2.3 导流隧洞设计

2.3.1 地质条件

两条导流隧洞进口段地层均为岩性较差的罗楼组岩层，左洞进口段左边坡已位于倾倒蠕变岩体范围内，其顶部已切入地下厂房进水口高程301.00m平台以内；洞身段穿越的地层除右洞上游一部分洞段为罗楼组岩层外，其余基本都在岩体坚硬的板纳组岩层内。左、右岸导流隧洞沿线主要断层分别有27条和16条，其中，影响洞线布置的较大规模断层主要有：左岸与导流隧洞轴线近于平行延伸的F₁、F₄，产状N70°～90°W，NE∠55°～86°，破碎带宽度0.2～1.0m、影响带宽度1.0～1.5m；右洞为F₆₀、F₈₉、F₃₀，产状N50°～80°E，NW（SE）∠70°～85°，破碎带宽度0.2～3.8m，影响带宽度1～12m。

2.3.2 结构布置

2.3.2.1 平面布置

导流隧洞布置主要考虑地形、地质条件、水工枢纽布置特性、围堰布置要求，同时力求水力条件较优、工程量较省。龙滩水电站导流隧洞平面布置如图2.1所示。

图2.1 龙滩水电站导流隧洞平面布置示意图

左岸导流隧洞在初步设计阶段曾作过长洞方案与短洞方案的比较。长洞方案洞线从山内侧绕过地下厂房，在尾水渠下游出洞；短洞方案洞线布置于地下厂房外侧，从尾水渠上游出洞。两方案地质条件和水力条件均可，但因长洞方案较短洞方案洞线长320.0m而被放弃。受枢纽布置及地形地质条件制约，导流隧洞布置范围极其有限：导流隧洞进口位置受蠕变体制约，不宜向上游延伸，致使上游主围堰轴线距坝轴线距离不足100.0m；洞身段尽量远离地下厂房洞室、尽量布置于F₁和F₄断层之间，受布置范围限制，洞身近160.0m洞段与1号引水发电洞仍相距较近，最近处不足1倍洞径；与隧洞右侧边墙近于平行的F₄断层距边墙距离一般仅约10.0m，局部洞段仅5.0m，其进口段仍不可避免地要穿过F₄断层，只能尽可能加大二者间的交角；下游出口不宜影响地下厂房尾水渠布置。经比较，洞线在平面上布置了两个弯道，弯道半径分别为125m和200m，转弯角分别为39°和7°，洞身段长598.631m，与岩层走向夹角80°～50°。洞身Ⅱ～Ⅲ类围岩占89%，Ⅳ类围岩占11%。其进口明渠长90.63m，轴线走向与河床主流方向夹角约60°；出口明渠长267.06m，轴线走向与河床主流方向夹角约33°。

右岸导流隧洞布置区地表有8号冲沟通过，上伏岩体厚度相对较小，洞室有F₃₀、F₈₉、F₆₀等大断层通过，断层影响带附近次生断裂较发育，层间断层和层间错动也很发育。其进口受岩层产状影响，需使洞轴线与岩层有一定的交角。为保持围岩稳定，洞线布置与上述断层保持了较大的交角，并避开了几条断层的交会点，在平面上设置了两个弯道，弯道半径分别为125.0m和200.0m，转弯角分别为51°和44.5°，洞身长844.421m。除进口段洞轴线与岩层走向交角较小外，洞身段与岩层走向夹角80°～60°。全洞Ⅱ～Ⅲ类围岩占81.3%，Ⅳ类围岩占18.7%。其进口明渠长297.52m，轴线走向与河床主流方向夹角约30°；出口明渠长138.77m，轴线走向与河床主流方向夹角约27°。

2.3.2.2 导流隧洞进口底板高程

坝址枯水期常水位219.00m，为便于截流，又不造成施工困难，原初步设计阶段选定两洞进口底板高程均为215.00m；枢纽布置优化及施工规划阶段考虑到右岸导流隧洞进口明渠开挖量过大，适当提高底板高程将有利于减少进口开挖量和封堵工程量，经对右洞进口底板215.00m、220.00m、225.00m三级高程比较，右洞进口底板抬高，对主围堰高程影响甚微，但对临时围堰和截流体的高程却有较明显的影响，从不过多增加截流水头差、尽量减少进口开挖量和隧洞封堵工程量等方面综合比较，决定将右洞进口底板高程抬至220.00m。可行性研究补充设计阶段及招标设计沿用施工规划设计成果，招标工作完成后，根据2001年6月《龙滩水电站导流标准及导流方案专题讨论会会议纪要》的精神，考虑到导流隧洞规模大，进出口施工边坡高度大，尤其是左洞进水口边坡和初期坝肩及岸坡开挖直接影响导流隧洞进口和施工支洞开挖，导流隧洞施工工期十分紧张，鉴于导流隧洞施工处于整个工程施工进度关键线路的第一步，左岸导流隧洞施工制约因素较多，而右洞又相对较长、洞身地质条件相对较差，两条洞施工难度均较大。为保证至少1条洞按时投入截流，决定将右洞进口高程降至与左洞相同，两洞进口底板高程均为215.00m，纵坡1‰。

