摘要：厄瓜多尔CCS水电站输水隧洞连接首部枢纽沉沙池和调蓄水库，隧洞总长24.8km，正常运行工况下输水隧洞为明流洞，在机组甩负荷关闭隧洞出口闸门时，隧洞后半段出现压力流，因此需要对输水隧洞进行全面水力特性分析，确保输水隧洞在各种工况下安全运行。今天小编为大家推荐《输水隧洞水利施工论文(精选3篇)》，仅供参考，希望能够帮助到大家。
输水隧洞水利施工论文 篇1：
对水利工程输水隧洞施工安全管理的分析
摘要：水利工程是保障民生国计的基础项目工程，输水隧洞是水利工程中重要的组成部分，其施工质量决定了水利工程整体的安全性及稳定性。为了保证整体工程的施工质量，还需加强施工安全管理措施，强化质量管理控制措施的有效性，严格把控整体工程施工的安全性，切实体现安全管理措施的可行性。文章针对水利工程输水隧洞的施工安全管理措施進行了分析，以供参考。
关键词：水利工程;输水隧洞;施工安全管理;分析
一、水利工程输水隧洞的概述
在水利工程建设过程中，都需要建设输水隧洞，其具有一定的调水功能。施工单位及施工人员都需重视施工安全操作，在明确隧洞岩石类型、断面设计及实际环境的基础上，选择合适的防护措施、支护施工技术等，真正将施工安全管理工作落实到位，明确质量控制要点，确保施工进度及施工质量，保障水利工程的安全性及稳固性。
二、水利工程输水隧洞施工安全管理的具体分析
（一）测量放样
在水利工程输水隧洞正式开工前，为了保证施工操作的准确性，施工人员需要对整体工程进行测量放样，结合输水隧洞的实际情况，优化隧洞结构的设计，保证施工图纸的可行性。在操作过程中，施工人员需要明确设计精度，根据不同结构的精度指标选择合适的测量方式，可采取三等边形式，依照等边角网的设计标准对相应角进行测量。据了解，在测量放样过程中，施工人员时常在隧洞内安装JZB-600激光指示器，方便施工人员掌握隧洞内的实际情况，在了解隧洞内部结构后，便可进行特定的放样工作。此外，施工人员也要严格控制施工线的间距，通常控制在300-400m之间即可[1]。
（二）输水隧洞的开挖
1.开挖方式
在完成测量放样工作后，便可进行输水隧洞的开挖和建设工作，为了落实施工质量安全管理措施，在开挖前，施工人员需要根据输水隧洞围岩的结构类型及地基稳定性采取合适的开挖技术，主要包括：全断面开挖方式，台阶开挖法以及支撑技术等。其中，全断面开挖方式时常应用于Ⅰ、Ⅱ类围岩结构;而台阶开挖法则适用于拱顶较高的输水隧洞中;支撑方式则主要用于Ⅳ、Ⅴ类的围岩结构中。施工人员要参考输水隧洞的洞顶高度和侧壁围岩的结构特征选择科学、合理的施工模式和技术，保证施工操作的安全性及有效性。
2.开挖钻孔
在输水隧洞开挖过程中，施工人员需要利用钻孔及爆破等方式开展具体操作。在采取手风钻进行钻孔时，要严格依照测量放样中确定的孔位进行打孔、布孔，根据输水隧洞的施工要求合理把控钻孔数量，但需要注意的是，周边光爆孔及中心掏槽孔的孔间距应控制在5cm以内，而其他的孔间距应控制在10cm之内;针对炮孔而言，施工人员要确定其孔底是否保持在爆破设计的标准平面上，保证炮孔垂直于掌子面，同时还要严格控制超挖量，以防影响输水隧洞的施工质量。
3.隧洞爆破
在输水隧洞施工过程中，爆破是十分危险的环节，其施工操作的标准性及规范性都是影响隧洞质量、施工安全的关键。为了保证爆破操作的安全性，现场监管人员及施工人员必须加强施工安全管理工作，重视隧洞爆破方式的合理应用，提高爆破作业的安全系数，保护现场施工人员及隧洞的安全。在具体操作前，施工人员要认真计算填药量，根据隧洞围岩的结构类型、施工需求及实际环境等进行缜密分析，确保填药量能满足施工设计的需求，避免因药量过多引发重大安全事故，同时也要规避因药量不足而达不到爆破要求的情况[2]。在装药前，施工人员要先冲洗炮孔，保证炮孔内干净、无杂物，并且要尽可能使用密度低且爆破性能高的炸药。在确定填药量、完成装药工作后，炮工及技术人员还应共同进行复核检查，确定药量合格后，及时通知现场人员撤离，并做好安全防范措施，落实施工安全管理工作，在确定现场环境安全的前提下，则可以由主炮工引爆炸药，完成爆破作业。
4.现场通风除尘
在完成爆破工作后，施工人员需要先确定输水隧洞的安全性，在保证隧洞结构稳定后，方可实施通风除尘工作。可在进洞口放置一台固定式的KJ66-11型轴流通风机，将1500mm的帆布软式通风管作为风管实施通风工作。为了减少隧洞内的尘土、保证隧洞施工环境的清洁度，可在进行钻孔作业时采取湿式凿岩法，即在距离钻孔面15m的位置安装鸭嘴喷雾器，在完成爆破工作后再开启阀门，利用高压风的压力将水喷射出来，使其呈雾状，通过喷雾的方式达到降尘目的、减少粉尘扩散，尽可能避免施工人员吸入大量粉尘。
