松涛水利枢纽施工导流综合方案施工组织设计

　 1 松涛水利枢纽施工导流综合方案

　施工组织设计

　目录 1

　基本资料 ................................................................................................... 1 1.1 流域概况 ............................................................................................................................................... 1 1.2 施工场地及运输条件 ........................................................................................................................... 1 1.3 气候特征 ............................................................................................................................................... 2 1.4 水文条件 ............................................................................................................................................... 4 1.5 工程地质条件 ....................................................................................................................................... 6 1.6 当地建筑材料 ....................................................................................................................................... 7 1.7 坝体混凝土主要特征 ........................................................................................................................... 7 1.8 其他资料 ............................................................................................................................................... 8 2

　施工导流设计 ........................................................................................... 9 2.1 施工导流方式与适用条件 ................................................................................................................... 9 2．2 导流方案确定 ................................................................................................................................... 11 3

　隧洞设计 ................................................................................................. 14 3.1 导流隧洞的布置 ................................................................................................................................. 14 3.2 隧洞的断面形式与尺寸 ..................................................................................................................... 15 3.3 隧洞的进口高程及坡降 ..................................................................................................................... 17 3.4 隧洞进口的设计 ................................................................................................................................. 17 3.5 隧洞出口的设计 ................................................................................................................................. 18 3.6 隧洞的水力计算 ................................................................................................................................. 19 3.7 隧洞流态的判断 ................................................................................................................................. 19 3.8 隧洞堵头的设计 ................................................................................................................................. 22 4

　隧洞的施工设计 ..................................................................................... 25 4.1 隧洞开挖方式的比较及选取 ............................................................................................................. 25 4.2 隧洞的开挖程序 ................................................................................................................................. 26 4.3 隧洞开挖方法的确定 ......................................................................................................................... 27 4.4 平洞的衬砌和支护施工 ..................................................................................................................... 28 5

　爆破设计 ................................................................................................. 29 5.1 炮孔类型及其作用 ............................................................................................................................. 29 5.2 炮孔形式 ............................................................................................................................................. 30 5.3 炮孔的布置 ......................................................................................................................................... 31 6

　 爆破安全设计 ....................................................................................... 32 6.1 钻孔爆破的基本参数 ......................................................................................................................... 32

　6.2 导洞中下层大断面深孔爆破设计 ...................................................................................................... 35 7

　 隧洞的衬砌设计 ................................................................................... 37 7.1 衬砌的作用 ......................................................................................................................................... 37 7.2 衬砌的类型 ......................................................................................................................................... 37 7.3 新奥法施工的基本原理 ...................................................................................................................... 37 7.4 隧洞喷锚支护设计 ............................................................................................................................. 38 7.5 锚杆形式的运用及计算 ..................................................................................................................... 39 7.6 喷混凝土施工工艺及流程 ................................................................................................................. 42 8

　出渣运输设计 ......................................................................................... 43 8.1 出渣方式与设备的选定 ..................................................................................................................... 43 8.2 内外交通 ............................................................................................................................................. 49 参考资料 ....................................................................................................... 51

　1

　 基本资料

　1.1 流域概况 松涛水利枢纽位于柳河干流上的松涛峡，系一级建筑物，由河床混凝土重力坝、溢洪道，右岸土坝和坝后厂房等部分组成。枢纽主要任务是发电，共装三台机组，每台机组 15万吨，发电的最低水位为 500m，相应库容 19.5 亿 m3 。枢纽的右岸适当位置布置有排砂放空洞，可满足封孔蓄水期对游供水 100m3 /s 流量的要求。

　1.2 施工场地及运输条件 1.2.1 施工场地 坝址距下游的仙州市河道长约 100km，直线距离约 50km，坝址附近皆为高山峡谷地区。松涛峡长约 12km，上下游均有比较平坦的山间盆地，可作为施工场地。

　枢纽选定坝址位于峡谷尾部，距峡谷出口约 1.7km，坝区河床两岸山坡陡峻，成 V 字形。左岸坡度 45°～80°，陡缓相间；右岸坡度 60°～85°，两岸山顶均为黄土覆盖。

　坝址河床高程一般为 410m，枯水季一般水位为 418m，河面宽 50～60m，深化偏右岸，最深约 10m。坝址左岸山峰起伏高出河面约 150m 以上。右岸坝头附近为一狭小丘陵阶地，高出河面约 110m 左右。与坝区阶地相连的就是地形平坦面积宽阔的李家台四级阶地，高程 560～580m。

　自峡谷出口起，两岸地势逐渐开阔，呈狭长的二级阶地，高程约 430～440m，沿柳河右岸距坝址约 8km 的旧镇，附近有宽阔平坦的二级阶地。

　坝内河谷两岸有很多冲沟，左岸主要有坝址下游 200m 处的滑沟；右岸主要有坝址上游 150m 处的红柳沟，下游的刘家沟、金沟和银沟等。这些冲沟切割既深且短，均系沿断层及节理裂隙发育而成，与河谷多成 70°～80°的交角。由于这些冲沟的切割，使坝区地形变得非常复杂，给施工场地布置造成一定困难。

　坝区附近可供施工场地布置的地段，有右岸李家沟，峡谷出口下游右岸的明坝和左岸的易家湾等阶地，各地段特性如表 1.1 所示。

　表 1.1 各地段特性表 顺序 名

　称 位

　置 距坝址离 （km）

　可利用面积 (km2 ) 高

　程 （m）

　1 李家沟 右岸坝址下游 1．5 1．2 565～580 2 明

　坝 右岸坝址下游 2．5 0．5 430～440 3 易家湾 左岸坝址下游 3.0 0.3 430～440 4 旧镇 右岸坝址下游 8.0 2.0 425～460

