發電引水隧洞壓力狀態選擇探討

邵莉芳　黃保沖

摘要：引水建筑物在引水式電站中所占投資比例較大，發電引水隧洞是引水式電站較為簡單和常用的引水建筑物，因而發電引水隧洞型式選擇對引水建筑物乃至工程布置、工程投資及效益影響較大。文章分析了發電引水隧洞壓力狀態對引水建筑物和工程布置的影響。

關鍵詞：發電引水隧洞；壓力狀態選擇；引水建筑物；引水式電站；工程布置；工程投資 文獻標識碼：A

中圖分類號：TV732 文章編號：1009-2374（2016）20-0125-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.062

引水建筑物在引水式電站中所占投資比例較大，發電引水隧洞是引水式電站較為簡單和常用的引水建筑物，因而發電引水隧洞型式選擇對引水建筑物乃至工程布置、工程投資及效益影響較大。發電引水隧洞選擇有壓隧洞還是無壓隧洞對引水式電站的工程布置、工程投資及效益影響很大。

1 發電引水隧洞壓力狀態選擇對引水建筑物和工程布置的影響

1.1 對引水建筑物型式和布置的影響

引水式電站的有壓引水建筑物一般由有壓進水口、有壓引水隧洞、調壓室及地下式壓力管道等部分組成，引水式電站的無壓引水建筑物一般由無壓進水口、無壓引水隧洞（或渠道）、前池及地面式壓力管道等部分組成。

1.1.1 對進水口型式和布置的影響。有壓引水隧洞進水口型式一般采用有壓進水口，無壓引水隧洞進水口型式一般采用無壓進水口。進水口一般除滿足過柵流速和閘門布置要求外，有壓進水口水力計算主要應滿足最小淹沒深度的要求，而無壓進水口水力計算主要應滿足進水口過流能力的要求。一般情況下，有壓進水口結構比無壓進水口結構復雜且投資大。

1.1.2 對引水隧洞型式和布置的影響。SL279對有壓引水隧洞型式和布置的有關規定：有壓引水隧洞要求在最不利的運行條件下，洞頂以上應有不小于2.0m的壓力水頭；有壓引水隧洞的垂直和側向最小覆蓋厚度應符合第3.1.7條的規定；有壓隧洞宜采用圓形斷面，在圍巖穩定性較好、內外水壓力不大時，可采用便于施工的其他斷面形狀。SL279對無壓引水隧洞型式和布置的有關規定：在低流速無壓隧洞中，若通氣條件良好，在恒定流情況下，洞內水面線以上的空間不宜小于隧洞斷面積的15%，且高度不應小于400mm；在非恒定流條件下，若計算中已考慮了涌波時，上述數值允許適當減小；對較長的隧洞和不襯砌或錨噴襯砌的隧洞，上述數值可適當增加；無壓隧洞地質條件較好時宜采用圓拱直墻式斷面，圓拱中心角為90°～180°；斷面的高寬比應根據水力學和地質條件選用，宜為1.0～1.5，洞內水位較大時宜采用大的比值；無壓隧洞地質條件較差時，可選用圓形或馬蹄形斷面。

由以上規定可知，發電引水隧洞壓力狀態對引水隧洞型式和布置的影響是較大的。由于有壓引水隧洞洞頂以上的最小壓力水頭不應小于2.0m，且有壓引水隧洞的垂直和側向最小覆蓋厚度應符合SL279第3.1.7條的規定，以及有壓引水隧洞的最高與最低水頭壓力線受水庫校核洪水位與死水位和調壓室的最高與最低涌波水位控制，因此有壓引水隧洞的埋深要比無壓引水隧洞的埋深大很多。當然，發電引水隧洞壓力狀態對引水隧洞影響較大的還是在隧洞結構和滲透穩定性方面的區別，尤其是在地質條件較差時影響就更大些。

1.1.3 對調壓設施型式和布置的影響。有壓引水隧洞末端一般應設置調壓室（引水隧洞長度較短時除外），無壓引水隧洞末端一般應設置前池或調節池（采用自動調節隧洞除外）。設置調壓室往往比布置前池要簡單很多且工程投資要省很多，這主要是由于前池一般開挖量較大，而且前池或前池上游附近一般需設置溢流堰，這對于高水頭電站或前池附近地形地質條件較差時，前池的邊坡開挖與擋護量和溢流堰泄水槽的工程量較大；而調壓室的結構則較簡單，且調壓室一般無需設置溢流堰，也不存在明挖而形成高邊坡及其處理問題。