2.3.2.3 隧洞结构

隧洞断面形式在原初步设计、枢纽布置优化及施工规划设计阶段均推荐采用城门洞形，断面尺寸随初期导流流量变化分别为16.0m×20.0m（宽×高）和17.0m×22.0m（宽×高）。在招标设计阶段，结合地质条件，对相同过水断面下的城门洞形、马蹄形、圆形3种洞型在导流隧洞施工、运行及封堵工况进行了结构分析比较，经平面弹塑性有限元计算及结构力学分析表明，圆形断面围岩稳定性和衬护结构受力条件以及工程量相对最优，马蹄形次之，城门形较差；同时经复核，圆形断面由于曲率较大，与城门洞形相比截流难度增加不大，因此改用圆形断面，洞径21.0m。

招标设计完成后，根据2001年6月“龙滩水电站导流标准及导流方案专题讨论会会议纪要”精神，为方便施工、确保进度，导流隧洞过流断面调整为16.0m×21.0m（宽×高）城门洞形，顶拱中心角120°，过水面积313.5m²。

导流隧洞进口闸室段长为29.0m，进水口顶曲线方程为x²/22²+y²/7²=1。考虑到封堵闸门启闭能力的限制，设置中墩将其分为2孔，每孔净宽8.50m，中墩厚5.0m；导流隧洞运行期设计最大流速30m/s。为提高隧洞过流能力，同时满足围岩的稳定及结构抗冲耐磨要求，采用全断面钢筋混凝土衬砌，洞身进口50.0m段衬砌厚2.5m，其他洞段衬砌厚度分别采用1.5～0.8m。

导流隧洞出口明渠设计采用平底扩散、两洞对冲消能。实际施工由于出口围堰压占，改为5%反坡与原河道相接。明渠采用1.5m厚混凝土板加短锚杆护底，两侧采用钢筋混凝土翼墙与开挖坡面顺接，同时在混凝土护底末端齿槽部位打设1～2排20.0m长锚杆深入基岩固脚防淘。

2.3.3 水力特性

水力模型试验显示，左、右导流隧洞在下泄流量小于5400m³/s时为明流，下泄流量5400～7000m³/s区间右洞和左洞先后分别完成明满流过渡。两洞分流比为Q_左：Q_右=0.55：0.45。导流隧洞进口旋涡在下泄流量7830～17030m³/s区间始终存在，左洞漏斗旋涡较右洞大，直径6.0～13.0m，为逆时针向稳定贯通旋涡，右洞为间歇性顺时针向贯通旋涡；当下泄流量大于18500m³/s时，两洞进口附近水面较为平稳。

当下泄流量大于9000m³/s时，两洞洞身段压力均为正压，在两洞出口直线段距出口约140.0m区域洞顶为低压区；下泄流量小于9000m³/s时，由于下游水位较低，在两洞出口直线段洞顶有不大于3×9.81kPa的负压。进口门槽后顶拱由于洞顶椭圆曲线被门槽切断，门槽后形成突坎，流线弯曲形成绕流而产生负压。各级流量下，两洞进口门槽下游拱顶均为低压区，由于左洞下泄流量与流速大于右洞，其负压值明显大于右洞。若将拱顶门槽按上唇曲线光滑连接封闭，则可大幅降低门槽后洞顶负压值。考虑到拱顶门槽按顶曲线封闭实施难度较大，采用将门槽前顶拱降低0.6m方案，以消除顶门槽后形成的突坎、改善其压力状态。经试验验证，此方案右洞进口段全为正压，左洞进口段负压值亦明显减小，当下泄流量为12640～19542m³/s时，左洞顶最大负压值由原（-3.99～-10）×9.81kPa降至（-0.41～-5.5）×9.81kPa，负压出现范围为门槽后4.5m距中墩壁3m的顶拱尖角区域；右洞顶压强由原（0.267～-5.39）×9.81kPa变至（5.1～7.2）×9.81kPa。

试验表明，坝体缺口挡水度汛期为导流隧洞出口下游河道流态的最不利工况，当下泄流量为19542m³/s时，左、右洞出口明渠底板与护岸流速分别为29.93m/s、21.09m/s，两洞明渠出口底板与岸坡需加强防护。汛期围堰或坝体过水时，两洞水流出明渠后相撞消能较为充分，从而减小了出流对相撞处以下河道两岸的冲刷，主流位于河中偏右岸，下泄水流平顺，导流隧洞出口下游流态较导流隧洞单独泄流时好。实际施工时为尽量减少由于左、右岸导流隧洞出口明渠段同期施工围堰占压河道对河道泄流的影响，左、右洞出口明渠底坡由平底分别改为4.6%、5.9%倒坡，明渠底板混凝土衬护范围较原设计缩短35.0～30.0m，动床模型试验结果表明，明渠底板倒坡犹如小角度挑坎，泄洪时坎后水流对明渠齿墙的淘刷不可避免，需对齿墙基础采取加深加固措施。

2.3.4 洞身支护与衬砌结构

2.3.4.1 设计标准

根据《水利水电工程施工组织设计规范（试行）》（SDJ 338—89）的规定，导流隧洞为3级建筑物，其结构设计标准与导流设计标准相同。

（1）运行期。坝体拦洪期，采用全年100年一遇洪水标准，相应流量23200m³/s，由坝体预留缺口联合泄流，缺口高程285.00～295.00m，相应上游最高库水位为300.75m。

（2）封堵期。采用12月1日至次年4月30日20年一遇洪水标准，相应流量3210m³/s，为利于坝体预留缺口上升，考虑由底孔单独泄流，相应上游库水位为318.12m。

根据招标设计阶段总进度安排，导流隧洞于2001年6月开工，2003年11月截流，2006年11月下闸，2007年4月以前封堵完成，施工期2年半，运行期3年，封堵期5个月。

