水電站課程教學中關于引水隧洞的探討

閔志華

（重慶水利電力職業技術學院，中國 重慶 402160）

1 對比明渠，強調水電站發電隧洞的基本優缺點

發電隧洞包括引水隧洞和尾水隧洞，或者可分為無壓隧洞和有壓隧洞，它是水電站最常見的輸水建筑物之一，與渠道相比，隧洞具有以下優點：

（1）可以采用較短的路線，避開沿線不利的地形、地質條件。在教學中，對比地形圖很容易理解，讓學生在地形圖上勾出用渠道的線路，發現只能沿等高線布置，對沿線不利的地形、地質條件很難避免，而且要額外征地，現階段修工程的征地是個大難題，可以告訴學生現在很多業主寧可多花錢投資在直接工程上，也不愿意投在具有巨大隱含風險的征地上，對于征地，輿論、政府都很關注，對于賠償額的多少不能很好確定，還有遇到征地補償不滿意的還容易造成窩工甚至停工，還有輿論往往站在被征地人的角度上報道，由于不確定因素很多，對投資極為不利。相反，多花錢修隧洞，前期直接投入大，但省去了征地的麻煩，另外，由于隧洞是在山體里面，省去了不少運行管理費用，這些都是明渠不能比擬的。

（2）有壓隧洞能適應水庫水位的大幅度升降及水電站引用流量的迅速變化；

（3）不受冰凍影響，沿程無水質污染；

（4）運行安全可靠。

隧洞的主要缺點是對地質條件、施工技術及機械化的要求較高，單價較貴，工期較長。但隨著現代施工技術和設備的不斷改進，以及隧洞襯砌設計理論的不斷提高，這些缺點正被逐漸克服。因此，隧洞獲得了越來越廣泛的應用。

2 結合地形、地質、施工等條件講述隧洞的線路選擇

隧洞路線直接影響其造價大小、施工難易、安全可靠程度以及工程效益。原則上，洞線應盡可能布置成進口與廠房或廠房與尾水出口間的最短直線，但實際上常由于種種原因而彎曲。隧洞選線中需考慮的主要因素有：

（1）地質條件。隧洞應盡量布置在地質構造簡單、巖體完整穩定、巖石堅硬、水文地質條件有利的地區，洞線與巖層、構造斷裂面及主要軟弱帶應有較大的夾角；在地應力很高的區域，隧洞應從圍巖穩定考慮，洞線與最大永平地應力方向一致或盡量減小其夾角；要考慮隧洞漏水、巖體浸濕后失穩的可能性；要統籌考慮輸水系統各建筑物及廠房的地質條件。

（2）地形條件。隧洞進出口處地形宜陡，進出口段應盡量垂直地形等高線，其洞頂圍巖厚度宜不小于2倍的開挖洞徑，配以合理的施工程序和工程措施后可保證洞口安全，洞身的埋藏深度應滿足洞頂以上圍巖重量大于洞內靜水壓力的要求；擬利用圍巖抗力時，圍巖厚度不應小于3倍開挖洞徑；要利用山谷等有利地形布置施工支洞。

（3）施工條件。長隧洞的施工條件極為重要，應能利用地形每隔一定距離開鑿一條施工支洞，比如平洞、豎井或斜井，配以相應的道路和附屬企業，以增加工作面，加快施工進度。有壓隧洞要設0.3%～0.5%的縱坡，以利施工排水及放空隧洞。

（4）水力條件。洞線盡可能直，少轉彎；必須轉彎時彎曲半徑一般大于5倍洞徑，轉角不宜大于60°，以使水流平順，減小水頭損失。

3 隧洞水力計算的粗略教法

就水力特性而言，隧洞可以是無壓的或有壓的，發電隧洞中以后者居多。要避免在隧洞中出現時而無壓時而有壓的不穩定工作狀態。無壓隧洞的水力計算與渠道相同，以下只討論有壓隧洞的水力計算。

有壓隧洞的水力計算包括恒定流及非恒定流兩種。恒定流訃算常用曼寧公式，其目的是研究隧洞斷面、引用流量及水頭損失之間的關系，以便選定隧洞尺寸。非恒定流計算的目的是求出隧洞沿線的最大、最小內水壓力，分別用以設計隧洞襯砌及決定隧洞高程，保證隧洞各點高程都應在最小壓力線以下，以保證不出現負壓。根據輸水系統的組成情況和水力特性，非恒定流計算又分為三種情況：

（1）當引水隧洞末端或尾水隧洞首端無調壓井時，隧洞的非恒定流計算即水錘計算。

（2）當隧洞末端或尾水隧洞首端建有能充分反射水錘波的調壓室，比如簡單圓筒式調壓室時，隧洞的內水壓力受庫水位及調壓室涌浪水位控制，此時可按有壓水電站調壓室的最高及最低水位計算，則水庫最高水位與調壓室最高水位的連線就是隧洞的最大內水壓力坡降線，而水庫最低水位與調壓室最低水位連線為隧洞的最小內水壓力坡降線。

（3）隧洞末端雖設有調壓室，但其反射水錘波效果較差，比如阻抗式調壓室阻抗孔口較小時，隧洞內的壓力取決于水錘及調壓室水位波動的共同作用。此時應取整個輸水系統進行水錘、調壓室水位波動聯合分析。

4 結合明渠均勻流和水力學，對隧洞斷面尺寸進行詳細計算

常見的隧洞斷面型式有圓形、直墻圓拱形（城門洞形）、馬蹄形及高拱形等。有壓隧洞常采用圓形斷面。對于無壓隧洞，地質條件良好時通常為直墻圓拱形，洞頂和兩側圍巖不穩時采用馬蹄形，洞頂巖石很不穩定時采用高拱形。

為了便于施工，按SL水利行業規范，隧洞的橫斷面尺寸至少寬1.8m、高2.0m，或內徑不小于1.8m，而按DL電力規范，隧洞的最小施工橫斷面尺寸則為2.0m寬，這里可以簡要介紹下我國水利和電力的區別，也算中國特色的，為什么出現這樣的區別，可以提高學生的興趣。發電隧洞的斷面尺寸應根據動能經濟計算來選定，其基本原理與前述渠道相同。每米長隧洞的水頭損失可由曼寧公式求得：

式中n、Q、R、F分別為隧洞的糙率、流量、水力半徑及過水斷面面積。這里，可以告訴學生，其實這個公式就是前面明渠流量公式的改寫形式，學生可以復習下，還可以告訴他們也就是水力學里面著名的謝才公式，這就簡單了，都是相通的。

每米長隧洞的電能損失為：

式中：η——機組效率，為簡化起見設為常數；

T——水電站年運行小時數。

由水能計算可得出一年內流量Q的歷時曲線，一年以8760小時計，即T＝8760h。立方后得出Q3的歷時曲線，該曲線以下的面積即式(7－5)中的積分值。若令表示Q3的平均值，即：

決定隧洞斷面尺寸時，先擬定幾個具有可比性的方案，求出每方案的水電站及替代電站的計算支出Ch及Ct，然后選擇系統計算支出Cs＝Ch+Ct最小所對應的斷面。

根據經驗，有壓隧洞中的經濟流速一般在3～5m/s左右，在粗略估計時可以4m/s流速作參考計算隧洞直徑。