水库工程导流隧洞改建为输水隧洞的设计应用

水库工程导流隧洞改建为输水隧洞的设计应用

刘勇智

浙江杭州310020

摘要：从当前水利水电工程中采用隧洞导流的有利条件出发，介绍导流隧洞设计理论新进展和提高导流隧洞工程效益及安全性技术进展，建议通过经济技术比较和导流模型试验来确定最优导流布置方案。

关键词：隧洞、输水隧洞

1前言

导流是水电工程建设中必不可少的环节，导流的成功与否直接决定着整个工程的工期、投资、第1台机组发电等各个方面，故施工导流方式的选择至关重要。目前主要的导流方式有隧洞导流、分期围堰导流、明渠导流、涵管导流等。

2导流隧洞设计理论

2.1施工导流标准

拟定导流方式和导流方案时，导流设计流量主要取决于导流设计的洪水频率标准，即施工导流标准。施工导流由于面临施工过程中洪水情况未知、施工误差及施工技术等多方面问题，导致导流隧洞实际过流能力与设计过流能力不完全相符，因而选择导流标准实质就是选择要冒多大超标洪水风险的问题，故施工过程中导流系统风险率成为选择施工导流标准的前提和依据。

施工导流系统存在诸多不确定性因素，如影响施工来流量的水文因素、水力因素、大坝施工进度计划因素、结构因素等，施工导流系统的风险是由以上诸多不确定性因素综合产生的。施工导流方式确定前一般需要根据实际情况建立超标和超载风险率模型，分别从经济风险、风险选择和风险障碍3个要素考虑风险的影响，具体表现为风险成本（即导流工程费用及工期）、风险发生概率（即超标洪水发生概率）和风险发生后果（即超标洪水发生造成的损失）3方面。

对于一些中小型工程，国内外越来越多地采用降低导流标准的方法来减少导流工程量，同时节省投资和加快施工进度。对于挡水期内出现超标洪水的情况，主要采取以下处理方式：①利用上游梯级电站或龙头水库调蓄洪水；②适当加高上游围堰；③汛期基坑过水（即过水围堰），对于山区河流，洪枯流量比值大，峰值高，采用过水围堰配合导流隧洞临时挡水度汛的方式成为中小水电工程建设的一种趋势。

2.2洞形选择

导流隧洞的常用洞形包括圆形、马蹄形和圆拱直墙形（城门洞形），实际工程中导流洞断面的形式主要取决于工程地质条件。通过对近年来国内已建和在建的39座工程进行统计，结果表明其中大约77%的导流隧洞采用圆拱直墙形，大约15%的导流隧洞采用圆形，其他洞形则凤毛麟角。可见，当前导流隧洞主要采用圆拱直墙形，原因为：①底部过水面积大，从而枯期泄流能力大，既有利于通航、放木，又有利于降低截流难度及上游围堰高度；②适合各种流态，利于宣泄水流；③地质条件适应能力强，可以通过调整高宽比来保持围堰稳定；④便于隧洞开挖（新奥法），施工简便，有利于加快施工进度等。

2.3导流隧洞布置及进出口体型

导流隧洞洞线布置的影响因素除地质因素外，还与拦河坝所在位置的地形特征、围岩岩性等因素有关。导流隧洞通常布置于河道凸岸，一方面有利于缩短导流隧洞长度，另一方面则可以减小导流隧洞转弯的角度，使水流平顺。布置的总体原则如下：①在尽量避开不良地质条件区域的前提下保证导流隧洞洞线最短；②力求水流平顺，与上下游围堰堰脚保持足够距离，以防淘刷；③进出口高程的选定要考虑截流落差、通航、封堵条件等；④洞线岩体稳定，断层较少，裂隙不发育。

导流隧洞的进出口体型主要由其所处位置的岩性决定，对于岩性好的进口，可直接设置成岸坡式入口，前部用引水渠连接；对于地质条件不良的进口，宜遵循“早进洞、晚出洞”的原则，尽量少干涉进口岩体，同时在洞口前端设置明洞，以保持进口段岩体稳定。导流隧洞出口洞线与主河道交角宜尽量小，一般控制在6°～9°范围内；为了满足工程要求和地质条件较差而交角较大时，必须采取工程措施，以防止对下游河道产生不利冲刷。山区河流水位大多暴涨暴落，导流隧洞出口体型一般按有压流设置，通常为减小出口局部负压而将出口局部缩小。