水力计算主要成果见表2.5。

2.3.4.2 基本设计资料

（1）洞室围岩分类及主要特征参数见表2.6。

（2）隧洞计算岩石力学参数见表2.7。

2.3.4.3 导流隧洞支护与衬砌结构设计原则

（1）导流隧洞支护与衬砌设计贯穿“新奥”法设计原理，采用复合支护形式。开挖初期采用喷锚支护，对局部块体和断层采用随机锚杆、预应力锚杆、锚索或钢拱架加固，初期支护应保证围岩的稳定，后期支护采用钢筋混凝土衬砌，衬砌结构除顶拱考虑混凝土回填灌浆不密实、衬砌单独承载外，其余按围岩与衬砌联合承载考虑。

（2）锚喷支护设计参数按围岩地质分类、完整性、断层及地下水发育状况，根据工程类比法确定、理论计算法验证、修正；对于Ⅲ₂～Ⅳ类围岩，采用固结灌浆处理以提高其完整性及力学参数。

（3）由于导流隧洞最大流速达30m/s，衬砌按全断面钢筋混凝土衬砌考虑。

（4）洞身进口50.0m范围内为满足围岩渗透稳定坡降的要求，不设排水孔，其余洞段均设排水孔，外水压力折减考虑排水孔的作用。

（5）衬砌按不控制裂缝宽度设计。

（6）设计不考虑地震荷载。

2.3.4.4 计算工况

衬砌结构计算考虑3种设计工况，即施工期、运行期、封堵期。施工期指隧洞尚未通水前的施工时期，运行期指隧洞通水后至封堵前的运行时期，封堵期指导流隧洞进口下闸后至永久堵头开始受力前的时段。

2.3.4.5 荷载分析

混凝土衬砌结构承受的荷载种类有结构自重、外水压力、内水压力、山岩压力、弹性抗力、灌浆压力等。

（1）外水压力。外水压力采用地下水位以下的水柱高度乘以外水折减系数β。

外水折减系数β，主要根据围岩性质和构造、隔水层位置、固结灌浆及排水孔设置等因素，按《水工建筑物荷载设计规范》（DL 5077—1997）附录C及地质建议值选用。取值原则如下：

1）施工期，外水水头直接根据地下水位线取值，考虑地下水补给来源不充分，开挖后地下水的释放，β取较小值。

2）运行期，有内水组合，不考虑帷幕灌浆的防渗作用，β取较小值。

3）封堵期，库水位维持时间较长，考虑帷幕灌浆的防渗作用，堵头段上游水位采用库水位与地下水位中较高者；堵头段下游，按初始地下水位线考虑，β取较大值。

4）对于进口50m段，考虑围岩地质条件差，为保证围岩渗透稳定，衬砌结构不设置排水孔，外水压力不折减。

在计算过程中，除考虑以上原则外，尚进行了折减系数的敏感性分析。

（2）山岩压力。《水工隧洞设计规范》（SL 279—2002）规定，当采用喷锚支护等加固措施，已使围岩处于基本稳定或已稳定的情况下，可少计或不计围岩压力。

对于Ⅴ～Ⅳ类围岩，山岩压力按式（2.1）和式（2.2）估算。

式中：q_vk为垂向均布压力，kN/m²；q_hk为水平均布压力，kN/m²；γ_R为围岩容重，kN/m³；B为洞室开挖宽度，m；H为洞室开挖高度，m。

（3）弹性抗力。当衬砌结构受外力作用下向围岩方向变位时，要求考虑围岩弹性抗力。

弹性抗力按照文克尔假定计算，单位弹性抗力系数k₀按照地质专业提供资料选取，见表2.6。弹性抗力系数k计算公式为

式中：k₀为单位弹性抗力系数，N/cm³；b为洞室开挖宽度之半，cm。

（4）灌浆压力。灌浆压力假定沿衬砌均匀分布，并与衬砌外缘成正交，压力强度取灌浆时压力计读数的0.3～1.0。回填灌浆压力取0.3MPa。

2.3.4.6 荷载组合

（1）施工期。结构自重+外水压力+山岩压力+弹性抗力+灌浆压力。

（2）运行期。结构自重+外水压力+内水压力+山岩压力+弹性抗力。

（3）封堵期。结构自重+外水压力+山岩压力+弹性抗力。

2.3.4.7 计算方法

结构计算按平面有限元和结构力学两种方法进行。结构力学计算方法采用SDCAD计算程序提供的边值法；对于有限元计算方法，设计按不同部位围岩类别选取典型断面，并模拟围岩中主要构造，采用弹塑性平面有限元方法，从开挖、支护、运行及封堵全过程进行数值仿真模拟计算分析。

根据综合计算分析，堵头上游洞身段混凝土衬砌厚度设为两种，前50.0m洞段为2.5m，其余洞段为1.5m；堵头下游洞身段混凝土衬砌厚度为Ⅱ～Ⅲ类围岩段0.8m、Ⅳ～Ⅴ类围岩段1.2m。

初始地应力场按自重应力场考虑，水平侧压系数为1.3。

模型计算范围：隧洞四周围岩取3～3.5倍洞径，沿洞轴线方向取单位宽度。计算时岩体采用四边形等参单元、Drucker-Prager屈服模型模拟；混凝土衬砌、喷层和锚杆分别采用四边形等参单元、梁单元和杆单元模拟，均为线弹性本构模型。

模型边界条件：计算模型左右两侧和底部施加法向链杆，按平面应变问题考虑。拱顶120°范围考虑混凝土回填灌浆不密实，假设衬砌与围岩之间存在初始缝隙，衬砌单独承载；两侧边墙和底板处衬砌与围岩按联合承载考虑。

