青龍水電站引水隧洞優化設計

牛斌，劉宇

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都610072)

1 工程概況

青龍水電站屬白水江水電規劃一庫七級方案中的第七級梯級電站，為引水式開發。引水隧洞長13.924 km，電站發電引用流量132.66 m3/s，設計內水壓力0.15～0.71 MPa，屬于低水頭、大斷面引水隧洞，位于白水江左岸。隧洞線路布置主要受木正溝、抹地溝、大壩溝、牧馬溝、梨兒溝5條支溝及荷葉坡堆積體、魏家半山堆積體控制，除抹地溝規模較大外，其余溝規模較小、縱坡降較大。根據隧洞區的地形地質條件，隧洞線路布置采用繞溝方式，隧洞從溝谷和堆積體下部基巖中通過。引水隧洞沿線布置了6條施工支洞。

由于各設計階段設計要求及深度不同，為保證工程安全、降低造價、方便施工，各設計階段根據補充地勘工作及其揭示的地質條件，適時地對引水隧洞的布置及結構設計進行了優化調整。

2 初步設計階段引水隧洞的布置

在初步設計階段，引水隧洞從進水口至調壓室全長約13.498 km，隧洞進口底板頂高程為1 257 m，至調壓室處底板頂高程降為1 234.1 m，隧洞縱坡i=1.7‰。隧洞布置主要受荷葉坡堆積體、抹地溝和魏家半山堆積體控制。

初設階段地質評價隧洞圍巖以Ⅲ類為主，部分為Ⅳ、Ⅴ類，隧洞圍巖整體條件較好。經對圓形斷面和馬蹄形斷面兩種襯砌斷面型式進行綜合分析比較，為方便施工和避免圓形斷面施工中多挖多填而導致的施工附加量較大等問題，引水隧洞斷面型式采用平底馬蹄形，底寬6.5 m，高8.5 m。

3 招標設計階段引水隧洞的布置及優化

在招標設計階段，進一步細化了各段圍巖條件，重點對隧洞過荷葉坡、抹地溝、魏家半山段補充了地表地質測繪并補充了四個鉆孔進行補勘，對以Ⅲ－2類圍巖為主的洞段可能存在的錯動帶、構造擠壓帶、夾層風化帶的分布和影響范圍進行了地表調查和輔助剖面分析，并根據上一級雙河水電站引水隧洞開挖揭示的地質條件，將(引)0+000～0+910洞段軸線調整為與地層走向呈大角度相交。

通過本階段對引水隧洞布置的設計優化調整，引水隧洞洞線長度由初設的13 498 m增至13 630 m，雖然洞線增長了132 m，但提高了調整洞段圍巖的穩定性和施工安全性。由于本階段地質評價隧洞圍巖仍以Ⅲ類為主，部分為Ⅳ、Ⅴ類，故引水隧洞永久襯砌斷面型式仍采用平底馬蹄形。

4 技施設計階段引水隧洞的布置及優化

(1)技施設計階段引水隧洞洞線的優化調整。

在技施設計階段，根據1#～6#施工支洞開挖揭示的地質條件，結合地表地質補充調查、物探TSP超前地質預報成果及1 245±15 m高程地質平切圖(隧洞進口底板高程為1 257 m，隧洞末端底板高程為1234.1 m)，分別于2008年6月和2009年6月對引水隧洞進行了兩次洞線優化調整。

2007年10月～2008年6月，根據1#～6#施工支洞開挖揭示的地質條件及地表地質調查和測繪復核資料，結合隧洞地質平切面和剖面進行分析:若按招標洞線方案圍巖類別將發生較大變化，Ⅲ類圍巖由原來的79.23%變為50.5%，Ⅳ類圍巖由13.61%變為34.6%，Ⅴ類圍巖由7.16%變為14.9%。為改善引水隧洞的圍巖工程地質條件，盡量避開不利圍巖段，考慮將洞線置于圍巖條件較好的中厚～厚層灰巖中，盡量大角度穿越圍巖條件較差的薄層、薄板狀灰巖及灰巖夾板巖區段，從而減小施工難度，加快施工進度。因此，對(引)2+170后的引水隧洞洞線進行了優化調整，調整后引水隧洞洞線總長度為14 078 m，較招標長度增加約448 m。2009年6月，根據5#～6#施工支洞間主洞的開挖情況，及時對(引)12+343～13+240段洞線進行了微調，洞線調整后長度縮短了154 m。

經過技施階段兩次洞線優化調整后，引水隧洞洞線總長度為13 924 m，較招標階段長度增加約294 m，較初設階段長度增加約426 m。雖然引水隧洞洞線增長了，但提高了調整洞段圍巖的整體穩定性，減少了初期支護的工程量，降低了開挖施工期的施工難度，提高了隧洞開挖施工期的安全性。