（三）输水隧洞的基础建设工作
在进行输水隧洞混凝土衬砌施工前，为了落实施工安全管理工作、保证施工质量及隧洞的安全性，要先依照隧洞的实际情况选择合适的锚杆类型及材料，采取有效的施工技术开展锚杆施工作业。在锚杆插入钻孔前，施工人员要仔细检查锚杆质量，避免锚杆存在锈蚀等质量问题，确保锚杆施工的安全性[3]。在注浆操作中，施工人员要注意将注浆管插到钻孔底部50-100mm的位置内，同时要严格控制锚杆杆体入孔的长度，保证锚杆支护效果。当完成开挖工作、支撑围岩结构时，施工人员还要及时进行螺栓喷涂及固定施工的操作，确保支护质量能满足输水隧洞的施工要求。
另外，实施混凝土喷射工作时，施工人员要根据输水隧洞的工程要求合理调配混凝土，严格控制混凝土的配合比，保证混凝土配合比的精准度。在喷射前，应先清洁隧洞围岩，保证其整洁、无杂物，以防影响混凝土与围岩结构的紧密粘结;在喷射过程中，施工人员还需提高喷射操作的规范性，确保混凝土喷射均匀（如图1）。如若发现混凝土结构存在裂缝或脱落等病害，要及时进行补喷工作，由此保证喷射质量，满足输水隧洞的施工需求。
三、结束语：
在水利工程输水隧洞施工期间，工程负责人应强化施工安全管理的有效性，根据隧洞的实际环境及施工需求制定完善的施工安全管理制度，参考相关法规增强制度的严谨性，在全面掌握隧洞实际情况的前提下，保证施工安全管理制度的完整性及系统性。现场监管人员及施工人员也需提高自身施工安全操作意识，真正将施工安全管理制度贯彻落实到工程施工的全过程中，明确施工操作的核心，严格把控各环节的施工重点，确保隧洞各环节施工操作的规范化及标准化，提高隧洞的施工质量，保障输水隧洞的安全性及稳定性，为水利工程正常运营奠定可靠基础。
参考文献
[1]魏国峰.水利工程输水隧洞施工安全管理分析[J].四川建材，2021，47（11）：188-189.
[2]董卫民.长距离输水隧洞施工中的关键问题及应对措施[J].建筑技术开发，2020，47（03）：69-70.
[3]卢建山.浅谈如何加强水利工程施工安全管理[J].农业科技与信息，2019（15）：114-115+118.DOI：10.15979/j.cnki.cn62-1057/s.2019.15.048.
作者：黄铭轩 于宛辛
输水隧洞水利施工论文 篇2：
CCS水电站输水隧洞水力特性研究
摘要：厄瓜多尔CCS水电站输水隧洞连接首部枢纽沉沙池和调蓄水库，隧洞总长24.8 km，正常运行工况下输水隧洞为明流洞，在机组甩负荷关闭隧洞出口闸门时，隧洞后半段出现压力流，因此需要对输水隧洞进行全面水力特性分析，确保输水隧洞在各种工况下安全运行。分析隧洞过流能力、水面曲线、弯道水流特性以及出口闸关闭时间不同对洞内流态的影响、消力池冲刷等表明，输水隧洞正常运行工况下水流性态良好，通过出口闸门的适时调度，可将隧洞明满流过渡段控制在较小的范围内。
关键词：输水隧洞：水力设计;水工模型试驗：CCS水电站
文献标志码：A
doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2019.06.020
1 输水隧洞布置及相关水力要求
1.1 输水隧洞布置
厄瓜多尔CCS水电站输水隧洞连接首部枢纽沉沙池和调蓄水库，隧洞由进口及洞身段、出口闸室及消力池组成。进口位于首部枢纽沉沙池静水池下游侧，不设置闸门，可通过首部枢纽取水口工作门控制水流。输水隧洞进口底板高程为1 266.9 m，其后接输水隧洞，进口及洞身段总长24.8 km。隧洞出口底高程为1 224.0 m，纵坡坡降为0.173%。隧洞出口设置事故闸门，闸室段长20.0 m，闸室段后设护坦、跌水及消力池，总长80.3 m。
正常运行工况下输水隧洞为明流洞。机组甩负荷时，由于洞内水体全部进入调蓄水库后，将抬高库内水位，影响库区支沟生态环境，因此需临时关闭隧洞出口闸门，隧洞出口部分洞段因洞内水流持续向下游自流而逐渐出现压力流状态。
为确保整个工程在各种工况下安全运行和经济合理，在进行工程布置时，需要对隧洞的过流能力、水面衔接、水面曲线等进行全面分析，确定在正常运行工况下通过设计流量所需的最小断面。
1.2 水力要求
首部枢纽逐日流量与保证率关系见表1，逐日流量已扣除生态基流和基多引水共23 m3/s的流量。