2.3.4.8 计算成果

通过对Ⅱ～Ⅴ类围岩从施工到运行全过程计算分析，围岩变形和衬砌应力变化情况如下。

（1）围岩应力。在导流隧洞分层开挖过程中，各类围岩应力变化规律相似，洞周围岩第一主应力基本沿洞室径向，第二主应力沿洞室切向。除断层与洞壁相交部位附近出现一定的拉应力外，第一主应力均为压应力，但压应力值不大。分层开挖线与洞周交接处出现应力集中，埋深越大，应力集中越明显，其中最大压应力发生在埋深最大的Ⅳ～Ⅴ类围岩断面边墙底部角点处，为-29.13MPa（“-”号表示压应力，下同）；在有断层通过的断面，均在断层与洞壁相交部位出现拉应力区，最大拉应力为1.42MPa。

在运行期内水压力作用下，围岩径向压应力增加，环向压应力减小，但最小切向压应力仍大于各断面相应的内水压力，围岩不会产生水力劈裂。

封堵期假定外水压力作用在衬砌外表面，导流隧洞边墙和底板中部外表面与围岩结合处均出现了拉应力，外水头越高、衬砌厚度越小、拉应力越大，其中围岩与衬砌接触面上最大径向拉应力出现在进洞附近外水水头未予折减的Ⅳ～Ⅴ类围岩断面，其衬砌厚度2.0m和2.5m时分别为1.27MPa和0.92MPa，衬砌厚度2.5m基本满足设计假定的衬砌与围岩联合承载的条件。为保证计算假定条件成立，设计需采取一系列的工程措施，包括对围岩进行固结灌浆、保证喷混凝土质量、系统锚杆与结构钢筋相焊接（或锚固）等。

（2）围岩塑性区。施工开挖过程中，洞周二次应力场扰动范围不大，塑性区范围仅限于顶拱、底板等与岩层分区、断层相交处以及侧墙中部，深度一般未超过4.0m。根据二次应力场的扰动范围，对洞周4.0～5.0m范围内的围岩进行锚固并对Ⅴ～Ⅳ类围岩进行固结灌浆对提高围岩整体稳定性是非常必要的。

（3）洞周变形。除进口Ⅳ～Ⅴ类围岩断面断层斜贴边墙洞壁的个别角点外，均为向洞内收缩，洞周位移均在10.0mm以内。

（4）支护措施评价。除断层与洞壁相交部位外，计算提供的支护措施基本上可满足施工期稳定需要，锚杆最大拉应力255MPa，未超过其抗拉强度（310MPa），锚杆应力有较大富余。由于城门洞形断面两侧直边墙高16.0m以上，边墙中部喷混凝土层应力均大于C20混凝土抗拉强度，喷层混凝土将开裂，因此采用挂网喷混凝土或适当提高混凝土强度等级是必要的。断层的存在对洞周位移、喷混凝土层、锚杆和混凝土衬砌应力的影响非常大，在断层与洞壁相交部位锚杆直径即使采用36mm，其应力仍大于钢筋设计强度，系统锚杆须相应加粗、加密、加长，或采用预应力锚杆，并对断层作灌浆处理，以满足施工期围岩稳定要求。

（5）衬砌应力。施工期混凝土衬砌基本上为压应力，但由于施工期外水压力较低，衬砌内压应力数值很小，不起控制作用。

运行期和封堵期由于考虑顶拱混凝土与围岩之间存在初始缝隙，因此顶拱部位衬砌应力较大，一般均已超过C25混凝土抗拉强度；边墙和底板考虑与围岩联合承载，衬砌拉应力比顶拱小，但仍接近C25混凝土抗拉强度。

封堵期在外水压力作用下，除高边墙断层与洞壁相交部位产生局部拉应力区外，其余部位混凝土衬砌全部承受压应力。衬砌正截面强度一般以运行期工况控制，而结构斜截面强度多以封堵期工况控制。

结构配筋按上述计算结果，将应力转换为内力按相关规范进行。

导流隧洞初期支护及混凝土衬砌设计参数见表2.8。

2.3.4.9 洞身构造设计

（1）衬砌混凝土强度等级。堵头上游洞段采用C30，堵头及其下游洞段采用C25。

（2）为保证围岩与衬砌混凝土联合承载，初期支护的系统锚杆外露岩面0.8～1.2m，并与衬砌混凝土结构外层钢筋骨架焊接。

（3）贴角。为改善衬砌混凝土受力，在洞身底板与边墙相交处采用1m贴角，并配置贴脚钢筋。

（4）分缝分段。衬砌结构施工横向分缝长度6.0～18.0m，具体长度根据施工方法及浇筑能力确定，在变截面处需设横缝分段浇筑；纵向分布钢筋可不穿过缝面；除进洞50.0m洞段衬砌施工横向分缝设置2道BW-Ⅱ橡胶止水外，其余洞段缝面均不设止水。

（5）洞身排水。导流隧洞进洞50.0m以后洞段两侧边墙各设置4排系统排水孔，其中，堵头前洞段排水孔深入岩石2.0m，堵头后排水孔入岩0.5m，间排距均为3.0m。

（6）回填灌浆。导流隧洞混凝土衬砌拱顶120°范围内进行回填灌浆。灌浆孔孔、排距2.0m，设计灌浆压力0.2～0.3MPa，在衬砌混凝土强度达到70%以上设计强度后进行。

