GX水電站引水隧洞設計

李 元

(仙桃市水利水電建筑勘測設計院，湖北 仙桃 433000)

引水隧洞是水利水電樞紐工程中的重要建筑物之一，在巖體或土層中開挖而成，其長度遠大于其斷面尺寸[1]。壓力水管接在引水隧洞的身后，渠道上的輸水隧洞和通航隧洞只有洞身段。閘門可設在進口、出口或洞內的適宜位置。出口設有消能防沖設施。為防止巖石坍塌和滲水等，洞身段常用錨噴(采用錨桿和噴射混凝土)或鋼筋混凝土做成臨時支護或永久性襯砌。洞身斷面可為圓形、城門洞形或馬蹄形，有壓隧洞多用圓形。進出口布置、洞線選擇以及洞身斷面的形狀和尺寸，受地形、地質、地應力、樞紐布置、運用要求和施工條件等因素制約，經過經濟技術的比較后方可確定。

因此，對于引水隧洞的質量檢驗顯得尤為重要，本文對四川GX水利樞紐工程中的引水隧洞進行設計分析。主要分析隧洞的斷面尺寸、隧洞支護設計以及隧洞的水力損失。

1 工程概況

GX水電站水庫正常蓄水位2270.00 m，相應庫容19.46萬m3，設計洪水位2269.72 m，校核洪水位2271.86 m，總庫容32.28萬m3，死水位2269.00 m，調節庫容4.88萬m3。電站裝機兩臺，總裝機容量90 MW。根據《防洪標準》(GB 50201—1994)和《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》(DL 5180—2003)的規定，GX水電站為三等中型工程。

引水隧洞布置在左岸，從進水口末端至調壓室中心線，引水隧洞全長約14 367.00 m，縱坡約0.26。

設計原則為：(1)引水隧洞屬地下建筑物，設計前應深入現場踏勘，認真收集、分析研究有關水文、泥沙、地形、地質、施工條件等有關設計資料；(2)認真復核可行性研究階段的設計成果；(3)設計應符合有關規范、標準的規定和要求；(4)充分考慮引水隧洞頻繁運行的特殊性與維護檢修的可能性；(5)隧洞襯砌按限制裂縫開展寬度設計，如滲水對環境和建筑物的安全無影響時可按開裂設計；(6)在樞紐布置時應按“一洞多用”原則，盡量將臨時建筑物改建成引水隧洞；(7)高流速引水隧洞應通過水工模型試驗確定平面布置、豎曲線進出口體型、門槽型式等[2]。

2 隧洞線路布置設計以及覆蓋層厚度

2.1 洞線以及斷面確定

引水隧洞的線路選擇設計非常的關鍵，它關系到隧洞的造價、施工難易、工程進度、運行可靠性等方面問題[3]。

隧洞的路線應盡量避開不利的地質構造，例如：圍巖可能不穩定及地下水位高、滲水量豐富的地段，以減少作用于襯砌上的圍巖壓力和外水壓力。GX水利樞紐工程引水隧洞的洞軸線與斷層破碎帶走向有較大的夾角且傾角較陡，性狀較好。進口段圍巖無較大的斷層，巖層褶皺強烈，節理裂隙發育，節理裂隙相互切割形成的不穩定塊體較小，不會造成較大危害。洞身段大部分置于微新巖體內，節理裂隙不發育，斷層破碎帶寬度較小。出口段圍巖巖體為弱風化狀，節理裂隙不發育，巖石較完整、堅硬。該隧洞的地質條件比較好[4]。

在滿足樞紐總布置要求的前提下，洞線直且宜選在地質構造簡單、巖體穩定、巖層最小覆蓋厚度滿足設計規定、水文地質條件有利施工、交通方便的地段，宜避開工程地質和水文地質條件對隧洞不利的區段。

該隧洞為圓形隧洞，對于隧洞斷面的選擇，一般可選擇馬蹄形和圓形等斷面，結合本工程實際，洞身斷面型式取決于水流形態、地質條件、施工條件及運行要求等。對于有壓隧洞一般均采用圓形斷面，圓形斷面水力條件較好，襯砌受力均勻，不易產生應力集中，且計算簡單。本設計采用的圓形斷面洞徑初步擬定D=5.5 m，根據Q=AV算出流速為V=3.28 m/s。

2.2 覆蓋層厚度以及檢驗

隧洞垂直及其側向巖體的最小覆蓋厚度根據地形地質條件、巖體的抗抬能力、抗滲透特性、洞內水壓力及支護的型式等因素來分析確定。對于有壓隧洞，洞身部位巖體最小覆蓋厚度按洞內靜水壓力小于洞頂以上巖體重量的要求確定。計算巖體覆蓋厚度應小于巖體的最小覆蓋厚度，利用公式(1)來確定。

(1)

式中：D為斷面處巖體厚度，m ；CRM為巖體最小覆蓋厚度，m；hs為洞內靜水壓力水頭，m；γω為水的容重，N/m3；γR為巖體容重，N/m3；α為河谷岸邊傾角，°；F為經驗系數，一般取1.30～1.50，本工程取1.30。