输水隧洞最大设计流量与最小设计流量分别采用222.00 m3/s和72.70 m3/s，其保证率分别可达到48%和98%。
在正常运行状况下，输水隧洞流量为设计流量，隧洞内水流流态为明流，洞内水面线以上净空比应不小于20%。当出口闸门由于紧急状况临时关闭时，隧洞短暂存在压力流状态。隧洞下游的消能设施应能满足工程安全运行要求。
2 输水隧洞水力学计算
2.1 糙率选择
对于长距离输水工程，工程设计中水力糙率n的取值对输水建筑物断面确定起着至关重要的作用，直接影响输水断面大小，进而影响工期和建设投资。CCS水电站长24.8 km的输水隧洞中约有1.5 km采用现浇混凝土衬砌，其他23.3 km采用预制管片衬砌，设计时糙率通过工程类比选用。国内外部分输水隧洞糙率取值情况见表2[1]。
CCS输水隧洞绝大部分洞段采用预制管片衬砌，管片环宽1.8 m，分缝较少。所有管片均由高精度钢模制作。根据数据分析，考虑到工程设计保留一定的允许误差，糙率设计值取0.014 5：在一维水力模型计算中，隧洞初期运行阶段洞内边墙较光滑，糙率取0.013 3，隧洞后期运行阶段糙率取0.014 5。
2.2 最小净空
我国《水工隧洞设计规范》[3]规定：低流速无压隧洞横断面尺寸应符合在恒定流情况下，当通气条件良好时，洞内水面线以上净空面积不宜小于隧洞断面面积的15%.高度不应小于0.4 m。
美国垦务局《Design of Small Dams》[4]要求：为保证隧洞内为明流，水流断面面积与隧洞总面积的比值通常控制在75%，即净空比不小于25%。
美国垦务局设计标准第3卷《Water ConveyanceFacilities， Fish Facilities， and Roads and Bridges》c5]规定水深为0.82倍隧洞内径（换算净空比为12.240-/0）。
结合中美相关规范的要求，CCS水电站输水隧洞最小净空比采用20%。
2.3 水力计算[6]
根据谢才公式和明渠均匀流的性质：
按照最大设计流量下最小净空比不小于200-/0的要求确定输水隧洞内径为8.2 m，相应的均匀流正常水深在流量为222.0 m3/s时为6.13 m，在流量为72.7m3/s时为3.06 m（见表3）。
采用明渠均匀流理论复核隧洞过流能力，推算隧洞全程水面曲线，复核隧洞的净空比。计算结果表明，在正常运行工况下，不同设计流量下隧洞全线过流能力均满足要求，不会发生明满流交替情况。
2.4 弯道水流
弯道水流[7]产生的离心力引起了弯道外侧水流水面的抬升及内侧水流水面的下降。弯道外侧水面与中心线理论水面的最大高差计算公式为中心线曲率半径。
输水隧洞弯道段水力计算结果见表4。
2.5 一维恒定流和非恒定流数值模拟
采用一维非恒定流数学模型[8]作为研究手段。首先构建输水隧洞一维非恒定流模型并进行验证，然后根据拟定的计算工况进行计算，结合计算结果分析不同计算条件下隧洞的水流特性，并为隧洞衬砌结构设计提供依据。
数值模拟中考虑了以下工况：①工况1，引水流量222.0 m3/s.出口处水位1 229.5 m（输水隧洞出口最高运行水位）;②工况2，引水流量222.0 m3/s，出口处水位1 216.0 m（输水隧洞出口最低运行水位）;③工况3.引水流量72.7 m3/s，出口处水位1 229.5 m;④工况4.引水流量72.7 m3/s，出口处水位1 216.0 m;⑤工况5，引水流量222.0 m3/s、出口处水位1 229.5 m时，沉沙池闸门先行瞬间关闭，出口闸门延时20 min逐渐关闭，稳定后再重新开启;⑥工况6，引水流量222.0 m3/s时，沉沙池闸门先行瞬间关闭，出口闸门控泄（控泄流量50.0 m3/s），然后重新开启。
利用一维非恒定流数学模型研究了输水隧洞内不同运行条件下的水力特性，主要结论如下。
（1）基于Priessman提出的“窄缝法”对一维明渠非恒定流模型进行改进，建立了有压流动和无压流动的通用模型，并以此为基础研究输水隧洞内水流特性。模型验证结果表明：该模型能够较为准确地模拟不同条件下的恒定及非恒定流动，计算结果与实测结果吻合较好。
（2）隧洞运行后期的恒定流（工况1-4）计算结果表明：隧洞通过流量为222.0 m3/s时，洞内正常水深为6.12 m，平均流速为5.24 m/s;隧洞通过流量为72.7m3/s时，洞内正常水深为3.06 m，平均流速为4.04 m/s：由于隧洞内流态为急流，因此隧洞出口水位对洞内水流特性影响不大：隧洞运行初期采用的糙率小，洞内水深比运行后期小。