（7）固结灌浆。对洞身Ⅳ～Ⅴ类围岩、Ⅲ₂类围岩段进行固结灌浆，在回填灌浆结束7d后进行。灌浆孔孔排距3.00m，入岩8.0m，设计灌浆压力0.5～0.7MPa。

（8）堵头段处理。堵头开挖体形随洞身开挖一次成型，以简化施工，加快堵头施工进度。鉴于流速较大，堵头部位过流面仍采用标准断面以保证水流顺直。为保证堵头混凝土与衬砌混凝土的结合，在两侧衬砌混凝土边墙上堵头长度范围各预留24个键槽，分2排布置，间距2.0m，键槽尺寸1.0m×3.0m（宽×高），深15cm，导流隧洞运行期采用厚14mm钢板封闭键槽。

2.3.5 进水口结构设计

导流隧洞进水口闸室段长为29.00m，为双孔框架式进水口。进水口底板过流面高程215.00m，单孔过流宽度8.50m。进口顶拱过流面曲线方程为x²/22²+y²/7²=1，进口两侧为半径2.5m的1/4圆曲线。闸室顶板顶面高程主要考虑封堵闸门组装期挡水要求、场内施工道路高程衔接以及结构自身要求等因素确定，为243.00m，顶板最小厚度7.00m，中墩、边墩及底板最小厚度5.00m。闸门槽口设于进水口顶曲线中部，单个门槽宽2.50m，深1.20m。门槽上部设钢筋混凝土启闭框架，框架顶部布置封堵闸门启闭平台，启闭框架高28.33m，顶部平台高程为271.33m。为改善结构受力条件，进水口两侧边墩高程230.00m以下采用混凝土与两侧进水口边坡相接，高程230.00m以上回填石渣形成施工道路。

进水口结构采用三维有限元法进行计算。计算模型中，结构底板以下基岩深度取为结构高度的1倍左右，上、下游方向基岩取为结构长度的2倍左右，宽度方向取为底板宽度的2.5倍左右，混凝土和基岩均按各向同性弹性材料考虑。

计算分为施工完建期、运行期、下闸期及封堵期4种工况。运行期和封堵期设计标准及相应设计水位与洞身衬砌结构相同。主要计算荷载有结构自重、库水压力、基底扬压力、动水压力、静水压力、填渣压力、启闭力、闸门自重及闸门挡水压力等。

计算结果表明，除封堵期以外，进水口结构在其余3种工况下的应力值大多为压应力，局部拉应力也大多小于混凝土的允许拉应力；封堵期由于闸门挡水水头较高，在中墩内形成很大的拉应力和剪应力，尤其是由于中墩闸门槽缩颈部位断面较小，结构在顺水流和水平垂直水流向双向全断面受拉，最大主拉应力达3.0MPa；在闸门槽轨道表面，除顺水流向受拉外，垂直水流向水平最大拉应力达1.76MPa；水平面最大剪应力值达3.2MPa；垂直面最大剪应力值达2.2MPa。

根据应力计算成果，进水口结构采用C40混凝土，以提升结构强度，并在门槽二期混凝土内预埋型钢和5φ36/m钢筋与闸门主轨支座相焊接，以加强整体性。

鉴于龙滩水电站导流隧洞进水口结构设计水头高达105.0m，其中墩承受水推力达3.1万t，为当时国内封堵期外水水头最高、进水口中墩水推力最大的导流隧洞，为确保结构安全，对进水口结构配筋采用钢筋混凝土非线性有限元进行了复核分析，分析计算表明，中墩结构裂缝主要出现在门槽角点部位，沿顺水流方向开裂，裂缝宽度最大值出现在闸墩沿高度方向中部偏下。按设计配筋方案，裂缝开展宽度和钢筋应力均满足规范要求。裂缝开展宽度和钢筋应力影响因素敏感性分析表明，中墩闸门槽处钢筋骨架应采用焊接法施工，确保钢筋有足够的锚固长度，同时应采取有效的措施防止高压水渗入裂缝。

根据进水口结构钢筋混凝土非线性有限元复核分析结果，在进水口闸墩门槽下游侧一期、二期混凝土结合部位增设折线型柔性止水，以防止高压水的劈裂作用。柔性止水采用防水涂料，布置高程215.00～243.00m，要求涂层厚度不小于3mm、抗拉强度不小于1.5MPa、延伸率不小于400%、与混凝土黏结强度不小于2.0MPa。

2.3.6 防冲蚀设计

2.3.6.1 混凝土强度及平整度要求

鉴于导流隧洞运行期最大流速达30m/s，洞身全断面采用钢筋混凝土衬砌。堵头上游段洞身衬砌混凝土强度等级采用C30，堵头及其下游段洞身衬砌混凝土强度等级采用C25，进水口结构混凝土强度等级采用C40。混凝土过流面要求平顺光滑，平行于水流向升、跌坎不大于5mm，垂直水流向升、跌坎不大于3mm，超过者须磨成1：50斜坡与大面相接。进口封堵闸门槽在过流期采用钢结构封闭，门槽顶部槽口采用混凝土盖板封盖。

2.3.6.2 进水口结构细部构造

根据水力模型试验成果，将进水口闸门槽上游顶曲线较门槽下游降低0.6m，以消除顶门槽后形成的突坎，改善其压力状态；门槽下游侧中墩与顶拱交接的长3.7m、高3.0m的尖角低压区范围采用厚12mm Q235B钢板衬护；同时，每孔进水口门槽下游侧洞顶低压区设置1根φ300mm通气管掺气。为防止磨损破坏，确保进水口封堵闸门止水效果，除在进水口闸门槽底部设置钢结构底坎外，进水口底板过流面表层30cm厚度范围采用C40钢纤维混凝土抗冲。