結合本工程實際進行計算得出數據，見表1。

表1 巖層斷面數據

3 洞身尺寸的確定

隧洞斷面尺寸的確定一般由技術經濟值計算后決定[5]。在隧洞過水流量己定的情況下，斷面尺寸取決于洞內流速，流速愈大所需橫斷面尺寸愈小，但水頭損失愈大，故發電隧洞的流速有一個經濟值稱為經濟流速,有壓隧洞為2.5 ～4.5 m/s，不襯砌隧洞一般小于2.5 m/s。

對于有壓隧洞初步擬定斷面尺寸時可用式(2)估算。

(2)

式中：D為圓心斷面直徑和矩形斷面的寬度，m；Q為流量，m3/s；H為作用水頭，m；

結合上式計算得出數據如表2所示。

4 隧洞支護與襯砌的類型與選擇

4.1 支護形式

錨噴支護指的是采用錨桿、噴射混凝土加固巖體的工程措施，常見形式有以下幾種[6]。

(1)噴射混凝土支護。相對于圍巖堅硬完整的隧洞，一般可采用噴射混凝土支護。在流變性較大的巖體中，為了適應較大塑性變形的需要，也可采用在噴射混凝土中摻入纖維進行支護。

表2 各隧洞斷面數據

(2)錨桿(錨束)支護。對于那些整體堅硬完整，但局部有松動塊的圍巖，一般宜采用錨桿加固，但如果松動范圍較大且較深，則需要采用錨束加固。對于局部軟弱的巖體(例如斷層，節理密集帶等)，除了施加錨桿(錨束)外，還可布設鋼筋網，并進行混凝土噴射，必要的時候還可進行固結(裂隙)灌漿加固，使破碎的巖石整體化。

(3)錨噴掛網支護。對于圍巖較完整的，一般采用錨噴支護。相對于巖體破碎、裂隙發育的圍巖，則宜采用錨噴掛網支護。

4.2 組合式支護

組合式支護一般由內、外兩層支護組合而成，或是由不同部位、不同強度、不同型式支護進行組合。外層為初期支護，多采用錨噴、掛網、鋼拱架或格柵拱架等單一或組合支護。內層為二次襯砌，一般可采用混凝土、鋼筋混凝土或鋼板襯砌。

對于內水外滲或外水內滲危及圍巖和相鄰建筑物的安全、惡化自然環境、影響輸水功能發揮的水工隧洞，則需要采用鋼板襯砌。

針對防止隧洞滲漏，國外也有應用素混凝土加聚氨乙烯 (PVC) 板做襯砌。在隧洞內先噴一層混凝土(5～6 cm) 或先澆一層混凝土(15～25 cm) 然后鋪設聚氯乙烯板，建筑內層混凝土并對聚氨乙烯板兩側進行灌漿。采用素混凝土加聚氯乙烯板作為隧洞襯砌，施工快，造價較低，防滲效果好。但對施工技術有較高的要求，需要較有經驗的施工隊伍才能達到滿意的效果。

5 水力計算

5.1 攔污柵局部水頭損失

攔污柵局部水頭損失計算公式(3)如下：

(3)

式中：ξ2為攔污柵局部水頭損失系數；β為與柵條有關的系數，為1.83；δ為柵條厚度，9 mm；b為柵條凈距,85 mm；α為攔污柵與水平面相交傾角,取90°；k為水頭修正系數，取1.1。

本案例中存在一個攔污柵，其局部水頭損失hj計算如下：

(4)

計算得：hj=0.13 m。

5.2 沿程水頭損失

根據水力學可知沿程水頭損失公式(5)如下：

(5)

式中：hf為沿程水頭損失，m;l為隧洞長度，m；Q為設計引用流量，取值78.10 m3/s；n為管道糙率,取0.014；R為水力半徑D/4，m;A為隧洞斷面面積，m2。

根據公式(5)，對隧洞各段進行沿程水頭損失的計算，見表3。

5.3 水頭損失驗算

根據《水力學(第4版)》(高等教育出版社)總水頭損失公式(6)：

hw=∑hf+∑hj

(6)

式中：hw為總水頭損失，m；hj為局部水頭損失，m。

該引水隧洞中的水頭h=引水隧洞進水口水頭高-出水口水頭高=2270.00-2112.00=158.00 m，水頭損失占總水頭的hw/h=15.34÷158.00=9.7%，水頭損失不超過總水頭的15%為合格，本設計中的水頭損失占總水頭的9.7%，符合要求。

表3 隧洞各段延程水頭損失

6 結 論

(1)結合工程實例進行了引水隧洞的大致設計思路以及設計檢驗。

(2)結合公式的推演，直觀展示隧洞設計過程，為讀者提供良好的閱讀思路。

(3)就引水隧洞主體設計進行簡要闡述說明，實際工程中存在更為復雜的情況需要更多設計準備。