　 1.2.2 运输条件

　仙州到松涛的公路线为六级公路，已建成通车，路线全长约 50km。对于水路交通，因柳河上游为峡谷，河窄水急，不能通行船只。有国家铁路干线通过仙州市，可沿柳河岸边进工地。

　1.3 气候特征 表 1.2 坝区 1953～1988 年气温（℃）特征

　 项目 月份 日平均最高 绝对最高 日平均最低 绝对最低 月平均 1 7.5 13.8 -18.3 -23.1 -6.5 2 14.9 17.5 -15.4 -22.1 -1.6 3 22.5 26.9 -7.9 -16.3 5.5 4 28.4 33.2 -2.9 -8.4 12.0 5 32.7 35.5 3.2 0.1 17.4 6 34.2 36.5 8.5 2.9 21.0 7 35.9 39.1 11.7 9.3 22.9 8 34.4 38.3 10.6 5.4 21.5 9 29.1 31.9 5.3 0.5 16.4 10 23.6 28.0 -2.5 -6.6 10.1 11 17.4 21.6 -10.4 -15.3 1.8 12 7.6 10.9 -15.7 -21.6 -5.3 年平均

　 9.6 1.3.1 气温 本区为大陆性气候。多年平均温度为 9.6℃，月平均最高温度为 22.9℃，最低为－6.5℃；绝对最高为 39.1℃，绝对最低为-23.1℃，日最小变幅 1.3℃。坝址附近历年气温观测统计资料，如表 1.2 所示。

　本地区雨量稀少，年平均降水量为 330.1mm，最大达 471.9mm，其中 60～70％集中在7～9 月，最大日降雨量为 71.8mm。最长一次降水延续时间 4 昼，最大一次降雨量为 21mm。暴雨常在下午或晚间出现。

　降雪一般于 11 月下旬开始，最大一次为 20mm，积雪最大厚度为 6cm，积雪日期一般从 11 月下旬到次年 3 月上旬，年平均积雪日数为 21.6 日，土壤冰结深度约 1m。

　本地区降水统计资料如表 1.3 和表 1.4。

　表 1·3 坝区 1985～1988 年各月不同降水量出现天数统计表 降 水 量 月

　份

　（天数）

　全年

　1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 （天数）

　5mm

　以下 最多 6 5 7 13 18 20 16 17 11 8 5 15 112

　最少 1 2 4 6 11 12 6 12 9 5 1 3 93

　平均 4.3 2.3 5.7 8.7 15 17 12 14 9.7 7 2.7 6 104.3 5mm

　以下 最多 0 0 0 0 2 3 4 5 5 2 0 0 16

　最少 0 0 0 0 1 1 2 3 1 1 0 0 7

　平均 0 0 0 0 1 1.7 3 4 2 1.7 0 0 12.3 10mm

　以上 最多 0 0 0 0 0 1 1 4 2 1 0 0 6

　最少 0 0 0 0 0 1 1 2 1 0 0 0 1

　平均 0 0 0 0 0 0.3 0.7 2 1 0.3 0 0 4.3 20mm

　以上 最多 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 2

　最少 0 0 0 0 0 0 0 0 0.7 0 0 0 1

　平均 0 0 0 0 0 0 0.3 0.3 0.7 0 0 0 1.7 表 1·4

　坝区 1952～1988 年各月降水量（毫米）

　 月份

　项目 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 全年

　续表 1.4

　平

　均 1.3 2.9 7.9 13.9 32.5 38.3 62.3 89.8 56.6 19.0 3.9 2.0 330.5 最

　大 16.9 9.0 23.4 27.7 63.8 103.2 126.7 218.4 108.9 50.6 13.6 9.1 471.9 最

　小 0 7 0 0.3 2.1 5.0 18.6 33.2 12.2 0.5 0 0 210.8 1.3.2 冰期 每年 11 月底或 12 月初行凌，12 月底封冻，次年 2 月底或 3 月初解冻。冰冻期约 2～3个月。冬季行凌初期，多为针状，薄片状冰化闭。流冰速度最大为1.45m/s，最小为0.95m/s。春季流冰多为坚硬冰块，冰厚一般为 0.2m，最厚可达 1m。流冰期一般无过大冰块下泄。

　1.3.3 风向及风速 本地区春季多风，最大风速为 17m/s，风向多为东北向。

　1.4 水文条件 柳河的年最小流量多发生在 1、2 月份，3 月份上游开始融雪化冰，流量渐增，6 月份以后即进入汛期。年最大流量一般发生在 7～9 月间。

　坝址区实测最大流量为 5640m3 /s，最小流量为 205m 3 /s，多年平均流量为 830m 3 /s；河水含沙量最大达 5kg/m3 （7～9 月），最小为 0.01kg/m 3 （1～2 月）。峡内流速最大为 7m/s，最小为 0.8m/s。

　其流量特征资料列于表 1.5～表 1.7。

　表 1.5

　坝址水文站各月不同频率的瞬时最大流量（m3 /s）

　频率 月份 1％ 2％ 5％ 10％ 20％ 1 485 462 430 404 370 2 405 393 371 356 334 3 723 680 615 568 507 4 1310 1210 1070 956 839 5 2350 2110 1816 1580 1320 6 4810 4270 3570 3730 2470 续表 1.5

　7 5470 4920 4210 3650 3090 8 5130 4670 4030 3550 3020 9 6380 5620 4610 3870 3110 10 3700 3410 3010 2700 2370 11 1750 1650 1520 1410 1290 12 796 759 701 659 601 全

