(huán)評批復和蓄水計劃審批要求，是首個實現(xiàn)不斷流的電站。

4.2 相關問題處理

4.2.1 左岸1號導流隧洞上游段滲水

（1） 通氣孔漏水。

導流隧洞全部下閘后，在水位超過858.00 m時，導流隧洞上游段布置的通氣孔漏水，流量約350 m3/h。經(jīng)分析，通氣孔漏水來自邊坡卸荷裂縫巖體的涌漏水，未與金沙江連通，滲漏量總體可控，不會影響襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖穩(wěn)定安全。處理措施：對通氣孔高程850.00 m以上，采取下套管和阻漿塞等措施進行回填處理;對高程850.00 m以下，作為減小襯砌外水壓力的排水措施不封堵。

（2） 小溶洞KW3漏水。

該出水點自2012年5月開挖揭露以來一直存在漏水現(xiàn)象，出水流量約150 m3/h（與蓄水前無變化），總體分析KW3為山體地下水，來源穩(wěn)定，未受江水位上升影響。

處理措施：在導流隧洞永久堵頭下部預埋排水鋼管（排水能力5 000 m3/h），滿足堵頭施工期排水。

4.2.2 ?右岸3號、4號導流隧洞永久堵頭部位滲水

在2號導流隧洞下閘后到大壩中孔過流前，因水位上升，3號、4號導流隧洞永久堵頭第一段預埋灌漿管出現(xiàn)不同程度滲水，滲水量分別約為40，24 m3/h，主要集中在永久帷幕線上游，帷幕線下游側(cè)滲水量總體較少。處理措施為：① 利用導流隧洞永久堵頭部位預埋的接觸兼固結(jié)灌漿孔反灌處理，自下游向上游、自低處向高處分區(qū)灌漿[25];② 后期從高程850.00 m灌漿廊道對大壩防滲帷幕進行補強灌漿，強化襯砌與圍巖，堵頭與襯砌之間的防滲效果。

各滲水部位經(jīng)減滲灌漿處理后，滲水明顯減小。綜合現(xiàn)場巡查和安全監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，下閘后地下工程其他洞室滲水較小，未出現(xiàn)異常情況，下閘效果總體良好。

5 結(jié) 論

（1） 烏東德水電站高拱壩不設導流底孔的方式簡化了壩體結(jié)構(gòu)，有利于大壩結(jié)構(gòu)安全，縮短了大壩直線工期，節(jié)約了工程投資，利用5號導流隧洞改建弧門控泄，保證了下游供水和生態(tài)流量。

（2） 烏東德水電站第二批下閘導流隧洞在高水頭條件下下閘封堵，存在遇超標流量、閘門下不到位、不良地質(zhì)段洞室穩(wěn)定、異常滲漏、洞內(nèi)氣爆、工期延遲等安全風險，尤其是對地下工程影響最大，需高度重視并研究制定對策。

（3） 采取回填堵漏、埋管引排、減滲灌漿等措施，能有效控制或減小下閘后水位抬升出現(xiàn)的洞室滲水現(xiàn)象。

（4） 通過提前充分準備、精準施策、高效組織、成立領導小組及時決策、協(xié)調(diào)上游控制來水流量、加密水情預報、成立現(xiàn)場24 h巡查工作組、建立信息溝通、報送和應急反應機制等，2019年10月至2020年1月順利完成了烏東德水電站5條導流隧洞下閘和3號和4號導流隧洞第一段永久堵頭封堵，為后續(xù)導流隧洞封堵和蓄水發(fā)電創(chuàng)造了有利條件。

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（編輯：胡旭東）

引用本文：

簡崇林，漆祖芳，王英.大型導流隧洞群下閘封堵風險分析及對策：以烏東德水電站為例

[J].人民長江，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