（3）隧洞运行后期非恒定流（工况5、6）计算结果表明：在闸门调节下，隧洞出口段出现明满流交替状态，在水力过渡过程中隧洞出口断面顶部的最大水击压强水头达30.84 m，运行初期同样工况下最大水击压强水头为29.21 m。
2.6 消力池冲刷计算
为确定消力池底板高程，采用Veronese、Yildiz&Uzucek、Damle、Chian Min Wu、Martins、Manson&Aru-mugan等公式进行消力池冲刷计算，计算结果见表5。
通过理论计算及水工模型试验验证，消力池底板高程采用1 203.0 m。
2.7 出口闸门关闭工况水力计算及运行要求
输水隧洞中部布置2B施工支洞，施工期作为TBM2拆机及出洞通道，TBM2拆除后改建为检修通道，洞口底板高程为1 261.5 m。当输水隧洞出口闸门关闭时，隧洞内剩余水量及不断补给的渗漏水量可能会造成隧洞内的水从2B洞口溢出。根据输水隧洞渗漏实测资料可知，其渗漏量为145 - 742 L/s。
假定闸门匀速关闭，出口闸泄水量持续减少，计算不同关闭闸门时间、渗漏量分别为145、742 L/s时，保证洞内水流不从2B洞口溢出的时间，结果见表6。运行时可以根据渗漏量监测资料和出口闸门设置的水位计观测结果选择出口闸门关闭时间。
3 水工模型试验
3.1 首部枢纽沉沙池输水隧洞进口模型试验
3.1.1 试验目的
首部枢纽沉沙池模型[9]包括取水口、沉沙池、输水隧洞进口前静水池和长300 m的输水隧洞，模型几何比尺取1：20。
模型试验目的是研究沉沙池沉沙和排沙效果、沉沙池出口水流與输水隧洞进口水面的衔接等。
3.1.2 试验内容
对于输水隧洞进口，具体试验内容如下：①研究沉沙池出口水流与输水隧洞进口水面的衔接：②观测沉沙池不同组合运用情况对输水隧洞进流的影响：③量测不同引用流量下隧洞进口段及洞身段水面线：④对输水隧洞进口体形进行优化。
3.1.3 结论及建议
进行多次水工模型试验得到以下结论：
（1）原设计方案输水隧洞进口体形为矩形，当引水流量为222.0 m3/s时，静水池内流态基本平顺。水流自静水池进入输水隧洞后，在进口段产生明显的水面跌落，隧洞内水面波动较大。
（2）进口体形修改为进口两侧边墙曲线为半径4m半圆弧方案和1/4椭圆曲线方案时，洞内进口段水面跌落减小，洞内流态得到改善。但引水流量为222.0m3/s时，洞内水流波动仍较大，且进口段局部最小洞顶高度余幅较小，建议将洞进口段及渐变段洞顶抬高1m，渐变段加长，以满足洞顶高度余幅的要求。
3.1.4 设计修正
根据水工模型试验结果，对输水隧洞进口段结构修正如下：①进口采用1/4椭圆曲线方案：②为满足洞顶高度余幅的要求，桩号0+000-0+270段隧洞内径加大为9.20 m;③桩号0+270-0+290为渐变段，隧洞内径由9.20 m渐变为8.20 m;④桩号0+290以后隧洞内径为8.20 m;⑤进口渐变段长度由15 m加长至20m，以避免脉动流冲击顶板，使水流流态更顺畅。
3.2 调蓄水库输水隧洞出口模型试验
3.2.1 试验目的
调蓄水库水工模型试验[1O]模拟范围包括整个调蓄水库。建筑物模拟输水隧洞出口段（模拟长度为400 m）、2条压力洞进口段（模拟长度为300 m）及放空洞进口段。模型几何比尺取1：40。
通过模型试验，研究输水隧洞正常运用和闸门启闭时出口消能效果，观测调蓄水库流态和流速分布，压力管道进口流态及压力分布，输水隧洞出流对压力管道进流流态的影响，库区淤积对电站引水的影响。
3.2.2 试验内容
（1）进行输水隧洞出口消能型式试验研究。
（2）验证正常运行工况设计流量222.0 m3/s和最小流量72.7 m3/s时对应调蓄水库正常蓄水位和死水位情况输水隧洞出口消能效果。
（3）观测非常运行工况输水隧洞出口闸门启闭时，对应调蓄水库死水位的输水隧洞出口流态。
3.2.3 结论及建议
通过多次水工模型试验得到以下结论。
（1）将输水隧洞出口闸室段由2孔调整为1孔，修改后闸室流态平顺。
（2）将消力池加深、加长后，不同流量下消力池消能充分，水流均匀平顺进入下游河道，水库内各断面流速分布均匀，电站进水口流态平顺，没有出现串通性漏斗旋涡。
（3）引水流量为72.7 m3/s，水库水位1 216.0 m时洞出口为自由跌水，出口段水面线为降水曲线：水库水位1 229.5 m时，受洞出口淹没影响，洞出口段水深较自由出流时明显增大。