　年 6390 5870 5130 4560 3810 表 1.6

　坝址水文站不同频率的月平均流量（m3 /s）

　频率 月份 1％ 5％ 10％ 20％ 85％ 1 348 327 322 265 218 2 345 338 327 269 229 3 469 432 410 300 240 4 586 499 458 327 332 5 959 569 480 425 354 6 1120 711 607 482 406 7 1890 1020 882 785 620 8 1250 1050 760 580 536 9 1140 870 695 541 480 10 959 630 547 413 385 11 692 579 489 400 328 12 430 421 406 378 285 全

　年 840 638 553 446 402 表 1.7

　各种频率洪水过程数据表

　 流

　 量

　日

　月 频

　率 5％ 2％ 1％ 0.5％ 9．1 2500 2850 3120 3365 9．2 2600 2964 3244 3632 9．3 2740 3124 3418 3686 续表 1.7 9．4 2870 3272 3581 3860

　9．5 3040 3466 3793 4090 9．6 3220 3671 4017 4330 9．7 3420 3900 4267 4600 9．8 3660 4172 4566 4923 9．9 3940 4492 4916 5300 9．10 4260 4856 5315 5730 9．11 4600 5244 5739 6187 9．12 4860 5540 6063 6537 9．13 5130 5848 6400 6900 9．14 4800 5472 5988 6456 9．15 4400 5016 5489 5918 9．16 4100 4674 5115 5515 9．17 3840 4378 4790 5165 9．18 3630 4138 4530 4882 9．19 3430 3910 4280 4613 9．20 3240 3694 4042 4358 9．21 3100 3534 3868 4170 9．22 2950 3363 3680 3970 9．23 2820 3215 3518 3793 9．24 2700 3078 3370 3632 9．25 2600 2964 3245 3497 9．26 2500 2850 3120 3365

　1.5 工程地质条件 坝区为高山峡谷区。狭谷由震旦纪变质岩构成，其上部为第四纪砾石岩，含砂砾石层及黄土。柳河流向，在坝址附近转为 S260°W，河谷呈弯曲形。河谷两岸变质岩顶板出露标高，左岸约 520 米，右岸约 515 米。在标高 515 米时，谷宽约 135 米，坝址左右岸基岩上直接为黄土覆盖。

　坝址区及上下游河床覆盖层厚 5－12m。表面 0.3m 左右为黄土覆盖，以下均由卵砾石夹粗、中砂等物构成。河床靠右岸有一深槽，顺河呈长条状分布，深槽处水深约 10m，覆盖层厚 10－12m，此深槽系河水沿构造裂隙侵蚀冲刷而成。坝址河谷及两岸的变质岩主要由云母石英片岩和角闪岩组成，石质坚硬，相当于 16 级岩石分类中的第 X 级岩石，普氏系数f=8云母石英片岩极限抗压强度为1000～1200kg/cm2 ，角闪片岩极限抗压强度为900～

　1200kg/cm2 。

　坝址右岸距河边 480m 处，有一天然冲刷的鞍状地形，溢洪道即建此处，该处系古河道的遗址，两侧有大小冲沟数条，与它成 70°～80°交角。

　此坝址处水文地质情况，地下水属裂隙补给水，数量很少，主要在构造裂隙及局部破碎带内。在坝区变质页岩中还有裂隙承压水，稳定水位 432～446m，单宽涌水量一般为3L/min，最大为 120L/min，随岩石裂隙发育程度、联通情况和深度而变化。

　松涛是地震波及区，据上级主管部门提出的松涛水利枢纽地段的地震基本烈度为 7 度。

　1.6 当地建筑材料 坝址上、下游均有砂石材料。特别是坝址下游藏量丰富，开采运输比较方便，质量一般皆符合要求，只有砂质土尚未找到理想的产地，必要时可以采用两岸的黄土代替。

　1.7 坝体混凝土主要特征 坝体混凝土的设计龄期为 90 天，水工设计中内部混凝土用的是 100＃ ，外部混凝土用150＃ 。总混凝土用量比为 0.75 比 0.25。

　坝体混凝土的配合比见表 1.8 表 1.8

　混凝土配合比 凝土 计标号 水 灰比 含砂率（％）

　每米3 混凝土对各种材料需要量（公斤／米 3 ）

　水 水泥 <5 （mm）

　5~2 （mm）

　20~40（mm）

　40~80 （mm）

　80~150 （mm）

　00＃

　0.64 21.3 107.5 167 463 427 427 428 427 00#

　0.56 20.4 108 193 441 431 431 432 432 混凝土的容重为 2400kg/m3 。

　混凝土的热学指标及各种材料的热学性能见表 1.9～表 1.10。

　表 1.9 混凝土的热学指标

　比

　热 C （k／kg℃）

　导温系数 a （m2 ／h）

　导热系数λ (k／m·h·℃) 热交换系数β (k／m2 ·h·℃) 0.21 0.0048 2.4 10

　 表 1.10

　混凝土各材料的比热 材

　料

　名

　称 水 水泥 砂子 粗骨料 C 比热(k／kg·℃) 1.00 0.14 0.19 0.20 混凝土采用 600＃ 纯熟料水泥，水泥最终水化热为 67K/kg，水泥放热速率 m=0.384／天。

　1.8 其他资料 地方工业、住宅、卫生福利和劳动力来源仙州市，有些地方工业可以利用，这些地方工业可考虑在施工期间委托进行部分加工和修配工作。

　坝区附近村镇不多，且民房数量不多，只能在明坝村和李家台村用少量民房作为工人临时住宅。而其它福利设施及住宅需要建设。

　施工期间大批的生活物资和粮食、燃料、日用品等，均需从仙州市运来，当地只能解决副食品和部分粮食等供应。

　施工期间施工队伍由公开招标选定。

　施工用电：初步估计仙州市可供应量最高负荷约 1.2 万千瓦。

　坝址区地下水硫酸根（-24SO）含量约 2000～3000 毫克／升，对一般水泥有硫酸盐侵蚀性。因此基础混凝土有抗硫酸盐侵蚀的要求，铝酸三钙的含量应小于 5％。地下水不宜作为工程用水和生活用水。河水除含沙外，无其它杂质，经沉淀处理后可作为工程和生活用水。