2.4导流隧洞最优洞径及围堰高度的多目标选择

导流隧洞洞径和上游围堰高度决定着整个工程施工导截流的投资与工期，二者之间存在相当复杂的多目标选择，需要通过优化计算以确定最佳导截流建筑物规模。优化计算方法主要经历以下3个阶段：①最早的计算方法只限于施工费用最小的单目标优化；②考虑施工费用和施工工期的多目标选择，采用权重法求解成为当前最主要的优化方法；③综合施工费用、施工工期、导截流风险以及施工难度为一体的群体决策优化方法越来越多地被应用于在建和拟建的很多大型控制性工程中。山区河流水电工程上游围堰一般采用土石围堰；对于风险率大的控制性工程，可采用碾压混凝土围堰；对于一些中小型工程，可选择采用钢板桩围堰、沉井围堰或草土围堰等。某些年内径流量变化大、枯水期较长且洪峰流量大的中小型水电工程，采用过水围堰度汛的方式逐渐增加，上游围堰能挡住枯水期某一适当频率洪水即可。

3提高导流隧洞工程效益和安全性技术进展

3.1导流隧洞改建

为了节省工程投资和施工工期，在水利水电工程设计中导流隧洞应尽可能与永久性建筑物相结合，其主要改建方式包括：永久泄洪洞、发电尾水隧洞和放空洞等。改建为永久泄洪洞的主要形式有：“龙抬头”式泄洪洞、孔板式泄洪洞、洞塞式泄洪洞以及竖井旋流和水平旋流溢洪洞（放空洞）等。

导流隧洞改建时必须顾及到永久性建筑物的工作特点和水力条件，由于施工导流期间年内水位变化较大，导流隧洞的水流流态会更加复杂，往往处于无压、有压及明满流交替过流工况，因此会出现一些特殊的水力现象。如溪洛渡水利枢纽工程将导流隧洞下游段改建为永久发电尾水隧洞，出口高程受到限制，隧洞内存在封洞水跃等特殊水力现象，对导流隧洞的泄流能力和洞身结构稳定有较大影响，进出口处水力条件变得很复杂。

国内目前运用最多且改建技术最成熟的方式主要为“龙抬头”式泄洪洞和发电尾水隧洞，诸多工程均采用了这2种改建方式，对其研究也比较深入、广泛，经验积累丰富，可控性较强。“龙抬头”式泄洪洞泄流能力强，水位适应范围大，但高速水流段较长，若不采取减蚀措施，在反弧段等地方易发生空蚀，且洞内消耗能量较少，需设置出口消能工，下游河道消能压力较大。

改建为洞塞式泄洪洞的主要优点为：改建洞段短，原导流隧洞大部分都能充分利用。缺点是：①缩小了过流断面，使过流能力减小；②闸门下游相当长的一段泄洪洞仍存在高速水流问题；③下游尾水位限制性较强。竖井泄洪洞作为一种新型改建方式为国内多个水电站所采用，其主要优点为：泄流能力大，消能率高，改建方式简单且抗蚀能力强，不会产生挑流雾化，且竖井可以有效地避开一些不良的地址区域。但所建成的竖井泄洪洞均未使用过，没有实测资料所验证，已知与未知的许多技术难题均未得到妥善解决。

3.2水面波动、气囊、空蚀、空化、负压

当导流隧洞内水流为明流时，水流经过弯段或者闸室后其水面受到干扰而波动较大，可能生成菱形波而出现折冲水流，洞内的流态会变得复杂；当导流隧洞内水流处于明满流的状态时，洞顶会有气囊漂移而减小导流隧洞的泄流能力，通过动水压力的作用，气囊扩大、缩小或破裂使洞壁的脉动压强增大，还可能引起导流隧洞的振动，从而对洞身结构、围岩稳定和隧洞衬砌产生不利影响。洞内流速较高的地方，水流空化，可能会产生局部空蚀，诸如闸门槽、出口等部位。

4结语

隧洞导流以其特有的优势为目前大多数山区河流大中型水电工程所采用，导流标准的选择和工程地质条件决定了洞线布置、洞形和进出口体型，通过后期改建来最大限度地利用导流隧洞以节省投资成为一种趋势。然而因为导流建筑物为临时建筑物而往往不受设计和施工单位的足够重视，多种不良水力学问题亟待解决。为达到安全运行的目的，建议在严格论证各种导流方案的可行性基础上，通过经济技术比较和导流模型试验优化设计与施工，以确保导流工程的安全可靠。

参考文献：

[1]夏勇.导流洞改建泄洪洞衔接段水力特性研究[D].四川大学，2006.

[2]艾克明，罗克湘.将导流隧洞改建为永久建筑物的工程实例[J].湖南水利，1994（03）：2-5.

作者姓名：刘勇智

身份证：52232419900723XXXX