（4）引水流量为222.0 m3/s，水库水位1 216.0 m时，洞出口为自由跌水，出口段水面线为降水曲线;水库水位1 229.5 m时，洞出口为淹没出流，闸室段水深增大，但洞内水深与自由出流时变化不大。
（5）将输水隧洞出口护坦段右侧边墙扩散角减小为0°，水流出洞后主流摆向水库中部，水库流态得到改善。
（6）引水流量为222.0 m3/s，当水库水位高于正常蓄水位1 229.5 m时，隧洞出口段将产生壅水，洞内水深大于设计正常水深，不满足洞内高度余幅设计要求。因此，输水隧洞出口底板最低高程不能低于1 224.0 m，
（7）消力池底板上压力水头随着调蓄水库水位的升高而增大，底板压力水头接近水深。
（8）根据输水隧洞出口闸门关闭时的水流条件，输水隧洞出口闸门接触到水面后洞内产生水击波，闸门关闭约1.6 min后水击波传播至距洞出口300 m处。闸门关闭过程中隧洞存在明满流过渡流态。
（9）根据输水隧洞出口闸门开启时的水流条件，闸门开启过程中水舌挑距相对较远，水库水面有较大波动。当沉沙池正常运行（闸前水头42.9 m）、输水隧洞出口闸门开启时，水库水面波动较设计水流条件时更为剧烈。
（10）局部修改消力池体形后，虽然在高水位时水库流态变化不大，但在死水位附近时水流流态得到改善。
3.2.4 设计修正
根据水工模型试验结果，对输水隧洞出口段结构修正如下：①出口闸室由2孔调整为1孔：②消力池底板高程降至1 203.0 m，消力池中心线长度加长至57.79 m;③根据试验结果局部修改消力池尾部体型，改善水流流态。
4 结语
CCS水电站输水隧洞存在不同运行工况下水力差异显著的问题，采取相关措施，将隧洞不利水力条件控制在较小的运行范围内，再结合闸门的适时调度，可以解决隧洞各运行阶段的相关水力学问题。CCS水电站输水隧洞自2016年竣工以来运行良好。
大流量、水流條件复杂的水工隧洞设计条件和运行条件都很特殊，仅通过工程类比和计算分析难以准确确定设计参数和工程措施，而其一旦失事或设计失误将造成较大甚至不易弥补的损失，故应结合局部或整体水工模型试验进行综合研究。
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作者：肖豫 邢建营 武彩萍
输水隧洞水利施工论文 篇3：
CCS水电站输水隧洞设计关键技术问题研究
摘要：厄瓜多尔CCS水电站输水隧洞洞径大、距离长、埋深大，其合理的布置和设计对电站的造价、运行条件影响巨大。通过工程布置和施工方案的优化论证，将输水隧洞优化为全线明流输水，大大简化了工程布置，改善了运行条件;采用通用型“B、D”两种管片型式，大大简化了施工，提高了TBM施工效率;采用国内外不同的标准（中标、美标、欧标）对管片衬砌结构进行计算分析，对管片强度、配筋、灌浆孔、定位孔、螺栓连接孔、燕尾槽等进行了合理布置和设计，保证了管片制作、脱模、安装时的施工质量，为复杂地质条件下长隧洞的设计、施工提供了可借鉴的经验。
关键词：输水隧洞：方案布置;TBM管片;结构设计;CCS水电站
文献标志码：A
doi：10. 3969/j .issn。1000-1379.2019.06.019
厄瓜多尔科卡科多辛克雷（Coca Codo Sinclair，简称CCS）水电站位于厄瓜多尔共和国Napo省和Su-cumbios省，总装机容量为1 500 MW[l]，为该国战略性能源工程，是世界上规模最大的冲击式水轮机组水电站，也是中国公司在海外独立承担设计的规模最大的水电工程之一。
厄瓜多尔CCS水电站主要包括首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、引水发电系统等建筑物。其中输水隧洞设计引水流量为222.0 m3/s，设计内径8.2 m，隧洞总长24.8 km，最大埋深722 m，是目前南美已建的最长的大埋深输水隧洞[2]。隧洞采用全衬砌结构形式，进口底板高程为1 266.90 m，出口底板高程为1 224.00m，纵坡坡降为0. 173%，隧洞出口设事故闸门，闸室段后设消力池，正常运行工况为明流，非常工况即机组甩负荷、隧洞出口闸门关闭时洞内出现压力流，设计采用2台双护盾TBM同时掘进，并辅以钻爆法施工。