　2

　 施工导 流设计

　施工导流是在江河上修建水利水电工程时，为了使水工建筑物干地上施工，需要用围堰维护基坑，并将水流引向预定的泄水道往下游宣泄的一种工程措施。

　施工导流设计的主要任务是周密地分析研究水文、地形、地质、水文地质、枢纽布置及施工条件等基本资料，在保证上述要求的前提下，选定导流标准，划分导流时段，确定导流设计流量；选择导流方案及建筑物的型式；确定导流建筑物的布置构造及尺寸；拟定导流建筑物修建、拆除、堵塞的施工方法以及截断河床水流、拦洪度汛和基坑排水等措施。

　2.1 施工导流方式与 适用 条件 施工导流的方式大体上可分为两类，即分段围堰法和全段围堰法，与之配合的还有辅助导流,其主要包括：淹没基坑法导流、束窄河床导流、隧洞导流、明渠导流、涵管导流、以及施工过程中的坝体底孔导流、缺口导流和不同水建筑的组合导流。

　2.1.1 分段围堰法 分段围堰法亦称分期围堰法，即用围堰将水工建筑物分段，分期维护起来并进行施工的方法。所谓分段，就是在空间上用围堰将建筑物分为若干施工段进行施工。所谓分期，就是在时间打夯用围堰将建筑物分为若干期。段数分的愈多，围堰工程量愈大，施工也愈复杂。同样，期数分的愈多，工期有可能拖得愈长。因此，在工程实践中，二段二期导流用的最多。

　分段围堰法导流一般适用于河床宽，流量大，工期较长的工程，尤其适用于通航河流和冰凌严重的河流。这种导流方式的费用较低，国内外一些大，中型水利水电工程采用较广。例如，中国湖北葛洲坝和三峡，江西万安，辽宁恒仁，浙江富春江，广西大化等水利枢纽工程都采用这种导流方式。分段围堰法导流，前期都利用被束窄的原河道导流，后期要通过事先修建的泄水道导流，常见的有以下几种：底孔导流，坝体缺口导流，束窄河床和明渠导流。

　2.1.2 全段围堰法 就是在河床主体工程的上下游各建一道断流围堰，使水流经河床以外的临时或永久泄水道下泄，主体工程建成或接近建成时，再将临时泄水道封堵。

　全段围堰法导流，一般适用于山区河流，河谷狭窄，两岸地形陡峻，山岩坚实的河谷地段。其泄水道类型有以下几种：隧洞导流，明渠导流，涵管导流。

　2.1.3 辅助导流 ⑴淹没基坑法导流 淹没基坑法导流适用于洪水流量大，历史短，而枯水期流量则较小，水位暴涨暴落，变化很大的山区河流。

　⑵束窄河床导流 束窄河床导流一般取决于束窄河床段的允许流速，即围堰及河床的抗冲允许流速，但在某些情况下，也可以束窄河床导流。允许河床被适当刷深，或预先将河床挖深、扩宽，采取防冲措施。

　⑶明渠导流 通常可将河床适当扩宽，形成导流明渠。明渠导流，一般适用于岸坡平缓的平原河道。在规划时，应尽量利用有利条件，以取得经济合理的效果。如利用当地老河道，或利用截弯取直开挖明渠，或与永久建筑物的组合，埃及的阿斯旺坝就是利用了水电站的引水渠和尾水渠进行施工导流。有时，明渠导流是在河岸上开挖渠道，在基坑上下游修筑围堰，水流经渠道下泄。导流明渠的布置，一定要保证水流顺畅、泄水安全、施工方便、缩短轴线、减少工程量。

　⑷隧洞导流 隧洞导流是在河岸山体中开挖隧洞，在基坑上下游修筑围堰，水流经由隧洞下泄。隧洞导流一般适用于山区河流，河床狭窄，两岸地形陡峭，山岩坚实。

　⑸底孔导流 底孔导流时，应事先在混凝土坝体内修建临时或永久底孔，导流时让全部或部分导流流量通过底孔宣泄到下游，保证工程继续施工。如为临时底孔，则在工程接近完工或需要蓄水时加以封堵。这种导流方法在分段分期修建混凝土坝时用的比较普遍。

　⑹坝体缺口导流 在混凝土坝施工过程中，当汛期河水暴涨暴落，其他导流建筑物不足以宣泄全部流量时，为了不影响施工进度，使大坝在涨水时仍能继续施工，可以在未建成的坝体上预留缺口，以配合其他导流建筑物宣泄洪峰流量，待洪峰过后，上游水位回落，再继续修筑缺口。

　⑺涵管导流 涵管导流主要适用于流量较小情况下的土石坝，堆石坝工程。涵管通常布置在河岸岩滩上，其位置常在枯水期以下，这样可以在枯水期不修围堰或只修围堰而先将涵管筑好，然后再修上下游全段围堰，将水流导入涵管下泄。

　2.1.4 导流方案选定 选择导流方案时应考虑下列因素 导流方案的选择受多种因素的影响，一个合理的导流方案，必须在周密研究各种影响因素的基础上，拟定几个可能的方案进行技术经济比较，从中选择技术经济指标优越的方案。选择导流方案时应考虑的主要因素如下：

　⑴水文条件。河流的流量大小，水位变化的幅度，全年流量的变化情况，枯水期的长短，汛期洪水的延续时间，冬季的流冰及冰冻情况等，均直接影响导流方案的选择。一般来说，对于河床宽，流量大的河流宜采用分段围堰法导流。对于水位变化幅度大的山区河

