吉沙水電站引水發電系統布置與設計

張紅梅，高永輝，李金龍，劉海峰，孫海權

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

吉沙水電站位于云南省迪慶藏族自治州小中甸鎮碩多崗上，電站總裝機容量120 MW （2×60 MW），是1座以發電為主的水利樞紐工程，為三等中型工程。工程由首部樞紐、有壓引水隧洞、調壓井、高壓管道和地面發電廠房等組成。水庫正常蓄水位3 132 m，死水位3 123 m，為日調節水庫。電站額定水頭485.00 m，單機發電流量14.37 m3/s，采用引水式開發，引水系統總長約15.58 km，為長引水工程，引水建筑物由首部進水口、引水隧洞、調壓井及高壓管道 （包括岔管）等部分組成。

1 引水線路的選擇

工程區碩多崗河吉沙村～一家人河段全長20余km，落差500多m，平均比降達2.6%，非常適合采用引水式開發。碩多崗河蜿蜒曲折，右岸有兩個大的回頭彎道，若設計右岸引水方案，采用順河道裁彎取直布置方式，引水隧洞共4次跨越碩多崗河，采用地下埋管與明管相間設計，跨河段設置管橋，設計復雜，施工難度較大，投資也將增加；若采用不跨河方案，引水線增長約2 km，不僅工程量增加較多，電站水頭損失也較大。從工程布置，建筑物安全、工程造價、運行管理、施工進度及復雜程度等方面比較，左岸引水線路優于右岸引水線路，因此，吉沙水電站采用左岸裁彎取直的引水線路。

左岸山體連綿雄厚，引水線路可采用全埋藏式布置，為盡量減小洞線長度，基本采用順河道裁彎取直布置，同時使引水隧洞頂部和側向均滿足覆蓋層厚度要求，圍巖不產生水力劈裂。隧洞上游部分走向為N297°E，下游部分走向轉N320.75°W，上覆厚度90～25 m。調壓井為引水系統襯砌形式變化的分界點，進水口～調壓井段為壓力引水隧洞，全長約14.47 km，設計水頭約16～105 m，基本采用鋼筋混凝土襯砌，調壓井～廠房段為高壓管道段，全長約1 074 m，設計水頭較高，約110～650 m水頭，采用地下埋管鋼板襯砌。高壓管道軸線方向為N36.152°E，采用1條主管斜井方案，設2條中平段，廠房前約38 m處分岔，分為2條支管下正向進廠。

2 地形、地質條件

2.1 地形及工程地質條件

本區大地構造位置處于三江印支褶皺系弧形轉彎受急劇擠壓而變窄部位，地質構造十分復雜，區內出露地層主要為石炭系、二疊系，另有泥盆系中上統、三疊系下統及第四系更新統。河谷為侵蝕深切型溝谷，兩岸山體雄厚。河谷左岸主要為陡壁，坡度一般大于50°，右岸較緩，坡度35°左右。河床高程為3 114～3 110 m，寬20 m左右。工程區內地下水以喀斯特水和構造裂隙水為主，并發育少量孔隙水。

引水隧洞區地面高程均在3 150 m以上，最高達3 500 m，無橫向深切溝谷，地形較完整。根據地層巖性分布的總體特征劃分為北、中、南3個區段。

北段 （樁號S0+000～S5+200），從進水口至小馬廠一帶，全長約5 200 m，此段洞線依次穿越的地層巖性為：石炭系中下統結晶灰巖 （C1-2ls）、石炭系中下統砂質板巖 （C1-2sl）、石炭系中下統結晶灰巖 （C1-2ls）、 石炭系上統片理化凝灰巖 （C3mt）、石炭系上統片理化玄武巖 （C3mβ）、石炭系上統片理化安山巖 （C3mα）。北段主要斷裂構造有：洞線在樁號1+905 m處與林場斷裂 （F3）斜交，交角為15°（±）。 F3產狀 NW330°， NE∠70°， 破碎帶寬 1～5 m，為層面間張性斷裂。