CCS水电站的概念优化设计、基本设计及详细设计是在国外某公司完成的概念设计基础上进行的。由于国际工程的特殊性及隧洞沿线地质条件的复杂性，为确保隧洞工程质量可靠、技术合理、工期合规和降低投资，针对长距离大深埋隧洞结构设计中存在的关键技术问题进行了专题研究。从CCS输水隧洞布置、TBM管片结构设计、基于不同标准的管片结构分析等多角度、全方面出发，利用成熟的设计理念，并采用先进的结构设计手段和方法，探讨一套适合长距离大埋深TBM输水隧洞结构设计的关键技术方法。
1 布置方案优化
CCS水电站正常运行工况下隧洞末端存在明满流过渡现象，对工程安全运行威胁很大，虽采取了涡流竖井、坝内虹吸管及复杂的结构措施，但明满流过渡现象对工程安全的影响仍不容小觑，且通气竖井施工难度大，出口检修时需要放空调蓄水库。总体而言，该方案技术复杂、投资高且工程安全运行隐患大。
在基本设计阶段进行了布置方案优化和水工模型试验研究，结合首部枢纽布置调整，抬高了隧洞进、出口高程，成功地将输水隧洞优化为全线明流，隧洞结构大大简化，安全度大大提高，并取消了涡流竖井、坝内虹吸管等复杂建筑物，节省了约2 300万美元的工程投资。同时简化了施工条件，保证2台TBM均可逆坡掘进，施工期全程自流排水，在节约抽排费用的同时，完全避免了被淹的风险。
2 基于不同规范TBM管片结构设计
CCS水电站EPC合同要求使用美国标准体系进行工程设计，因美国[3-5]、欧洲[6]、中国[7]标准不完全相同，为保证输水隧洞的工程安全和经济合理，在TBM管片衬砌结构设计过程中，分别采用上述3种标准体系进行研究，为今后国内外相关工程设计提供了参考，也为今后相关规范的修订提供了一定的理论依据。
2.1 基本地质条件
CCS电站输水隧洞位于安第斯山脉和亚马逊平原结合带，在结合带有Coca大峡谷，受构造运动影响，沿线断层多沿沟谷及侵人体界限附近发育，开挖过程中遇到13条断层。隧洞穿越的地层主要为安山岩、玄武岩、流纹岩、凝灰岩、熔结凝灰岩和角砾岩、页岩、砂岩以及花岗闪长岩等，以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，隧洞沿线地层中的地下水主要为基岩裂隙水，施工中遇到的工程地质问题主要有断层破碎带塌方、涌水等。
2.2 基于美国规范的结构计算
管片衬砌结构计算主要依据美国规范《Engineering and Design Tunnels and Shafts in Rock》（ EMII10-2-2901）[4]，采用国际隧道协会（ITA）推荐的修正惯用法，利用大型通用有限元程序ANSYS进行管片衬砌的内力计算。
参照类似工程经验，管片衬砌厚度采用0.3 m，为降低工程投资，可将输水隧洞TBM管片根据地质条件分为A、B、C、D四种类型，但该分类方案管片种类较多，并不利于TBM掘进施工时管片的运输和效率的发挥，通过与各参建单位共同研究后决定，在施工过程中将A、B型管片合并，即Ⅱ、Ⅲ类围岩均采用B型管片，Ⅳ、V类围岩采用D型管片。因B型管片约占全部管片的76%，用量最大，对工程安全、投资影响最大，故本文选择B型管片进行对比分析。
根据输水隧洞的施工及运行条件，当发电机组突然甩负荷，需要关闭隧洞出口检修闸门时，隧洞末端可能出现有压运行工况，故计算时分别考虑了施工期軌道运输、完建、无压运行期、地震、非常时期的有压运行期5种工况。
通过有限元计算，得到管片衬砌的内力，然后根据美国规范《Srength Design for Reinforced Concrete Hy-draulic Structures》（EMlIIO -2 - 2104）[3]进行配筋计算，各工况下管片衬砌的内力分布略有差异，最不利工况为完建工况，如图1所示，管片弯矩最大值为187.1kN.m，轴力最大值为-4 548.8 kN，配筋设计后其含钢量为115.8 kg/m3。
2.3 基于欧洲和中国规范的结构计算
采用欧洲规范《Eurocode 2：Concrete structuresDesign - Part l.1： General rules and rules for build-ings》[6]对B型管片衬砌进行结构计算。计算方法采用收敛一约束法、内力求解方法和非线性求解方法。通过计算，各工况下管片衬砌的内力分布情况与美国规范计算结果基本一致，但数值有差异，最不利工况为完建工况（如图2所示），管片弯矩最大值为161.10kN.m，轴力最大值为一1 648.22 kN.配筋设计后其含钢量为91.1 kg/m2，与美国规范相比减少了24.7kg/m2。