(2)技施設計階段引水隧洞斷面型式的優化調整。

①引水隧洞斷面型式優化調整的必要性。

在初步設計階段，根據現場地質勘察成果，表明引水隧洞工程區圍巖整體質量較好，成洞條件較好，圍巖類別以Ⅲ類為主，選擇了全線馬蹄形襯砌斷面，以達到節約工程投資、方便施工的目的。

在技施設計階段，根據2009年5月圍巖類別復核成果，Ⅳ、Ⅴ類圍巖比例相對初設和招標階段提高較多，在已開挖的8 568 m洞段Ⅳ、Ⅴ類圍巖比例約占45%，并且大部分分布在隧洞4#～5#支洞關鍵線路上。由于Ⅳ、Ⅴ類圍巖的增加，整個隧洞鋼筋、混凝土量、回填灌漿量、固結灌漿量均較招標階段增加較多，隧洞工程投資也較初設階段和招標階段增加較多，并且部分洞段邊墻發生變形導致初期支護部分侵占了永久結構斷面。因此，為了降低工程投資和保障變形處理時隧洞施工的安全，盡量減少變形洞段處理的工程量，對隧洞襯砌斷面型式進行優化調整很有必要。

②引水隧洞斷面型式的選擇。

2009年4～8月，結合前期招標和現場實際施工情況、馬蹄形和圓形結構計算成果，有針對性地擬定了全線Ⅳ、Ⅴ類圍巖馬蹄形襯砌方案、馬蹄形和圓形組合襯砌兩種襯砌斷面型式并進行了比選。考慮到引水隧洞設計內水壓力為0.15～0.71 MPa，屬于低水頭隧洞，在綜合考慮結構安全可靠度、結構計算原理、施工條件和管理、工程造價等方面因素后，最終決定采用馬蹄形和圓形斷面組合襯砌方案，開挖斷面型式仍然為馬蹄形斷面，從而避免了對剩余洞段開挖施工的不利影響。對于地質條件較好的Ⅲ類圍巖洞段仍采用掛網噴錨襯砌，斷面型式采用平底馬蹄形;對于地質條件較差的Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段，采用鋼筋混凝土襯砌，其中對引水隧洞(引)0+000～5+700上游低水頭洞段采用馬蹄形斷面襯砌型式;對引水隧洞(引)5+700～13+924下游高水頭洞段采用圓形斷面襯砌型式。

③引水隧洞斷面型式優化調整引起的主要工程量及工程投資變化。

相對全線馬蹄形斷面襯砌方案，馬蹄形和圓形斷面組合襯砌方案永久襯砌混凝土工程量增加了22 995 m3，但鋼筋量節省了6 995 t。從兩方案可比部分工程投資看，采用馬蹄形和圓形斷面組合襯砌方案，工程直接投資費用節省3 296萬元。

(3)技施設計階段引水隧洞固結灌漿的優化。

在初設階段，引水隧洞Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段固結灌漿孔深入基巖4.5 m，每排8孔，排距2.5 m。整個固結灌漿洞段總長度為3 375 m，固結灌漿總延米數為55 890 m。

在技施階段，由于圍巖條件的變化，Ⅳ、Ⅴ類圍巖比例相對初設和招標階段提高較多，整個固結灌漿洞段總長度接近8 126m，如果仍采用初步設計及招標設計固結灌漿參數，則固結灌漿總延米數將達到117 015 m，并且Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段的裂隙節理發育完整性較差，固結灌漿試驗成果表明耗灰量較大。為了控制隧洞工程投資，在隧洞初步固結灌漿試驗、隧洞圍巖巖體質量綜合測試成果(圍巖受爆破影響范圍為1.5～2.25 m)及隧洞水力學復核成果基礎上進行了隧洞固結灌漿參數優化調整。(引)0+000～4+000洞段固結灌漿孔深入基巖3.5 m，每排8孔，排距3 m;(引)4+000～13+924洞段固結灌漿孔深入基巖4 m，每排8孔，排距3 m。通過優化調整后，隧洞固結灌漿總延米數為93 244 m，減少固結灌漿延米數23 771 m。

5 結語

青龍水電站引水隧洞屬于低水頭、大斷面引水隧洞，沿線地質條件復雜，在招標技施設計階段，根據現場各施工工作面揭示的實際地質條件，以及進一步的補充勘探工作，發現引水隧洞圍巖條件和前期設計結論存在一定的差異，初期開挖支護變形問題突出。為了控制工程安全及投資風險，結合隧洞現場實際施工情況、圍巖復核成果、固結灌漿試驗成果適時地優化調整了隧洞洞線、斷面型式及固結灌漿，從而提高了隧洞圍巖穩定性，降低了工程安全風險，有效地控制了工程投資的增加。通過青龍水電站各設計階段對引水隧洞的優化調整設計，對今后類似工程設計優化及安全、投資風險控制有一定的借鑒作用。