　流，可采用允许基坑淹没的导流方法，在一定时期内通过过水围堰和基坑来宣泄洪峰流量。对于枯水期不长的河流，如果不利用洪水期进行施工，就会拖延工期。对于有流冰的河流，应充分注意流冰的宣泄问题，以免流冰壅塞，影响泄流，造成导流建筑物失事。

　⑵地形条件。坝区附近的地形条件，对导流方案的选择影响很大。对于宽阔的河流，尤其在施工期间有通航，过伐要求的河流，宜采用分段围堰法导流。当河床中有天然石岛或沙洲时，采用分段围堰法，更有利于围堰的布置，特别是纵向围堰的布置。在河床狭窄，河岸陡峻，山岩坚实的地区，宜采用隧洞导流。至于平原河道，河流的两岸或一岸比较平坦，或有河弯，老河道可资利用，则宜采用明渠导流。

　⑶地质及水文地质条件。河道两岸及河床的地质条件对导流方案的选择与导流建筑物的布置有直接影响。若河流两岸或一岸的岩石坚硬，风化层薄，且抗压强度足够时，则选择隧洞导流较有利。如果岩石的风化层厚且破碎，或有教厚的沉积滩地，则适合采用明渠导流。此外，选择围堰型式，基坑是否允许淹没，能否利用当地材料修筑围堰等等，也都与地质条件有关。水文地质条件则对基坑排水工作，围堰型式的选择，导流泄水建筑物的开挖等有很大的关系。因此，为了更好地进行导流方案的选择，要对地质和水文地质勘测工作提出专门要求。

　⑷水工建筑物的型式及其布置。水工建筑物的型式和布置与导流方案的选择相互影响，因此在决定水工建筑物型式和布置时，应该考虑并初拟导流方案，而在选定导流方案时，则应该充分利用建筑物型式和枢纽布置方面的特点。

　⑸施工期间河流的综合利用。施工期间，为了满足通航、伐运、供水、灌溉、生态保护或水电站运行等要求，使导流问题的解决更加复杂。在通航河道上，大都采用分段围堰法导流。要求河道在束窄以后，河宽仍能便于船只的通行水深要与船只吃水深度相适应，束窄断面的最大流速一般不得超过。2.0 米/秒，特殊情况需与当地航运部门协商研究决定。

　⑹施工进度、施工方法及施工场地布置。水利水电工程的进度与导流方案密切相关。通常是根据导流方案安排控制性进度计划。在水利水电枢纽施工导流过程中，对施工进度起控制作用的关键性时段有：导流建筑物的完工期限，截断河床水流的时间，坝体拦洪的期限，封堵临时泄水建筑物的时间，以及水库蓄水发电的时间等。各项工程的施工方法和施工进度直接影响到各时段中导流任务的合理性和可能性。

　在选择导流方案时，除了综合考虑以上各方面因素外，还应使主体工程尽可能及早发挥效益，简化导流程序，降低导流费用，使导流建筑物既简单又适用可靠。

　2 ．2 导流方案确定 2.2.1 水文特性 松涛水利枢纽坝址河段径流量主要来自降雨，以及融雪的补给。洪水由暴雨形成，汛期为 6 月至 10 月，河谷水位暴涨，暴落。多年各月平均流量，最大流量和最小流量见表 2·1，各频率施工洪水成果见表 2·2。

　 表 2·1

　坝址多年流量统计表（单位：m3 ／s）20 年一遇

　月份 1 2 3 4 5 6 7

　8

　9 10 11 12 全年 月最大流量

　 430

　 371

　 615

　 1070

　 1816

　 3570

　 4210

　 4030

　 4610

　 3010

　 1520

　 701

　 5130 月平均流量

　 327

　 338

　 432

　 499

　 569

　 711

　 1020

　 1050

　 870

　 630

　 579

　 421

　 638

　表 2·2 坝址施工洪水成果表

　频率 1% 2% 5% 10% 20% 全年最大流量（m3／s）

　6390 5870 5130 4560 3810 11.1～5.31 2050 1920 1750 1610 1450 11.16～5.10 1340 1270 1170 1090 997 10.1～6.30 4710 4290 3710 3260 2790 10.16～6.15 2840 2670 2430 2240 2020 月平均流量

　11 692

　579 489 400 12 430

　421 406 378 1 348

　327 322 265 2 345

　338 327 269 3 469

　432 410 300 4 586

　499 458 327

　 续表 2.2 5 959

　569 480 425 6 1120

　711 607 482 2.2.2 导流方案的拟定 在水利水电工程导流方案的选择时，要考虑地形，地貌，水文特性，工程主体的形式和布置，施工因素等诸多因素，其中地形和地貌条件往往是决定导流方案的主要因素。

　松涛水利枢纽选定坝址位于峡谷尾部，距峡谷出口约 1.7 公里，坝址河床两岸山坡陡峻，成 V 字形，河床的宽度较窄，故不宜采用分段围堰导流。同时综合坝址处的地形和地貌特征，此枢纽也不具备开挖明渠，采取明渠导流的条件。主要因为坝址处的垭口处于高程较高处（处于 520m 以上，高出河床 10m 以上，不适合初期导流）开挖量大，虽然明渠导流费用较隧洞导流方案低，但明渠导流准备期开挖量大，地面施工干扰大，工期风险难以估计，隐含风险大。前期导流明渠以及底孔坝段结构混凝土需要按永久建筑物的要求来施工，大型砂石加工及混凝土系统准备建筑进度难以满足施工要求。因此，在准备期内完成明渠的施工难度较大，截流工期的保证率较低。因此，明渠导流的方式显然是不合理的。