采用中国规范[7]进行计算，各工况下管片衬砌的内力分布情况与欧洲规范计算结果基本一致，数值略有差异，其配筋计算结果与欧洲规范计算结果一致。通过进一步比较分析可知：欧洲标准和中国标准基本一致，美国标准与欧洲、中国标准的荷载与荷载组合均存在线性关系，但荷载组合中的具体分项系数不同。美国标准直接采用荷载分项系数，欧洲及中国标准则不仅采用荷载分项系数，而且采用了设计状况系数、结构重要性系数等。在水工结构设计时，美国标准修正的ACI318[5]引入了一个水力作用系数1.3[8]，这在中国和欧洲规范中是没有的。
2.4 透水管片衬砌设计新理念
对于大埋深输水隧洞而言，地下水位经常在洞顶几百米以上，影响隧洞安全的荷載主要为外水压力，按照传统的设计方法，衬砌在地下水丰富的洞段要承担全部外水压力，管片衬砌本身往往不足以承受如此高的压力，在隧洞贯通后需要增加很多现浇钢筋混凝土衬砌共同承担外水压力，对投资和工期影响巨大。CCS电站输水隧洞设计中采用了透水衬砌设计理念，对于Ⅱ～Ⅳ类围岩，根据隧洞开挖后揭示的地下水情况，在隧洞顶拱部位、水面以上渗水处均设置了排水孔，无渗水时根据现场情况取消排水孔：V类围岩洞段则全部设置排水孔。经过研究分析和现场检测证明，采取上述排水措施可有效降低外水压力。CCS电站输水隧洞采用的设计最大外水压力水头为3倍洞径，不仅全洞（包括各种不良地质洞段）没有进行二次衬砌，而且管片本身的配筋较传统方法的显著减少。
3 TBM管片的细部设计
3.1 TBM管片型式
TBM管片型式可从管片的形状、制作的材料等方面进行划分，按照制作的材料一般可分为钢管片、钢筋混凝土管片、复合材料管片等，按照管片的形状一般可分为六边形管片、左右环通用型管片、平行四边形管片3种型式[9]，不同的管片形状对应的管片细部构造、施工安装、衬砌环受力等是不同的。
六边形管片相互交错咬合，环向传力方式是一个管片向相接的两个管片传力，理论上受力较为均匀，管片结构整体性较好，但六边形管片对制造及安装的要求较高。工程实践表明，在实际生产和施工时，由于存在不可避免的误差，因此相邻两管片很难保证同时均匀受力。另外，六边形管片、平行四边形管片在掘进过程中不能依靠管片本身来实现隧洞转弯及纠偏，需要纠偏及转弯的地方要依靠垫片（垫块）进行。
左右环通用型管片与平行四边形管片一样，型式相对简单，管片之间的纵向连接为一个平面，连接面之间受力相对更均匀，管片之间止水安装较易满足密封的要求，但是与平行四边形管片相比，左右环通用型管片每环在纵向设计了一定的楔形量，在TBM施工过程中可通过调整各管片位置和角度实现转弯和纠偏¨]。综合考虑施工、结构、造价等因素后，输水隧洞选择“B、D”两种通用型管片型式，大大简化了施工，提高了TBM掘进速度，其中TBM2创造了单月进尺1 000.8 m的速度，达到了同规模洞径TBM掘进速度世界第三。
3.2 管片细部设计
根据TBM管片结构计算分析及管片选型，管片设计内径8.2 m、厚0.3 m，中心环宽1.8 m，最大和最小环宽分别为1.82 m和1.78 m，每环由7块组成，分别由4块标准块、2块邻接块和1个封顶块组成。管片细部如封顶块、止水系统、灌浆孑L、螺栓手孔和接触面结构等细部的成功设计有效保障了隧洞衬砌的质量。
（1）关键块设计。管片封顶块又称为“关键块”，对管片拼装的精度和质量有重要的影响，考虑到CCS输水隧洞有较大的洞径，以及运输和拼装便利等因素，采用较小的封顶块，中心角约为标准块或邻接块的1/3，封顶块与邻接块的接触面与径向面约成120角，封顶块的非径向分割避免了滑落，同时方便了拼装。
（2）止水设计。CCS输水隧洞为无压隧洞，为防止外水内渗及施工期止浆，止水槽设置在管片外侧，槽内布置遇水膨胀橡胶止水条，从而达到止水、止浆目的，同时在管片内侧连接缝处设置燕尾槽，在管片拼装完成并回填灌浆后，向燕尾槽中填充无收缩水泥砂浆，降低隧洞过水糙率，增强了管片内侧的密封性。
（3）灌浆孔设计。管片上的灌浆孔轴线通常垂直于隧洞轴线，受空间限制，在豆粒石回填灌浆时，豆粒石不能完全充满，从而影响豆粒石回填灌浆的密实性，不利于工程安全。通过分析研究，将灌浆孔倾斜开设，倾斜方向为掘进的反方向，倾斜角度为30°，倾斜后开设的灌浆孔有效减小了围岩对豆粒石流动的阻碍，使豆粒石吹填较均匀、密实，进一步保障了工程的安全。
4 无门封闭检修通道