1.1.4 對壓力管道型式和布置的影響。有壓引水隧洞末端的調壓室后接壓力管道的型式一般采用地下埋管，如果壓力管道邊坡的地形地質條件較好時也可采用地面明管。無壓引水隧洞末端的前池或調節池后接壓力管道的型式一般采用地面明管，如果壓力管道邊坡的地形地質條件較差時也可采用地下埋管或地下埋管與地面明管相結合的形式。不管是采用有壓還是無壓隧洞引水，壓力管道型式和布置方式一般應結合邊坡的地形地質條件根據技術經濟比較進行確定，在一般情況下或邊坡的地形地質條件較好時采用地面明管較為經濟，否則采用地下埋管較為有利。

1.2 對工程布置的影響

發電引水隧洞壓力狀態不同除對引水建筑物自身的布置有影響外，還對取水樞紐和電站廠房的布置有一定影響。

1.2.1 對取水樞紐布置的影響。無壓引水隧洞進水口型式一般采用無壓進水口，無壓進水口一般為低壩引水，大壩擋水高度僅需滿足進水口的引水和沖沙要求。為了滿足進水口“門前清”，無壓進水口布置一般應與沖沙閘布置緊密結合，進水口前的攔沙坎頂部高程一般高于沖沙閘底板高程1.5～2.0m以上。

有壓引水隧洞進水口型式一般采用有壓進水口，即潛沒式進水口，對水庫式與引水式混合開發的電站，由于水庫內水流流速較小，加之大壩沖沙孔或底孔較低，有壓引水隧洞進水口的泥沙和攔污問題并不突出。而對于引水式電站往往取水樞紐高度不大，這種取水樞紐類似于無壓進水口的低壩引水，但如果作為有壓進水口，尚需滿足最小淹沒深度的要求，要么降低進水閘的底板高程，要么適當增加壩高或在壩頂上安裝鋼閘門（或砼翻板閘）以滿足有壓進水口最小淹沒深度和沖沙的要求。

1.2.2 對電站廠房布置的影響。發電引水隧洞壓力狀態對電站廠房的布置沒有直接影響，但由于引水隧洞壓力狀態的不同會影響引水建筑物的調壓設施和壓力管道的型式和布置，而調壓設施和壓力管道的型式和布置將直接影響廠區建筑物布置。調壓室和地下埋管對廠區建筑物布置影響較小，而前池和地面明管則對廠區建筑物布置，特別是對電站廠房的安全影響較大，這是由于前池和地面明管的管床開挖可能會使原來的邊坡變陡，如果處理不當，可能會導致電站廠房后的巖土邊坡失穩而威脅電站廠房的安全；前池溢流堰和泄水槽位置的選擇和布置對廠區建筑物的布置和安全影響較大；地面明管末端接水平的岔支管布置會使坡腳水平開挖寬度加大，也會影響電站廠房的布置。

2 發電引水隧洞壓力狀態選擇對工程投資及效益的影響

2.1 對工程投資的影響

2.1.1 對經濟洞徑的影響。發電引水隧洞的工程投資主要取決于隧洞橫斷面尺寸和襯砌工程量，發電引水隧洞的橫斷面尺寸一般通過技術經濟比較確定，隧洞的襯砌型式應通過各種襯砌型式的技術經濟比較進行選擇，隧洞的襯砌厚度一般通過結構計算和構造要求確定。

無壓引水隧洞的經濟比降一般不大于1.0‰，混凝土襯砌隧洞的經濟流速一般為1.5～2.5m/s，不襯砌或錨噴襯砌隧洞的經濟流速一般為0.8～1.5m/s，隧洞的經濟流速主要取決于隧洞的襯砌型式和設計流量，一般設計流量越大其經濟流速也越大。

有壓引水隧洞一般采用混凝土襯砌，其經濟流速一般為3m/s左右，不襯砌或錨噴襯砌隧洞的經濟流速一般為1.5～2.0m/s?！端姽こ虒I案例·工程規劃篇》（黃河水利出版社，2007.4）給出了有壓引水隧洞混凝土襯砌斷面經濟洞徑經驗公式形式如下：