2.3.6.3 出口抗冲淘

导流隧洞出口明渠设计采用平底扩散、两洞对冲消能，明渠采用1.5m厚混凝土板加短锚杆护底方案，两侧采用钢筋混凝土翼墙与开挖坡面顺接。实际施工由于出口围堰压占，改为4.6%～5.9%反坡与原河道相接。水力模型试验验证，若在明渠出口设置消力坎，可有效减小对明渠底板末端齿墙的淘刷，但坎顶高程需高出导流隧洞底板高程7.00m，对导流隧洞泄量及截流难度影响较大，未予采用。为减少反坡造成的推移质磨损，明渠底板面层30cm采用C25钢纤维混凝土，同时由于护底长度减短，水力模型试验显示冲刷坑较深，采用在混凝土护底末端齿槽部位打设1～2排20.0m长锚杆深入基岩固脚防淘。

2.3.7 进、出口边坡设计

左岸导流隧洞进口及其边坡段主要地层为罗楼组T₁L^4～9层泥板岩与灰岩互层夹少量粉砂岩以及板纳组T₂b¹～T₂b^14～15层层凝灰岩、砂岩、泥板岩和少量灰岩等。进口段左边坡已位于倾倒蠕变岩体范围内。地表残坡积层厚5.0～10.0m，强风化岩体下限深8.0～15.0m，弱风化岩体下限深25.0～35.0m。罗楼组和板纳组T₂b^2～4层抗风化能力差，弱风化及其以上岩体内风化泥化夹层极为发育。受F₄断层和NE、NW等不同走向的断裂切割，以及受倾倒变形破坏影响，岩体完整性差，地质条件复杂，且明渠开挖坡已与地下厂房进水口高程301.00～311.00m开挖平台衔接，左岸导流隧洞进口明渠左边坡已位于倾倒蠕变岩体坡脚范围内，其顶部已切入地下厂房进水口高程301.00m平台以内，组合边坡高度达410.0m，高边坡稳定问题突出。厂房进水口平台以下明渠开挖坡最大坡高91.0～97.0m。

右岸导流隧洞进口边坡主要地层为罗楼组T₁L^3～8层泥板岩、灰岩互层夹少量粉砂岩。地表残坡积层厚3.0～10.0m，强风化岩体下限深8.0～15.0m，弱风化岩体下限深20.0～28.0m。由于受层间泥化夹层切割，岩体多呈软硬相间的薄层状结构，变形模量低，完整性差，风化破碎严重，工程条件较差。坡顶高程375.00m左右，最大坡高160.0m。

两洞出口明渠布置区为砂岩、砂岩与泥板岩互层及砂岩、粉砂岩、泥板岩互层，岩体强风化层深10.0～12.0m（左洞）、7.0～14.0m（右洞），表层覆盖层深度一般为1.0～3.0m。左洞明渠尾部段切入冲洪堆积层中，堆积层厚5～8m。两洞出口明渠最大坡高150.0m。

2.3.7.1 边坡设计标准

左、右岸导流隧洞进口边坡均与大坝永久边坡连为一体，其稳定安全标准与大坝永久边坡一致，按1级边坡设计，抗震设计烈度为7度。

采用刚体极限平衡法进行稳定分析计算时，《水电枢纽工程等级划分及安全设计标准》（DL 5180—2003）规定的边坡抗滑稳定安全标准见表2.9。

2.3.7.2 边坡稳定计算

采用刚体极限平衡法及平面弹塑性有限元法，对导流隧洞进口边坡稳定进行了分析研究。

边坡稳定计算分别考虑了施工期、导流隧洞运行期及水库蓄水期等工况。施工期计算荷载主要考虑了自重、地下水静水压力、初始地应力、逐层开挖后的应力释放，同时要求开挖自上而下进行，开挖一层支护一层，因此，计算中下层开挖时还计入上层的支护锚固力（系统锚杆+喷混凝土，必要时加预应力锚杆或锚索）；导流隧洞运行期除考虑了自重、地下水、地应力外，还考虑了水库静水压力及水位骤降时水库动水压力；水库蓄水期荷载组合另考虑了7度地震作用。其中，库水位骤降荷载通过分析坡体渗流场，在水位线以下的岩体上施加渗透体积力模拟；地震作用力按拟静力法计算，7度地震取水平向地震加速度0.1g。

平面弹塑性有限元法数值模型计算中，在导流隧洞进口边坡岩性、岩体产状结构、断裂、节理构造等基础上，结合坡体自然状态下最大剪应力等值线，分析边坡可能产生的破坏模式，从中选取最不利方向作为计算中拟定的潜在滑动面。左、右岸导流隧洞进口边坡典型断面各工况下平面弹塑性有限元法计算安全系数K_s见表2.10和表2.11。

从计算分析可见，两岸导流隧洞进口边坡在仅作表层系统支护时，施工期、运行期安全裕度不足，左洞洞脸坡地震工况潜在滑体可能失稳；两洞进口边坡进行深层预应力锚固后，有效改善了边坡稳定性能，边坡整体稳定均满足规范要求。

2.3.7.3 边坡治理

根据坡面岩性及构造进行了多种工况的稳定计算分析，采用了削坡减载、系统锚杆加挂网喷混凝土或喷钢纤维混凝土支护、深浅排水孔、竖横排水沟等治理措施，对可能滑移面采用1000～2000kN预应力锚索加固，对于水位变化频繁区的进出口明渠侧坡同时采用混凝土护面以改善水力条件、加强其抗冲能力。