在大、中型水利水电工程输水隧洞（明流洞）建设过程中，特别是长距离、大直径、深埋输水隧洞，通常将施工期临时施工支洞改建为检修支洞，以达到缩短工期、降低投资的目的。改建中，通常在施工支洞与输水隧洞主洞交叉连接段内设置金属检修闸门，通过控制金属检修闸门启闭达到输水隧洞主洞的运行和检修目的。此方法有两个弊端：一是增加金属检修闸门等相关结构，增大了工程投资：二是金属检修闸门本身存在维护及检修问题，当金属检修闸门因故障需要检修或定期维修时，必须放空整个输水隧洞主洞内的水。因此，通常的施工支洞改建检修支洞的方法，不仅增大工程投资，而且影响输水隧洞的正常运行，存在一定的安全隐患。
如图3所示，该工程施工支洞改建检修支洞采用了无门封闭的新方法，首先对施工支洞与输水隧洞主洞连接处进行混凝土封堵，在封堵混凝土上预留3.5 mx7.7 m（宽×高）的检修通道;然后在靠近封堵段施工支洞内的洞底用块石混凝土回填成沿施工支洞纵向呈“凸”字形曲线的检修通道，“凸”字形曲线的洞底最高处为圆弧段，圆弧段洞底的两侧纵坡均为10%，圆弧段洞底最高点的高程高于输水隧洞主洞的正常运行水位：最后在检修通道的洞底表面铺设0.5 m厚的常态混凝土，作为混凝土防渗路面。检修支洞既可以在运行期挡水，又可以在检修期放空输水隧洞主洞的情况下通车进行检修。
这种封堵方法优点在于：避免增设检修闸门，降低了施工难度和工程投资，经济易行且缩短了工期，尤其适用于长距离、大直径、深埋输水隧洞（明流洞）的施工支洞回填改建检修支洞，这种检修支洞还可兼作明流输水隧洞的通气洞。
5 结语
厄瓜多尔CCS水电站2010年7月开工建设，于2016年11月建成竣工。CCS电站输水隧洞在整个CCS水电站项目中起到承上启下的关键作用，隧洞总长24.8 km，最大埋深722 m，设计过程中结合地下洞室结构特点及工程总体布置、地质条件、施工进度、减少施工干扰等要求对输水隧洞进行总体规划布置，通过对其工程布置、输水方式、施工方法、结构设计等关键问题的研究和优化，有效地解决了投资、工期、安全、协调等问题，确保了总工期，目前輸水隧洞运行良好。输水隧洞的设计为复杂地质条件下长隧洞的设计、施工提供了借鉴经验。
（1）方案布置。概念设计方案存在明满流过渡且流态转换频繁、转换点位置不固定、通气竖井施工难度大、需放空调蓄水库才能对隧洞出口段检修等缺点，经研究优化后采用明流洞方案，取消了涡流竖井、坝内虹吸管及两个通气竖井，简化了工程布置及施工，节约了大量投资。
（2）管片选型。隧洞设计内径为8.2 m，衬砌管片厚度只有0.3 m。设计采用了通用型管片“B、D”两种型式，管片类型少，不同地质条件下及转弯、纠偏时不需频繁更换管片类型，大大简化了施工，提高了TBM掘进速度，其中TBM2创造了单月进尺1 000.8 m（同规模洞径TBM掘进速度世界第三的纪录）的速度。
（3）管片的细部设计。CCS电站输水隧洞管片强度、配筋、灌浆孔、定位孔、螺栓连接孔、燕尾槽等设置合理，保证了管片制作、脱模、安装时的施工质量。
（4）管片结构设计。输水隧洞管片设计采用了透水衬砌设计理念，通过有效的排水措施降低了外水压力，保证了工程安全，只考虑3倍洞径的外水压力水头是安全可靠的，全洞没有进行二次衬砌。
（5）无门封闭检修通道。利用2A施工支洞回填封堵，留设检修通道，将其改建成检修支洞，避免了增设检修闸门，降低了施工难度和工程投资，缩短了工期，该检修支洞还可兼作明流输水隧洞的通气洞，检修支洞既可以在运行期挡水，又可以在检修期放空输水隧洞主洞的情况下对输水隧洞主洞进行检修。该方法尤其适用于长距离、大直径、深埋输水隧洞（明流洞）的施工支洞回填改建检修支洞。
参考文献：
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[7]钮新强，汪基伟，吴德绪，等.水工混凝土结构设计规范：SL 191-2008[S].北京：中国水利水电出版社，2008：9.
[8] 张智敏，苏凯，伍鹤皋.中美水工混凝土结构配筋方法在隧洞设计中的应用比较[C]∥水电站压力管道：第八届全国水电站压力管道学术会议论文集，北京：中国水利水电出版社，2014：624-633.
[9] 王美斋，董甲甲.TBM输水隧洞管片衬砌型式的设计研究与应用[J].水电与新能源，2017（7）：20-22.
【责任编辑张华岩】
作者：谢遵党 陈晓年
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