高壓隧洞在插草坪電站中的應用

郭 靜， 張 中 兵

(四川省內江水利電力建筑勘察設計研究院，四川 內江 641000)

1 引 言

插草坪水電站位于甘孜州丹巴縣境內，屬磨子溝干流水電規劃三級開發的第二級水電站，引水式開發，在前期設計中，引水系統是由有壓隧洞、調壓井及壓力管道組成，隧洞雖為有壓隧洞，但是在調壓井之前，隧洞承擔的內水壓力較小，屬于低壓隧洞。

近年來，山區電站特別是臨近自然風景保護區的電站，由于對生態環境保護的要求越來越高，布置常規式調壓井將會受到環境保護及選址位置的制約。插草坪電站水頭高達400多m，廠區部位水頭更為集中，而廠區后坡地形陡峻，修建至調壓井、壓力管道及各施工支洞的公路困難，前期考慮的索道出碴量小，工效低，對生態環境影響也很大，因此，選擇高壓隧洞一坡到底至廠房后山體，在山體內修建氣墊式調壓室進入廠房的方案，既能滿足生態環境保護的要求，也可減少各支洞施工道路的修建，提高施工期的工期保證率。

2 高壓隧洞的布置

高壓隧洞線路原則上根據河道比降順河布置，且必須遵循“挪威準則”和“初始應力場最小應力準則”，保證洞身垂直和側向巖體最小覆蓋厚度，充分利用圍巖的承載力承擔隧洞內、外水壓；同時為防止施工期洪水從支洞進入主洞，考慮在跨溝時洞底高程高于主溝施工期水位，結合支洞以及施工進度的安排，布置隧洞縱坡，并在適當的位置布置斜井，保證圍巖上覆蓋厚度；高壓隧洞在各水平洞段都應預留檢修洞，方便對隧洞洞身的檢修。

插草坪電站引水隧洞采用“一坡到底”的高壓引水隧洞形式，因受斯潘干溝、無名溝、冬特爾溝及森工局三段溝控制，平面上共設置5個控制點，隧洞全長10 844 m，其中有694 m為洞內埋管。隧洞進口底板高程3 375.50 m，至隧洞出口處底板高程為2 911.60 m，整個洞段根據河道比降及施工支洞布置情況共設5個坡段和4個斜井段，斷面為圓形，直徑為4.5 m。

為運行管理及檢修方便，在2號、3號、5號施工支洞設置了手推式鋼閘門作為隧洞對外永久交通檢修通道，1號、4號施工支洞設置堵頭封堵。同時為運行安全，攔截由取水口進入的稀少粗粒徑泥沙，防止不襯砌和錨噴掉塊進入機組，在樁號噴錨支護段結束處設置了集石坑。

3 高壓隧洞的襯砌

水電站的引水隧洞分為高壓洞段和低壓洞段，有關技術規范規定，原則上砼結構是不能承受拉應力的，故低壓洞和高壓洞在結構設計上存在顯著差別。對于低壓隧洞，Ⅰ、Ⅱ類圍巖，基本可以不襯砌，直接承載；Ⅲ類圍巖，可采用噴砼或素砼襯砌結構承載；Ⅳ、Ⅴ類圍巖，必須采用鋼筋砼襯砌結構承受隧洞內外水的水壓力和圍巖壓力，防止滲漏。插草坪電站高壓引水方案樁號0+000 m～2+366 m段內水壓力低于20 m，屬于低壓隧洞段，采用的以上隧洞襯砌結構進行設計。

電站樁號2+366 m～10+151 m段內水壓力高于100 m，屬于高壓隧洞段。對于高壓隧洞，常規方式是采用鋼板襯砌，即壓力管道來承受內外水壓力和圍巖壓力，防止高壓滲漏。根據上述高壓隧洞襯砌概念，高壓隧洞引水方式投資遠遠高于常規有壓隧洞，沒有優越性，因此，國內外水電專家對高壓隧洞提出了新的設計概念：在圍巖條件較好的情況下，由圍巖來承受內外水荷載，襯砌材料不承受或較少承受荷載，而洞線的埋深也不會增加襯砌上的荷載。

高壓隧洞必須遵循前述的“挪威準則”和“初始應力場最小應力準則”。挪威準則是經驗準則，其原理是要求隧洞上覆巖體重量不小于洞內水壓力。早年，在挪威當壓力隧洞地表巖體坡度變陡時，設計者只是簡單地把所需的圍巖覆蓋厚度從靜水頭的0.6倍增加到1.0倍，結果導致一些工程的失敗。根據工程失敗情況進一步研究，從而在1971年產生了挪威準則。

式中CRM為巖體最小覆蓋厚度(不包括強風化層)，hs為洞內部水壓力水頭(m)，rw為水的重度(N/m3),rR為巖體重度(N/m3),α為地表巖體坡度，α>60°時取α=60°，F為經驗系數。關于經驗系數F的取值問題，根據圍巖情況確定。

挪威按照上述準則設計的水工有壓隧洞已達40余個工程，在四川省也有所嘗試，因此，挪威準則的可靠性在實際工程中得到了充分的證實。

最小地應力準則是建立在“巖體在地應力場中存在預應力”的基礎上的，其原理是要求不襯砌高壓隧洞沿線任一點的圍巖最小主應力σ3大于該點洞內靜水壓力，并有1.2～1.3倍的安全系數。