（1）开挖设计。左岸导流隧洞进口明渠上、下游侧坡边坡走向与岩层走向夹角70°～80°，属正交切层坡，岩层产状有利于边坡整体稳定；洞脸坡与岩层走向夹角20°左右，为反倾向坡。根据地形地质条件，开挖坡比确定为：上游侧坡，高程230.00m以上开挖边坡大部分已进入倾倒蠕变体或强风化岩体内，单级坡比采用1：1.25，使其综合坡比接近自然坡度；高程230.00m以下，大部分坡面已进入弱风化岩体，坡比采用1：0.5～1：0.3；洞脸坡，高程245.00m以上坡比采用1：1.0；高程245.00m以下坡比采用1：0.5。每15m高差设一级宽3m的马道。高程241.00m以下为便于成洞，采用垂直坡。

鉴于左岸导流隧洞进口明渠开挖坡已切入地下厂房进水口高程301.00m平台外缘线内约25m，高程301.00m以下明渠开挖坡高已达91.0m，进水口明渠开挖边坡与地下厂房进水口边坡开挖协调设计，结合厂房进水口及施工道路等布置要求，将高程382.00m以上潜在滑体全部挖除，其中高程301.00m形成10.0m宽平台，与初期上坝道路衔接。导流隧洞明渠边坡开挖在地下厂房进水口边坡开挖平台基本形成后进行。

右岸导流隧洞进口明渠侧坡走向与岩层走向夹角20°～15°，其中上游侧坡为基本顺层坡，最大坡高55.0m，高程230.00m以上为强风化岩体，绝大部分坡面为风化溶蚀夹泥密集区，坡面完整性差，但未发现断层切割，不存在倾向坡外的不稳定楔体，坡面无深层滑动可能，边坡岩体变形以溃屈变形为主，能量平衡法分析保持岩层稳定的极限长度小于19.0m，因此取单级坡高15.0m，开挖坡比为1：1；洞脸边坡与岩层走向夹角70°左右，属正交坡，最大坡高120.0～160.0m，高程260.00m以上岩体多呈强风化，取坡比为1：1，高程260.00m以下坡比采用1：0.5。每高差15.0m设一级宽3m的马道，其中，高程245.00m结合下基坑道路布置，平台宽10.0m。高程241.00m以下为便于成洞，采用垂直坡。

两洞出口明渠开挖坡最大高度分别为150.0m（左洞）、120m（右洞），最高坡面与岩层走向夹角分别为50°～55°（左洞）、70°～65°（右洞），岩层产状有利于边坡稳定。两洞出口明渠下部边坡均有从导流隧洞出口洞顶穿过的场内施工道路经过，其中施工道路以下坡高约50.0m。开挖原则与进口明渠相同，出口明渠边坡开挖在施工道路边坡开挖平台基本形成后进行，根据坡面与岩层走向夹角情况、岩层构造及岩体风化程度，取强风化岩体开挖坡比为1：0.75，弱风化-微风化岩体坡比为1：0.5～1：0.3，每15.0m高差设一级宽2.0m的马道。

（2）支护设计。采用的主要加固支护措施有：系统锚杆、钢丝网喷混凝土加固表层岩体，预应力锚索分区进行深层岩体加固；左洞进口明渠上游侧坡蠕变岩体范围内每级坡面在坡顶、坡腰、坡脚及马道另各布置一排φ30mm、L=15.0m自钻式超前长锚杆以先期加固岩体、抑制岩体变形。系统锚杆的布设密度、深度根据坡面岩体风化程度、完整性、节理裂隙发育密度、爆破开挖松弛深度以及数值计算的应力、位移情况确定，预应力锚索根据岩体构造及稳定计算成果布设。左岸导流洞进水口边坡支护典型剖面如图2.2所示。

图2.2 左岸导流洞进水口边坡支护典型剖面图

（3）防渗排水。地表截、防、排水系统包括周边及坡面截（排）水沟、坡面系统排水孔、单级坡脚深排水孔。

为阻止高边坡开挖区以外的地表径流汇入，减少地下水入渗，在距边坡开口线以外5.0m处设置周边截水沟；坡面排水沟沿各级马道和平台纵向设置，与周边截水沟相接，并在相接处设沉沙井。

坡面布置系统排水孔，排水孔孔径76mm、孔深3.0m，每级坡面将坡脚一排排水孔加深至15.0m，孔径91mm。排水孔间、排距均为3.0m，仰角10°。遇断层破碎带坡面排水孔设置加劲透水软管反滤。

为防止坡面地表径流冲刷及表层岩体风化，避免恶化岩体和结构面力学特征，依坡面岩体完整程度，采用喷钢纤维混凝土、挂网喷混凝土等地表防渗措施；边坡上的马道、平台均现浇混凝土防护。

（4）坡脚抗冲。对于导流隧洞运行期水位频繁变动区（进口明渠高程245.00m以下）边坡采用现浇0.8m厚素混凝土护面，出口明渠流速较大部位的坡面采用现浇1.0m厚面层布筋混凝土防冲淘。