式中：

D——隧洞經濟洞徑（m）

Q——隧洞設計流量（m3/s）

H——隧洞設計水頭（m）

由上式可知，隧洞的經濟洞徑主要與設計流量和設計水頭有關。

2.1.2 對工程投資的影響。發電引水隧洞作為引水式電站引水建筑物的主要組成部分，其投資在工程總投資中所占比例較大，下面僅分析發電引水隧洞不同壓力狀態對投資的影響。發電引水隧洞的土建工程投資由隧洞開挖、隧洞支護與襯砌及隧洞灌漿、防滲和排水等部分組成，其中隧洞灌漿、防滲和排水等所占土建工程投資比例較小，那么發電引水隧洞的土建工程投資主要由隧洞開挖、隧洞支護與襯砌等部分組成。從發電引水隧洞壓力狀態對經濟流速的影響分析可見，無壓隧洞的經濟流速比有壓隧洞的經濟流速要小得多，加之要求無壓隧洞水面線以上的空間不宜小于隧洞斷面積的15%，這樣有壓隧洞的經濟斷面積一般為無壓隧洞經濟斷面積的50%～60%左右。這樣有壓隧洞的開挖工程量要比無壓隧洞的開挖工程量小得多。發電有壓引水隧洞多采用混凝土襯砌，對地質條件好的Ⅰ、Ⅱ類圍巖的低壓隧道也可考慮采用不襯砌或錨噴襯砌，但不襯砌或錨噴襯砌隧洞的底部應用現澆混凝土找平，厚度不宜小于100mm。無壓引水隧洞在穩定性好的洞室中一般可采用不襯砌或噴射混凝土襯砌，對穩定性較差的洞室一般采用混凝土襯砌或錨噴襯砌或鋼架支護以及各種組合式支護與襯砌。但一般情況下，無壓引水隧洞的襯砌要比有壓引水隧洞的襯砌簡單一些，這主要是由于有壓隧洞要比無壓隧洞的襯砌結構受力復雜、防滲嚴格。

綜上分析可知，有壓引水隧洞橫斷面尺寸比無壓引水隧洞橫斷面尺寸小，因而有壓隧洞的開挖工程量要比無壓隧洞小得多，但有壓引水隧洞的襯砌一般要比無壓引水隧洞投資增加較多，所以有壓引水隧洞與無壓引水隧洞的投資孰大孰小一般要通過技術經濟比較確定，但一般情況下有壓引水隧洞比無壓引水隧洞投資小。

2.2 對工程效益的影響

當然發電引水隧洞的工程投資和工程效益是相輔相成的一對矛盾，但發電引水隧洞壓力狀態對工程效益的影響是不同的。無壓引水隧洞的沿程水頭損失只取決于隧洞比降（即斷面尺寸），而有壓引水隧洞的沿程水頭損失除取決于隧洞斷面尺寸外，還取決于流量（即流速）的變化。因為在隧洞長度和斷面尺寸確定的情況下，無壓引水隧洞的沿程水頭損失是恒定值，而有壓引水隧洞的沿程水頭損失是隨流量的不同而變化的，有壓隧洞的沿程水頭損失與流速（即流量）的平方成正比（有壓隧洞的局部水頭損失也與流量的平方成正比）。這樣有壓隧洞的平均沿程水頭損失一般為其設計水頭損失（即最大水頭損失）的20%～30%。

顯然，有壓隧洞的平均沿程水頭損失一般要小于無壓引水隧洞的設計沿程水頭損失。

2.3 對工程投資及效益的影響結論

一般情況下，發電引水隧洞采用有壓隧洞要比無壓隧洞的工程投資較小而發電量較大，即發電引水隧洞采用有壓隧洞一般要比無壓隧洞更為經濟，這也符合SL279第4.1.1條“發電引水隧洞宜采用有壓隧洞”的規定。

3 結語

通過以上發電引水隧洞壓力狀態對引水建筑物型式及工程布置和工程投資及效益的影響分析可見，發電引水隧洞壓力狀態選擇對引水式水電站工程的影響是相當大的，因此在進行引水式水電站工程的設計中一定要重視發電引水隧洞壓力狀態的選擇；另一方面，采用有壓隧洞還是采用無壓隧洞，主要視工程布置、水力條件、地質條件、經濟、工程安全等方面綜合考慮，如果在條件允許時，宜盡量采用有壓隧洞。這樣，作為設計工作者，一定要把“發電引水隧洞宜采用有壓隧洞”的觀念作為常態，而把“發電引水隧洞非采用有壓隧洞”作為非常態。無壓隧洞常用于隧洞斷面較小、地質條件較差（如穩定性較差的Ⅳ、Ⅴ類圍巖或土洞）的低水頭小型引水式水電站中，應注重通過經濟技術分析比較加以論證后提出每個引水式水電站工程適宜的發電引水隧洞壓力狀態。

參考文獻

[1] 水工隧洞設計規范（SL279-2002）[S].

[2] 水利水電工程專業案例·工程規劃篇[M].鄭州：黃河水利出版社，2007.