中段 （樁號S5+200～S8+500），從小馬廠至三股水一帶，全長約3 300 m，此段洞線依次穿越的地層巖性為：石炭系上統結晶灰巖 （C3ls）、石炭系上統片理化安山巖 （C3mα）、石炭系上統結晶灰巖（C3ls）、 石炭系上統砂質板巖 （C3sl）。 中段主要斷裂構造有：洞線在樁號5+095左右，近于垂直通過冷都斷裂 （F1）。 該斷裂產狀NE50°，NW∠70°， 為一多期活動斷裂，規模較大，破碎帶寬70～80 m，并形成巖層錯動。洞線在樁號8+356處，以夾角25°（±） 通過山神廟斷裂 （F2-1）， 該斷裂產狀NW340°，SW∠65°，為壓性層間斷裂，破碎帶規模較小。

南段 （樁號S8+500～S14+467.39）， 從三股水至調壓井，全長約5 967.39 m，此段洞線穿越的地層巖性為：三疊系安山玢巖 （T3αμ）、石炭系上統結晶灰巖 （C3ls）。南段主要斷裂構造有：洞線沿線地質構造不發育，洞線方向與巖層走向近似平行，巖體完整性較好。

2.2 水文地質條件

水文地質條件方面，北段 （樁號0+115～0+941段），巖體主要為透水性較弱的砂質板巖，地下水主要為裂隙水，地下水埋深30～70 m；樁號0+000～0+115、0+941～1+942段，巖體主要為弱透水的結晶灰巖，地下水主要為裂隙水及少量巖溶水，地下水埋深10～60 m；樁號1+942～5+071段，巖體主要為隔水的片理化安山巖，只有F3斷層帶含水率較大，地下水埋深0～80 m。

中段 （樁號5+071～5+304段），主要為透水的冷都斷裂破碎帶，地下水主要為斷裂破碎帶水，地下水埋深40 m左右；樁號5+304～8+042段，巖體主要為弱透水的石炭系上統結晶灰巖和片理化安山巖，地下水主要為裂隙水和少量巖溶水，地下水埋深0～50 m；樁號8+042～9+131段，巖體主要為隔水的砂質板巖和安山玢巖，地下水主要為裂隙水，地下水埋深25～65 m。

南段 （樁號9+131～10+050段），巖體主要為透水性強的石炭系上統結晶灰巖，地下水主要為巖溶水，由于透水層上覆有不透水的安山玢巖和砂質板巖，該地段有兩層地下承壓水和潛水，潛水埋深約0～30 m，承壓水水位約3 300 m；樁號10+050～11+435、11+634～14+517段，巖體主要為弱透水的石炭系上統結晶灰巖，地下水主要為裂隙水局部可能有巖溶水，地下水埋深15～160 m；樁號11+435～11+634段，巖體主要為透水的石炭系上統結晶灰巖，地下水主要為巖溶水，地下水埋深120～140 m。

3 進水口設計

電站進水口位于壩前約18 m的左岸，采用岸坡有壓式進水口，沿NE70°方向進入引水隧洞。進水口洞臉巖體巖性為厚層狀結晶灰巖，巖體屬弱風化，節理不甚發育，穩定性好。

為保證電站進水口 “門前清”，電站進水口右側攔河壩內設置1條排沙泄洪洞，進口底板高程3 112 m；在電站進水口門前約8 m處設有1道攔沙坎，攔沙坎坎頂高程為3 117.0 m。

考慮到碩多崗河汛期污物較多，進水口設有攔污柵和備用攔污柵。攔污柵孔口5.5 m×6.4 m，最大過柵流速為0.99 m/s。

由于引水隧洞較長，為保障引水隧洞的運行和維修，進水口處設有1道事故閘門，閘門孔口3.3 m×3.3 m，攔污柵和事故閘門底板高程均為3 116.0 m，檢修平臺高程為3 137.00 m，與壩頂同一高程，啟閉設施為400 kN臺車式啟閉機。事故閘門后設圓形通氣孔，孔徑1.0 m；緊接為漸變段，由方形3.3 m×3.3 m漸變為圓形引水隧洞，內徑為3.3 m，并開始降坡，坡比i=0.003 8。