　坝址河谷及两岸的变质岩主要由云母石英片岩和角闪岩组成，石质坚硬，相当于 16级岩石分类中的第 X 级岩石，在岩石地质条件上具备了开挖隧洞的条件。

　一般情况下，坝型和河谷地形往往是导流方案选择的主要条件之一，此工程河床坝段采用混凝土重力坝。以坝长与坝高的比值η=L／H，表示河谷形状系数。据统计分析和工程经验，对于混凝土坝，η<3 适合一次拦断截流和隧洞导流。经计算，松涛水利枢纽坝址所在地河谷状系数η=1.63<3,故适宜采用隧洞导流。

　虽然隧洞的投资高，但前期项目的施工干扰小，因开挖出渣，混凝土浇筑时段分散，总体强度不高，截流工期有保证，风险明朗，有利于防范。

　综合考虑比较，初步拟订隧动导流方式总体上是可行的，且优于其他导流方案。本设计最终决定采用隧洞导流。

　3 3

　隧洞设计

　3.1 导流隧洞的布置 3.1.1 导流隧洞路线的选择与布置原则 本设计采用隧洞导流，但隧洞的选择与合理布置，对减少工程量，降低造价，方便施工，缩短工期等关系很大。隧洞的布置主要考虑地形和地质条件，水流流速和流态要求。枢纽水工建筑物的布置及是否与永久建筑物结合等。一般要求如下：

　⑴充分利用地形条件，尽量使洞线最短。当坝址位于河湾地段时，宜将隧洞布置在凸岸，成直线布置。如无河湾，利用冲沟布置进口，也能使洞线顺直。

　⑵当洞线必须转弯时，应尽量避免急转，其弯曲半径一般不小于 5 倍洞宽转角不宜大于 60°，即弯道切线交角不宜小于 120°。曲线段首尾均应保持直线段连接，直线段长度不小于 5 倍洞宽为宜。

　⑶为使水流顺畅，防止出口水流冲刷对岸及进出口对上下游围堰的影响，出口段洞线与河道主流方向的交角一般不大于 30°为宜，进口段交角视具体情况可适当放宽。当有通航、放木要求时，其交角应按通航等要求确定。进、出口距围堰堰脚应有一定的安全距离，一般不应小于 10 ～20m。

　⑷洞线应尽量选择在岩石新鲜，岩性坚硬，断层较少，裂缝不发育的地层，避免通过较大断层破碎带。洞线方向与岩层走向尽量呈正交，交角一般不小于 45°为宜。避开不利地质构造。

　⑸进出口位置，在选择洞线的同时，应放在地质条件较好的部位，以利洞口稳定。从地形上看，一般选择在坡度较陡，岩石出露的位置为好，避免明挖过大，进洞困难。进洞处顶部岩层厚度一般在 1.0～3.0 倍洞径之间。

　⑹进出口高程选择，需考虑：截流，通航，放木要求封堵条件，泥沙淤积或磨损，方便施工等。一般情况，截流与通航、放木均要求进口高程低一些，通常取枯水位以下 1.0～1.5m。如果高程过低，可能造成泥沙淤积或门槛磨损，影响封堵闸门沉放，对施工出渣、排水也不利。

　⑺隧洞底坡的选择与进出口高程密切相关，常取 1‰～4‰，也有采用平底的。对于无压隧洞，加大底坡可增大泄水能力，应设计成陡坡为好，对于有通航放木要求的河道，底坡不宜过大，宜设计成缓坡。

　⑻隧洞应有足够的埋深。局部地段（如通过冲沟，垭口时）的最小埋深一般不小于 3倍洞径。隧洞与永久建筑物的距离应尽量避免相互影响，必要时，需采取适当措施。

　⑼当导流隧洞与永久隧洞结合时，其布置还应满足永久建筑物的要求。

　3.1.2 隧洞的布置 综上所述结合本工程设计资料及地形图，综合分析：左岸靠右岸岸坡陡峭，且为河湾

　突岸，右岸也较陡，但河床靠右岸有一深槽，深槽处水深约 10 米，覆盖层厚约 10—12 米，此深槽系河水沿构造裂隙侵蚀冲刷而成。若布置在右岸，需挖明渠，使冲沟中的积水引入河道，同时为防止围堰的冲刷，需要设挡水设施，增加施工难度和施工经费。故经比较选择在左岸开挖隧洞。同时为便于组织施工，节省人力物力，免修大型施工桥，将两条隧洞布置在一岸。又由水文资料知此河流量不是很大且无通航及其他要求，故两条隧洞采用相同断面，底坡取 4‰，因含沙量大，为防止泥沙淤积或门槛磨损，本着无通航等要求的河道在截流许可的条件下，进出口高程应尽量高些的原则，进口高程取枯水位以下 1.0 米，即 418.0—1.0=417.0 米 3.1.3

　隧洞的条数与布置 两条或多条隧洞，一般在下列情况采用：

　导流流量较大，要求较大的过水面积，而地质条件又不允许开挖过大断面。

　⑴虽地质条件允许开挖大断面隧洞，而施工设备及技术水平不相适应，或因大断面隧洞支护不经济，而小隧洞可以简化支护。

　⑵大断面隧洞施工难度大，工期过长，影响围堰截流时间，先打通一条较小隧洞进行截流，然后用两条或多条隧洞导流。

　⑶因隧洞断面过大，后期下闸封堵困难。

　⑷运行方面的特殊要求，如为通航、放木设置专用隧洞。

　采用两条或多条隧洞时，如无特殊要求，以相同的断面尺寸为宜，以利施工。隧洞条数的选择，须根据地质地形条件、枢纽总体布置、是否与永久隧洞结合等进行综合分析比较。隧洞最大断面尺寸取决于地质条件、施工方法、及技术水平，一般凭经验综合分析确定。