2.3.8 隧洞施工

左、右岸导流隧洞开挖均分3层施工，每层高8.0～10.0m。

导流隧洞施工支洞于2001年7月开始开挖。左岸导流隧洞洞挖设2条施工叉洞（共用1条施工主支洞通行），从2001年11月上旬开始洞身顶拱层开挖，至2002年10月底基本完成底层的开挖及初期支护（除进出口岩塞段外）。第Ⅰ层开挖高度8.0m左右，采取中导洞先行，两侧扩挖跟进的施工方法，中导洞宽8.0m，采用AtlasH178多臂凿岩台车钻孔；第Ⅱ层开挖高度10.0m，采用梯段微差爆破，侧壁沿边线先行预裂，梯段爆破钻孔采用LM500C型液压钻和CM-351型高风压钻，周边预裂采用YQ-100型潜孔钻；底层开挖高度5.0m左右，梯段爆破孔采用LM500C液压钻钻孔，光爆孔采用YQ-100型潜孔钻钻孔；采用KLD85Z侧卸装载机和PC600反铲或PC7500正铲挖装、配20t自卸汽车出渣运输。上层开挖时，除施工向上、下游方向各1个掌子面外，在隧洞出口另增设了1个掌子面，开挖最高月进尺240.0m；混凝土浇筑从2002年7月上旬开始，至2003年5月底全部完成，施工程序为先底板后侧墙最后顶拱，边墙采用多卡模板，每浇筑层高2.85m，顶拱采用钢模台车浇筑，2台钢模台车长分别为12.0m、9.0m，一般4～5d/循环；5月底完成了洞内回填灌浆、固结灌浆、帷幕灌浆及其检查孔的施工。

右岸导流隧洞设3条施工叉洞（共用1条施工主支洞通行）。从2001年11月中旬开始洞身顶拱层开挖，2002年11月下旬洞身开挖及初期全部完成，开挖方式及设备与左洞类似；混凝土施工从2002年8月底开始，至2003年6月中旬完成，浇筑设备及施工程序均与左岸相同；2003年8月中旬完成回填灌浆、固结灌浆、帷幕灌浆及其检查孔的施工。

2.3.9 监测成果

为了解导流隧洞运行状况，为工程安全评价提供依据，在导流隧洞洞身及其进口边坡埋设了监测仪器，对其变形、应力等进行监测，截至2009年11月底的主要监测成果如下。

（1）右岸导流隧洞进口边坡。地表监测成果显示，地表变形较小，所监测到的最大累计水平位移量为32.3mm，且40%～80%的变形量多发生在导流隧洞边坡及下游堰肩边坡开挖期间，2005年4月以后，位移增量速率极小（小于0.01mm/d），变形收敛；多点岩石变位计监测成果也显示该边坡变形极小，所监测到的孔口位移小于1mm，且发生在浅部；锚索测力计均未到达设计值；监测锚杆应力值一般为40～120MPa，最大值小于250MPa。以上表明该区变形量较小，7～8年观测期内已经收敛。以上数据表明，该区变形量小且收敛，边坡稳定。

（2）左岸导流隧洞进口边坡。导流隧洞进口边坡锚杆最大拉应力均小于81MPa，锚索均未达到设计值，总位移量级较小，累积位移量小于4.04mm，变化速率小于0.01mm/d，变形小且已收敛，边坡稳定。

（3）右岸导流隧洞洞身。各断面多点岩石变位计的监测显示，一般位移量小于8mm，围岩变形主要发生在左右拱肩3.5m以外较浅的范围内。最大位移发生在ER0+607处，达30mm（为小断层和层错组成的复合楔体）。洞身位移量的80%以上发生在导流隧洞上层扩挖完成后一小段时间，多为围岩松动圈应力释放的表现，少量为楔体的位移；洞身中下层系统支护完成后，曲线平缓，变形收敛。各断面监测锚杆应力值一般在40～120MPa之间，各测点应力较小，最大值240MPa。洞室围岩稳定。

（4）左岸导流隧洞洞身。多点岩石位移计显示洞室围岩位移总的量级小，多数位移小于3mm，最大位移9.76mm，运行期位移变化速率小于0.01mm/d，趋于收敛；锚杆应力计最大应力为272.73MPa；裂缝计最大开合度为0.34mm，量级较小。导流隧洞洞身稳定。

2.3.10 运行状况

龙滩水电站左、右岸导流隧洞分别于2003年6月和9月上旬通过验收，2003年11月6日两条导流隧洞开始过流，2006年9月30日导流隧洞进口下闸封堵，2007年5月导流隧洞堵头施工完毕。导流隧洞运行期近3年，实际最大泄量8890m³/s，估算最大平均流速15.6m/s；堵头施工期水库最高水位319.68m，基本接近导流隧洞封堵期最高设计水位320.00m，其中在319.00m以上水位运行达16d，结构安全。

龙滩水电站导流隧洞规模大，为满足泄洪要求，2条导流隧洞过水断面尺寸为16m×21m（宽×高），最大开挖断面为24.88m×26.15m（宽×高）。导流隧洞运行期设计最高内水水头55.0m，设计最大流速达30.0m/s，是国内已建和在建工程中断面较大的有压导流隧洞；为便于大坝RCC施工，坝体未设后期导流通道，下闸后堵头施工期只有坝体高程290.00m的2个泄洪底孔［5m×8m（宽×高）］参与泄洪，封堵期的外水设计水头高达105.0m、进水口中墩承受水推力达3.1万t，为当时国内已建工程中封堵期外水水头最高、进水口中墩承受水推力最大的导流隧洞。通过采取一系列的试验、计算和结构构造措施，成功地解决了导流隧洞施工及运行期支护、进水口中墩结构局部应力、出口防冲及进出口高边坡稳定及防护问题，为减少坝内后期施工导流通道从而加快工程进度创造了条件。