4 引水隧洞設計

引水隧洞總長14.47 km，采用圓形斷面，縱坡i=0.003 8，首部起坡點樁號S0+019，底板高程3 116.0 m，尾部接調壓井，調壓井中心線樁號14+467.393，底板高程3 061.085 m，調壓井前后各設5 m長漸變段，與前后隧洞連接，調壓井后至樁號S14+499.227處連接壓力鋼管，承受16～105 m內水壓力水頭，混凝土襯砌段內徑3.3 m、噴錨襯砌段內徑3.9 m，最大流速分別為3.36、2.41 m/s。

引水隧洞大部分為深埋隧洞，隧洞圍巖大部分為結晶灰巖，部分安山巖和砂質板巖，其中Ⅱ類圍巖長1 655.943 m，占11.45%；Ⅲ類圍巖長6 009.15 m，占41.54%；Ⅳ類圍巖長3 722 m，占25.72%；Ⅴ類圍巖長3 066.3 m，占21.19%。

4.1 引水隧洞的開挖及支護設計

引水隧洞混凝土襯砌段內徑統一為3.3 m，對應Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖的混凝土襯砌厚45、50、60 cm，考慮Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖支護時噴混凝土的厚度，開挖直徑分別為4.2、4.5、4.9 m。為保證沿程水頭損失和混凝土襯砌段一致，噴混凝土段內徑為3.9 m，噴混凝土厚15 cm，開挖直徑4.2 m。Ⅱ、Ⅲ類圍巖開挖支護頂部90°范圍內采用隨機錨桿φ22，L=2.5 m，深入巖石2.4 m，隨機噴混凝土C20厚5 cm；Ⅳ類圍巖開挖支護為系統錨桿φ22@1.2 m×1.2 m，L=2.5 m，深入巖石2.4 m，梅花形布置，噴混凝土C20，厚10 cm，掛網鋼筋φ8@15 cm×15 cm。

Ⅴ類圍巖因圍巖極不穩定，開挖支護采用全斷面鋼格柵拱架支護，格柵斷面14 cm×14 cm，間距60～100 cm，并在頂拱140°范圍內設φ40超前管棚，環向間距30 cm，L=3.0 m，傾角 （向上）5°。全斷面設系統支護錨桿φ22@1.0 m×1.0 m，L=2.5 m，深入巖石2.4 m，梅花形布置，噴混凝土C20，厚20 cm，掛網鋼筋φ8@15 cm×15 cm，對于Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段應減小循環進尺，Ⅴ類圍巖不得大于1 m，并加強排水，出渣后及時完成全斷面支護。

對于隧洞中出現的溶洞，采取在溶洞口擴挖回填混凝土塞的方式處理，混凝土塞周圍用錨桿支護，混凝土塞表面設表層鋼筋網。

4.2 引水隧洞襯砌結構設計

引水隧洞襯砌結構設計的基本原則為：①吉沙電站引水隧洞內水壓力較大，引用流量較小，故減少水量滲漏損失較為關鍵。②由于Ⅳ、Ⅴ類圍巖不穩定或極不穩定，故均按鋼筋混凝土襯砌設計。③Ⅲ類圍巖板巖、安山巖段，圍巖穩定性較差，故采用鋼筋混凝土襯砌；Ⅱ、Ⅲ類圍巖灰巖溶洞發育段、節理裂隙密集帶及滲水嚴重地段，均采用鋼筋混凝土襯砌，其余洞段則采用錨噴襯砌；襯砌形式的確定還根據其兩端襯砌形式綜合考慮，盡量減少局部襯砌形式的頻繁變化，以減少水頭損失。④在保證設計安全的前提下，盡可能地簡化設計，保證工期。

鋼筋混凝土襯砌內徑均為3.3 m，Ⅲ類圍巖部分混凝土襯砌厚度45 cm，Ⅳ類圍巖混凝土襯砌厚度50 cm，Ⅴ類圍巖混凝土襯砌厚度60 cm；對于Ⅱ類圍巖和部分較好的Ⅲ類圍巖采用噴混凝土襯砌，內徑3.9 m，噴混凝土C20厚度為15 cm，掛網鋼筋φ8@15 cm×15 cm，短錨桿與巖壁連接。