　两条或多条隧洞布置在一岸或两岸时，需根据具体情况而定。一岸布置时，两隧洞之间的最小间距一般不小于 3 倍洞宽，大断面隧洞也有不到 3 倍洞宽的，需根据地质条件、施工方法、衬砌措施等具体分析。多条隧洞的高程布置，在满足截流、通航、放木等条件下，一般按不同高程布置为好，有利于隧洞施工和后期封堵。

　3.2 隧洞的断面形式与尺寸 隧洞的断面形式与尺寸的选择，应首先考虑隧洞的工作状态。导流隧洞常有明流和压力流两种工作状态，明、压流交替不可避免。即使前期导流按明流设计，中、后期施工渡汛也可能成为压力流。因此，隧洞断面形式与尺寸，不仅满足前期导流，还必须考虑中、后期施工渡汛的要求。在一般情况下，都按压力流设计，也有少数设计成明流。由于明、压流交替过度段的流态极不稳定，隧洞工作状态的设计，应力要求避免在围堰最高挡水位置发生明、压流交替过度状态。

　常用的隧洞断面形式有圆形、马蹄形、拱门形等，应根据地质条件、水利条件（有压、

　无压、水头的大小）、截流和通航要求、方便施工等经过技术比较确定。对于拱门形断面，由于底部过水面积大，有利于截流、通航、放木、施工也比较方便。调整高宽比还有利于围岩的稳定。其高宽比一般用 1.0～1.7，顶拱圆心角为 120°～180°，据统计，国内导流隧洞单位面积的过水流量一般在 6～20 m3 ／（s·m 2 ）之间。

　根据松涛水利枢纽的水文条件，本中设计成为有压流，设计流量定位为 5130 m3 ／s 。再根据其坝址处的地质条件，隧洞内水流条件一般为无压流，洞身断面形式采用拱门型。

　隧洞的断面尺寸取决于通过流量的大小。在流量一定情况下，隧洞的经济断面的选择，需要拟定几个隧洞尺寸，计算相应的围堰高度，并计算不同断面尺寸隧洞与围堰的工程量造价。两者相加，总造价最小的断面尺寸即为经济断面。

　但由于隧洞开挖及衬砌单价高，围堰的单价低，比较的结果往往是小隧洞配高围堰的造价最低。因此隧洞的断面尺寸选择往往不能单从经济上分析。

　经济合理的隧洞尺寸应体现在以下的几个方面|：

　⑴尽量发挥隧洞效益的同时，务使围堰能在一个枯水期内建成，并保证围堰的安全和技术可靠性； ⑵洞内的流速一般不超过允许流速； ⑶满足通航、放木要求等综合利用的要求； ⑷方便施工； ⑸满足中后期施工度汛要求。如果不能满足，需要加大隧洞断面，降低围堰高程，减小洞内流速。

　隧洞经济断面分析，虽然不能作为选择断面的唯一依据，但从整体的趋势来看，在围堰高度允许的前提下，尽量减小隧洞断面是经济的。如果水头过低，洞内流速过小，就不能充分发挥隧洞的泄洪能力。

　初步拟定拱形断面尺寸：顶拱圆心角取为 120°直墙高宽比Hb=1.25。

　本设计采用全年挡水围堰，其设计流量为 5130 m3 ／s ，取隧洞单位面积的过水流量为 18 m3 ／（s·m 2 ），则所需隧洞的过流面积为：

　 AVQ

　（3·1）

　将 Q=5130 m3 ／s ，V=18 m 3 ／（s·m 2 ）代入上式得：

　A=285 m2

　本设计采用两条隧洞泄流，故所需单条隧洞过流面积：

　A 1 =285/2=142.5 m2

　 半径 R=6.2m,L= 3 R=10.7m,H= 345R=13.4m 断面尺寸计算过程：如图 3·1，根据几何关系可得:

　考虑到隧洞衬砌等实际情况，需要适当加大隧洞的开挖面积，故取 L=11m,H=13.5m 拱高 f=3.1m,孔高 h=R/2+H=16.6m。

　因此隧洞的断面尺寸为 11*13. 5

　图 3.1

　隧洞断面(单位：m) 3.3 隧洞的进口高程及坡降 由于水利枢纽属于大型建筑物，坝址河床高程为 410m ,隧洞处顶部岩层通常在 1～3倍的洞径之间。因为没有通航、放木等要求，河中含沙量大，最大约为 5kg/ m3,考虑到泥沙的淤积，进口高程选在枯水位以下 1 m，即 418-1=417 m 对于无压隧洞的底坡取决于进口高程，为了自流排水，便于检修，底坡应于 2‰，为了便于开挖出渣河衬砌施工，有轨运输的隧洞底坡宜小于 1%.经综合分析考虑，本设计采用底坡为 4‰ 。有松涛水利枢纽坝址区地形图上量的布置导流隧洞的长度，一号洞1L=431 m，二号洞2L=274 m 则两条隧洞的出口高程可计算得：

　1 号洞：417-1L  4‰=415.90m 2 号洞：417-2L  4‰=415.28m 3.4 隧洞进口的设计 洞口的位置，取决于地形，地质条件，洞顶岩层厚度应满足隧洞的要求。通常尽量减少明挖，避免开挖高边坡，不仅有利于缩短工期，在经济上也是合理的。

　进口段采用塔式建筑物，在山坡前的水库里建造封闭式的塔，塔顶设置操纵室和启闭机的进口结构形式。封闭式塔身横断面可以是矩形，圆形。本设计采用矩形断面，由于隧洞进口位置覆盖层较薄，不能满足结构稳定要求，塔式进水口能够满足要求。

