某水電站引水隧洞線路及洞徑設計

劉嫦娥，展巍巍，牟春來

(長江水利委員會長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

國外某水電站采用低壩長引水集中水頭發電，工程為三等中型工程。引水發電系統布置于右岸山體內，額定水頭630 m，額定流量38 m3/s安裝2臺沖擊式水輪發電機。引水發電主要建筑物由進水口、引水隧洞、調壓井、地下廠房、主變洞、母線洞、電纜洞、交通洞、尾水隧洞、戶外開關站等組成。引水洞長約16 km，采用兩機一洞，平面上沿山體地形近似平行河谷布置。立面上由低壓引水洞、調壓井、上彎段、豎井段、下彎段、高壓引水洞(斜管段)、岔管和支管段組成，調壓井位于低壓引水洞尾部。廠房采用地下廠房型式，布置在調壓井下游。

1 工程地質條件

工程區屬高山峽谷地貌，山勢雄偉，地勢陡峻，植被茂密。區內溝脊相間，山脊總體走向305°～325°，受溝谷深切，地形完整性差。區內山頂高程1 700～3 000 m，最高高程3 075 m，最低高程748 m位于尾水區河床部位。山體地形坡度一般30°～45°，局部為陡崖。河兩側支溝多以大角度與其交匯，支溝常年有水，水流急速，沖溝沿線多有跌坎。

工程區主要分布有板巖、片巖、花崗巖閃長巖三類巖體，為弱-微透水巖體。第四系孔隙水賦存于崩坡積、殘坡積等孔隙內，為第四系孔隙水含水層。基巖淺部為風化巖體中賦存的裂隙水含水層，與上部孔隙水含水層之間存在較強的水力聯系。風化帶以下微新巖體裂隙、層面和斷層等構造帶為地下水的存儲空間和運移通道，富水程度和透水性主要取決于斷層的規模、性狀及巖石性質和裂隙的發育程度等，巖體中的層面、裂隙、斷層等結構面形成網絡式的地下水運移通道。因此其地下水形式主要為網狀的裂隙水。局部長大裂隙交切部位或斷層帶有脈狀透水帶分布。

2 引水隧洞洞線布置

2.1 洞線布置原則

引水隧洞的洞線布置一般需滿足以下原則[1]：

1)洞軸線盡量與巖層走向、斷層走向、主裂隙發育方向大角度相交；

2)保障水流順暢，洞線盡量短；

3)隧洞埋深在滿足覆蓋深度要求條件下，低壓洞段高程宜盡量抬高，降低洞內內水壓力；

4)隧洞盡量布置于完整巖體內；

5)洞線利于施工支洞的布置。

2.2 洞線方案擬定

綜合考慮進水口、地下廠房、調壓井位置及地形地質條件，初步擬定兩條比選線路，如圖1所示。

圖1 引水洞洞線布置圖

兩種方案的進水口、調壓井位置一致。方案一凹進山體，方案二在方案一基礎上靠近河方向移動約100～200 m。

2.3 方案比選

對比方案一和方案二，有：

1)兩方案隧洞斷面一致，均能滿足隧洞輸水流量要求。

2)兩方案地形地質條件基本相同，均滿足覆蓋厚度及隧洞整體圍巖穩定要求。

3)方案二相較方案一施工支洞長度可大大減小，洞線縮短約300 m，工程量小。

4)方案二較方案一而言Ⅰ、Ⅲ類巖體洞段略有減少，Ⅱ、Ⅳ類有所增加，Ⅴ類巖洞段大大減小，支護工程量相對較小。兩方案引水洞圍巖類別見表1。

表1 不同引水洞軸線圍巖類別情況表

由表1可知，綜合比較方案一和方案二，從節省工程量、降低工程造價的角度考慮，方案二較為合適。

2.4 隧洞埋深計算

引水隧洞為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力的要求確定。可根據下列公式計算：

(1)

式中：CRM為巖體最小覆蓋厚度(不包括全、強風化厚度)，m；hs為洞內靜水壓力水頭，m；rw為水的重度，N/m3；rR為巖體重度，N/m3；α為河谷岸邊邊坡傾角(°)，α>60°時取α=60°；F為經驗系數，取1.3～1.5，在本次計算中取F=1.4。

計算得到隧洞各控制點(隧洞拐彎點、沖溝淺溝處)埋深要求如表2所示。

3 引水隧洞洞徑比選

低壓引水隧洞從閘門豎井起，全長14 km，兩機一洞，斷面為馬蹄型，前期擬定洞徑5.7 m。低壓引水洞尾部設調壓井，調壓井后設壓力豎井，豎井通過彎管段與低壓引水洞連接；豎井長上部1/3范圍采用砼襯砌(內徑3.8 m)，下部2/3范圍采用鋼襯(內徑3 m)，壓力豎井通過下彎段接高壓隧洞岔管段，直徑1.6～2.2 m，兩條支管分別長69 m和71 m。

表2 引水隧洞覆蓋層埋深計算 m

結合本電站的引水線路長度、單機引用流量及初步調保計算等，擬定下列七個洞徑進行比選，4、4.3、4.8、5.1、5.4、5.7、6 m，各方案引水隧洞特征參數見表3。

由于引水隧洞Ⅰ類圍巖采取無支護方式，為了防止巖石沖刷，洞內水流速不宜太大。據工程經驗及數據統計，水頭損失一般宜控制在總水頭的3%左右[2-3]。洞徑4、4.3 m時水頭損失太大，經濟性明顯較差。其余各方案經濟敏感性分析計算結果如表4。

表3 引水隧洞不同洞徑特征參數計算表

表4 引水隧洞不同洞徑經濟敏感性分析計算表

由表4的計算結果可以看出，多年平均發電量隨著洞徑增大而依次增加，在單位電量投資上各方案差別不大。在保證發電量的同時，考慮采用較低的流速[4]，因此，本階段采用洞徑5.7 m。

4 結 語

國外某電站引水隧洞距離長、埋深大，裂隙及斷層發育，地應力水平相對較高，引水隧洞的線路及管徑選擇對輸水流量、覆蓋層厚度、圍巖穩定、施工條件和工程投資工期控制影響較大，也是隧洞工程設計成敗的關鍵因素[5]。

本文基于水電站所處的基本地質條件，通過對不同的隧洞線路進行深入地比較分析，確定了既滿足工程安全又經濟合理的隧洞線路；同時，通過系統對比流量、過水斷面面積、過水流速、水頭損失、經濟敏感性等控制性因素，最終確定了引水隧洞的洞徑5.7 m，可為同類型引水隧洞工程設計提供參考。