噴混凝土襯砌段，考慮圍巖有自穩作用，根據工程經驗類比及規范要求，噴混凝土厚度定為15 cm，掛鋼筋網支護，滿足結構穩定要求。隧洞計算內水壓力按進水口至最高調壓井涌浪水位線性分布計算，為16～105 m水頭。外水壓力按天然地下水壓力折減計算。根據DL/T 5195—2004《水工隧洞設計規范》進行隧洞混凝土配筋計算。在承載力極限狀態下，分別進行持久狀況及偶然狀況對計算斷面進行配筋計算，確定配筋；再在正常使用極限狀態下，驗算裂縫開展寬度。

經計算隧洞沿線配筋為：45 cm混凝土襯砌厚度為 5φ14單筋～5φ22雙筋，50 cm混凝土襯砌厚度為5φ16雙筋～5φ36雙筋，60 cm混凝土襯砌厚度為5φ18雙筋～6φ36雙筋。

4.3 引水隧洞灌漿設計

引水隧洞固結灌漿設計根據圍巖承受的內水壓力，分段確定灌漿壓力等級。引水隧洞鋼筋混凝土襯砌頂拱90°～120°范圍內回填灌漿孔φ50 mm，深入巖石3.0 m，排距2.5 m，每排1～2孔，梅花形布置，兼做固結灌漿功能；固結灌漿孔φ50 mm，深入巖石3.0 m，排距2.5 m，每排5孔，梅花形布置。鋼筋混凝土襯砌段回填灌漿壓力0.3～0.4 MPa，固結灌漿取1.0～1.5倍內水壓力。

Ⅱ、Ⅲ類圍巖噴混凝襯砌段的固結灌漿，要求固結灌漿前先打壓水檢查孔進行壓水試驗，若噴混凝土段圍巖透水率小于標準要求1.0 Lu，可不進行灌漿；1.0～1.5 Lu可由監理根據超標情況具體確定是否進行固結灌漿；大于1.5 Lu時必須灌漿。

4.4 引水隧洞集石坑及檢修門設計

引水隧洞施工期全線設有6條施工支洞，為防止碎石泥沙流入到水輪機中，在3、6號施工支洞處分別設置1、2號集石坑，集石坑采用城門洞形斷面，集石坑底部寬3.0 m，高1.3 m，長15 m，集石坑兩端設5 m長漸變段與正常洞段連接。為方便隧洞檢修及1、2號集石坑出碴，在3、6號施工支洞設置了檢修門及檢修廊道，檢修廊道高1.8 m，寬1.0 m。

5 調壓室設計

5.1 布置及體形

調壓井位于廠房后山坡地面約3 175 m高程處，調壓井頂面高程為3 170.0 m，底板高程3 065.89 m，采用圓筒阻抗式。井身高104.11 m，中心樁號S14+467.393，調壓室斷面內徑7.5 m，斷面面積A=44.18 m2，阻抗孔為內徑1.6 m的圓形斷面，根據調保計算，調壓井滿足穩定、涌浪及補水要求。最高涌浪水位3 167.4 m，最低涌浪水位3 070.83 m。調壓井采用80 cm厚鋼筋混凝土襯砌，雙層配筋。

為方便高壓管道的運行維修和避免事故擴大，高壓管道首部即調壓井后設有1道快速事故閘門，閘門井中心線樁號S14+472.943，閘門檢修平臺與調壓井頂面同高，為3 170.0 m高程，露于地面。閘門孔口尺寸為3.0 m×3.3 m。閘門井位于調壓井下游，與調壓井結構連為一體。

5.2 開挖支護及灌漿設計

調壓井圍巖為結晶灰巖，圍巖以Ⅱ～Ⅲ類為主，局部為Ⅳ～Ⅴ類巖石。施工期上部30 m范圍內采用噴8 cm厚C20混凝土，錨桿φ22@1.5 m×1.5 m，L=2.5 m，下部支護只設錨桿不噴混凝土。閘門井支護型式與調壓井相同。

固結灌漿設計根據圍巖承受的內水壓力，分高程段確定灌漿壓力等級。固結灌漿孔φ50，深入巖石3.0 m，間排距3.0 m，梅花形布置。固結灌漿由下至上進行，調壓井底座頂板的固結灌漿孔兼回填灌漿孔功能，固結灌漿壓力3 141.0 m高程以上采用0.5 MPa，3 141.0～3 109.4 m高程采用 1.0 MPa，3 109.4 m高程以下采用1.5 MPa。具體灌漿壓力值應根據技術規范要求通過試驗確定。