　良好的进口形状，对于提高泄流能力和防止气蚀破坏具有明显的效果，在闸门前设置渐变段，渐变断的 长度通常为 1～3 倍洞宽，采用 1/4 椭圆曲线，即：

　2 22 21x ya b 

　（3·2）

　式中：a,b 分别为椭圆的半长轴和半短轴 依据《水利水电施工组织设计手册》（Ⅰ）表 2-4-8 即表 3·1,

　表 3·1 推荐值表

　 a／h 0.88～1.4 1.4～2.1 2.1～2.42 2.42～3.0 a／b 2.0 2.5 3.0 3.5

　 对于两侧和顶部收缩的矩形空口，一般采用 ah=1.0～1.5（h 为孔高），ab=3～4，本设计 h=16.6m，取ah=1.5，则 a=1.5h=1.5  16.6=24.9m，取 a=25.0 m，由表 2-5 查得ab=2.5

　 则：2510.02.5 2.5ab m   

　所以椭圆曲线方程为：2 22 2125 10x y 

　（3·3）

　隧洞进口段是由喇叭口段的矩形逐渐演变成拱门形，为了使水流连接平顺，减少水力损失，渐变段长度一般不小于 1～3 倍的洞宽，故取渐变段长为 30 m。其进口形状见图 3·2

　图 3·2

　进口断面渐变形状 3.5 隧洞 出口 的 设计 隧洞出口的布置，应保持水流的良好衔接，达到消能防冲的目的，出口的高程和型式，不仅影响出口的水流状态，而且影响洞内的流态。因此，出口型式与布置，应同进口及洞内的流态成为整体考虑，并通过水工模型试验验证。水头较低时，出口演变不需要设置特殊的消能设施。

　由于松涛水利枢纽坝址区隧洞出口处，岩石坚硬，隧洞的出口布置，应保持水流的良好衔接，达到消能，防冲的目的。故本设计采用扩散消能的形式，扩散消能的扩散角一般采用 5°～7°，本设计扩散角为 6°。

　 渐 变 段 25

　16.6

　30

　26.6

　3.6 隧洞的水力计算 导流水力计算的主要任务是计算各种导流泄水建筑物的泄水能力，以便确定泄水建筑物的尺寸和围堰高程。

　3.6.1 隧洞截面参数的确定 由前节设计可知，本隧洞断面形式采用城门洞形，顶角为 120 

　截面参数：底宽 ：

　B=11m

　 断面高：

　H=16  6m

　 半径

　：

　r=6  2m 面积：

　) 1 . 3 1121360120( 5 . 13 112      R S 

　265 . 17105 . 17 2 . 40 5 . 148m   

　 其中

　S 扇 =40  2=12lR  l = 13 m m X 51 13 2 5 . 13 11     

　水力半径：

　 R=Sx=3  37 m

　糙 率 8 . 5810017 . 0  nn ， 查 《 水 力 学 》（ 第 三 版 ）

　表 3-2 可 知0 . 7261337 8 . 58161    RnC

　表 3·1 隧洞截面参数 隧洞截面 B H r S x R C 具体参数 11 16．6 6．2 171.65 51 3.37 72.0 3.7 隧洞流态的判断 隧洞导流属于管道泄流。其水力计算须判别水流流态。针对不同的流态有具体的水力计算方法。隧洞的水流流态有三种：无压流、半有压流、有压流。

　3.7.1 一号隧洞的流态判别(短 274m) 依据《水利水电施工组织设计手册》（Ⅰ）

　 （1）半有压流下限泄流流量pcQ为：

　pcQ =μdA 2 ( )pcg d  

　（3·4）

　式中：pc —半有压流的下限临界壅高比，为管道进口底槛以上水深与管身高度之比；

　μ—流量系数，随进口型式不同为（0.576～0.670），对于锐缘进口可采用0.670；

　 —进口竖向收缩系数，为（0.715～0.740），粗略计算时可取 0.740 。

　dA —管道断面面积，采用 171  65m2

　d—管身高度，采用 d=16  6m 。

　本设计流量系数取μ=0.67，进口收缩系数取  =0.74，管道断面面积dA =171.65 m2 ，管身高度 d=16.6 m，将数据代入上式，则有：

　m d Hpc pc26 . 18 6 . 16 1 . 1     

　pcQ =μdA 2 ( )pcg d  

　s md37 . 1244) ( 8 . 9 2 65 . 171 67 . 0      

　 =1244.7cm/m³ 半有压流与有压流分界点的上游临界壅高比Fc 为：

　FcFcHd 

　（3·5）

　式中：Fc —形成有压流时进口底槛以上的水深，m；

　 d—管身高度，m 。

　从实际的工程实践及模型试验观测到的数据值来看，Fc 不是一个单一的数值。当上游水位渐增，从半有压流到有压流时，其分界点的Fc 值较高；而当水位渐落，从有压流到半有压流时，则出口处产生一定的负压而水流暂不脱壁，使在更低的Fc 值才能形成半有压流。

　由于洞内流态还受洞长，坡度等因素影响，情况比较复杂，而目前用以计算的公式尚不够成熟，近似计算，可以采用经验值Fc =1.5，

　FcH =Fc d=1.5  16.6=24.9m （2）相应的临界流量可用有压流公式计算：

　12 ( )Fc d FcQ A g d d iL    

　（3·6）

　式中：dA —管道断面面积，A d =171.65m2 ；  —有压流出口水头比； Fc —由前面可知Fc =1.5 i—底坡坡率，i=4‰

　 L—隧洞洞长，1l =274m；

　d—管身高度，m；

　 μ—流量系 μ= 1 121 181...