FrwH<σmin

式中 F為安全系數，一般取1.3～1.5，rw為水的重度(N/m3), H為最大內水壓力手頭(m)，σmin為隧洞周邊圍巖應力場最小主應力。該準則由挪威得隆漢姆大學提出，它需要通過測試了解地應力分布規律，然后根據實測成果用有限元回歸分析得出隧洞沿線的地應力分布，據此調整隧洞的埋深和布置。

基于上述理論，插草坪電站高壓段隧洞襯護：Ⅱ類圍巖洞身采用80 mm厚C25砼噴錨，設置隨機錨桿，錨桿長3.0 m；Ⅲ類圍巖洞身采用120 mm厚C25砼噴錨，每個斷面設置8根系統錨桿，錨桿長3.0 m，排距1.5 m，梅花形布置；Ⅳ類圍巖段洞身采用600 mm厚C25鋼筋砼的襯砌。Ⅳ類頂拱120°范圍內回填灌漿，灌漿孔深入基巖0.1 m，排距2.5 m，單雙孔交替布置；Ⅱ、Ⅲ類圍巖段進行高壓固結灌漿，固結灌漿孔，深入基巖3 m，排距3.0 m，每排8孔，梅花型布置。所有隧洞襯砌砼均添加聚丙烯抗裂纖維。

4 高壓隧洞應注意的問題

采用兩準則進行設計的水工隧洞，還應注意以下幾點。一是隧洞的固結灌漿，根據已建水工隧洞的經驗教訓，雖然設計時滿足上述兩項準則，但某些高壓引水隧洞可能沿圍巖裂隙發生水力劈裂，因此，研究表明，高壓引水隧洞的高壓固結灌漿尤為重要，尤其是進、出口段、不同襯砌的連接處以及地質缺陷段。二是高壓壓水試驗，上述設計概念國內剛剛發展，該理論并沒有與具體的巖石力學指標和節理、裂隙發育特征聯系起來，而高壓壓水試驗可以很好的獲取相關數據資料，解決圍巖裂隙發生水力劈裂的問題。

對于完整的Ⅱ類圍巖，主要承載區約為隧洞開挖直徑的0.75倍，這也是一個經濟合理的灌漿深度，因此，Ⅱ類圍巖可不進行固結灌漿；但是，在不良地質洞段固結灌漿是必要的，根據隧洞斷面進行灌漿孔布置，在不同襯砌的連接處以及透水率大于1 Lu的薄弱洞段需加強。

5 高壓隧洞與常規隧洞的比較

在插草坪電站中，對采用常規隧洞和高壓隧洞進行了比較。

根據地形地質條件，兩方案從布置上均可行，除隧洞埋深有差異外，線路長度差異不大。

從施工條件看：常規式調壓井方案引水隧洞坡度較緩，施工期排水問題不突出，施工難度相對較小；新建臨時公路20.1 km，其中至調壓室頂部施工道路沿線地形險峻，施工難度較大。高壓隧洞方案施工道路較短，，但施工支洞較長。施工臨時工程費用方面，高壓隧洞方案略低于常規方案。

從環境影響方面看：常規式調壓井方案上山公路沿線地形險峻，開挖量和棄渣量較大，對沿線地表植被的損壞和地形地貌的改變較大，也增加了水土流失治理難度與工程量，上山公路施工對工程區環境影響較大；高壓隧洞方案不需要修建難度較高的上山施工公路，比常規調壓井方案大大減少了開挖量和棄渣量，從而降低了對地表植被的損壞和地形地貌的改變，水土流失治理難度與工程量也大大降低。

從工程發電效益看：通過動能計算，在采用相同的裝機規模前提下，兩方案的年發電量相差不大。但常規式調壓井方案工期長4個月，也就晚4個月發電，發電量為9454萬kWh左右。

綜上所述，常規式方案雖施工簡單，但投資略高，工期長，占地大，征地相對較為困難；高壓隧洞方案雖施工相對復雜，但投資略低，工期短，最主要是對環境影響小。

6 結 語

挪威是最早使用無襯砌隧洞的國家，到1982年，已建成150 m水頭以上的無襯砌隧洞66座，在建的13座；我省也有多座高壓隧洞引水發電的成功案例，如瓦斯河流域的小天都電站、巴郎溝流域的巴郎口電站以及索子溝流域謝家溝電站等均采用的高壓無襯砌隧洞。從已經實施的高壓隧洞來看，挪威的地質條件一般較好，是典型的硬巖地區，巖體完整堅硬、節理裂隙不十分發育，巖體表面風化層的厚度一般不深，巖石的物理力學指標均較高；而我省小天都的地質圍巖也主要是晉江～澄江期花崗巖，因此，在地質條件較好的地區修建高壓隧洞，同時應對圍巖的初始應力場最小應力進行實驗，確保圍巖能滿足不襯砌條件是可行的。

參考文獻：

[1] 侯 靖 胡敏云.水工高壓隧洞結構設計中若干問題的討論.水利學報 2001(7)

[2] 謝曉剛.新概念在謝家溝電站高壓隧洞襯砌結構設計中的應用.吉林水利 2010(3)