6 高壓管道設計

6.1 高壓管道布置

高壓管道位于調壓井至廠房之間，由1條高壓主管、岔管和兩條高壓支管組成，總長度約為1 074 m。高壓管道采用斜井布置，傾角60°，由上平段、上斜井、上中平段、中斜井、下中平段、下斜井及下平段組成。

上平段長約36.83 m，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度60 cm，方向與引水隧洞相同，縱坡i=0.003 8，上平段與上斜井間設一空間彎管，平面走向轉為與廠房軸線垂直，為NE36.152°，立面轉向上斜井；上斜井傾角為60°，傾角與地表陡崖坡度基本相同，長219.72 m （包括上、下彎管段長），鋼襯厚度12～22 mm；上中平段中心高程為2 890.00 m，長40.0 m，鋼襯厚度22 mm；中斜井傾角為60°，長193.08 m（包括上、下彎管段長），鋼襯厚度22～32 mm；下中平段中心高程為2 735.00 m，長160.0 m，鋼襯厚度32 mm；下斜井傾角為60°，長183.26 m （包括上、下彎管段長），鋼襯厚度34～42 mm；下平段中心高程與機組安裝高程相同，為2 588.50 m，長207.18 m，內徑2.3 m，斷面平均流速6.72 m/s。

在距廠房中心線約38 m處布置高壓岔管，岔管將高壓主管分成2條高壓支管，高壓主管內徑為2.3 m、支管內徑為1.4 m。岔管采用對稱 “Y”形內加強月牙肋型鋼岔管，分岔角為70°，最大公切球直徑2 696.6 mm。鋼材采用國產07MnCrMoVR調質鋼，按明管設計。岔管最大厚度為46 mm，肋板厚度為 112 mm，岔管重 13.45 t。支管采用國產07MnCrMoVR調質鋼，內徑為1.4 m，流速9.33 m/s。岔管及支管采用明挖，鎮墩混凝土高8.5 m，頂高程2 592.65 m，碎石回填至2 599.15 m高程。

6.2 開挖支護設計

壓力管道開挖斷面為圓形，直徑為4.0、3.66 m（下平段），為保證開挖和鋼管安裝安全，Ⅱ～Ⅲ類灰巖段設計進行隨機噴錨支護，Ⅳ～Ⅴ類圍巖段進行系統噴錨支護。錨桿長2.6、3.1 m，直徑22 mm，間排距 2.5 m×3 m，噴混凝土厚80～100 mm，局部破碎巖體，掛鋼筋網φ6.5 mm、間排距15 cm×15 cm。F2-2斷層段進行擴挖1.0 m，并進行C15素混凝土置換。

6.3 高壓鋼管及岔管結構設計

壓力鋼管為地下埋藏式，按埋管計算，鋼管結構構件的抗力限值按地下埋管取值，全部管道不考慮圍巖分擔，內水壓力由鋼板單獨承擔，不進行固結灌漿，簡化施工。中平段和下平段進行回填灌漿。為保持圍巖的整體性和完整性，在鋼襯段與混凝土襯砌段交接處、斷層破碎帶段及隧洞出口段進行固結灌漿。岔管及支管按明管設計，基礎進行固結灌漿。

根據水力過渡過程仿真計算成果，發生在配水管處的最大水擊壓力上升為611.08 m水頭，壓力上升13.62%，考慮到機組特性、計算模型簡化等對過渡過程計算的影響，設計采用的最大設計內水壓力留有富裕，取652.2 m水頭，相當于靜水頭的1.2倍。各管段水擊壓力升高按線性變化計算。

根據DL/T 5141—2001《水電站壓力鋼管設計規范》計算，鋼板考慮2 mm銹蝕厚度，因此鋼板厚度12～42 mm。加勁環上斜井段設置1 000 mm×20 mm×150 mm （間距×厚度×高度）的加勁環，其他部分按構造要求設加勁環，設置800 mm×16 mm×120 mm （間距×厚度×高度）的加勁環。