雅康高速二郎山隧道斜井引水發(fā)電可行性淺析

鄭建國 林國進 李玉文 陳行

【摘要】二郎山隧道長13.4 km，是雅安至康定高速公路的控制性工程之一。隧道運營能耗高，結(jié)合二郎山隧道運營通風方案，充分利用隧址區(qū)地形、水文、氣象等條件，運用開拓性思維，奇思妙想，在公路交通行業(yè)創(chuàng)造性的首次提出了利用康定端斜井引水發(fā)電進行節(jié)能減排的新舉措，有效降低隧道運營費用，具有較大的社會經(jīng)濟效益。

【關(guān)鍵詞】二郎山特長隧道; 節(jié)能減排; 引水發(fā)電; 斜井

【中國分類號】TV74【文獻標志碼】A

1 二郎山隧道

隨著國民經(jīng)濟快速發(fā)展，中西部及少數(shù)民族地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展差距縮小的需求，帶動了我國西部地區(qū)大型工程項目的蓬勃發(fā)展[1-3]，然而極其復雜和脆弱的地質(zhì)環(huán)境致使我國西部交通工程橋隧比高、運營耗能大、供電困難，對交通、新能源、環(huán)保提出了新課題和發(fā)展機遇[4-5]。同時，我國西部水資源十分豐富，水能是一種取之不盡、用之不竭、可再生的清潔能源[6-7]。水力發(fā)電對環(huán)境影響較小，且有利于改善交通、電力供應和經(jīng)濟發(fā)展，促進節(jié)能減排[8]。為此，充分利用建設工程地形地貌、水文、氣象條件，合理開發(fā)工程區(qū)水能進行引水發(fā)電成為推進西部地區(qū)綠色發(fā)展的重要途徑[9]。本文以雅康高速公路二郎山隧道為例，探討“隧道斜井引水發(fā)電”實現(xiàn)其節(jié)能減排的可行性。

雅安至康定高速公路通往我國及四川省西部藏族地區(qū)，是《國家公路網(wǎng)規(guī)劃》高速公路G42橫線“上海—成都”及G4218聯(lián)絡線“雅安—葉城”的重要組成部分，是連接成都至康定的重要通道，是通往藏區(qū)的重要國防線和生命線，在區(qū)域路網(wǎng)及社會經(jīng)濟發(fā)展中具有重要的地位和作用。

二郎山隧道是雅安至康定高速公路重大控制性工程之一，長約13.4 km，埋深超過1 500 m，具有極其復雜的地形條件、極其復雜的地質(zhì)條件、極其敏感的環(huán)境條件等特點。

二郎山隧道通風采用三區(qū)段送排式通風方案，分段長度為（3 680+5 320+4 406） m，雅安端風井：右線為平導（2 153 m/-0.33 %）+斜井（885 m/+14.67 %），左線為斜井（2 280 m/+13.37 %）;康定端斜井：右線斜井（1 710 m/+10.56 %），左線斜井（1 734 m/+11.09 %）。

2 二郎山隧道運營能耗分析

二郎山隧道運營能耗較大，主要為隧道運營通風和照明系統(tǒng)，設備功率8 600 kW，每年耗電量約1 400×104 kW/h，電費約98 070元，因此運用新能源、新技術(shù)進行節(jié)能減排意義重大（表1）。

根據(jù)交通部《公路水路交通運輸節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》，“在公路基礎設施建設和運營領域，積極組織開展先進適

用節(jié)能減排技術(shù)的推廣應用工作，降低能耗與排放水平”，“公路隧道節(jié)能減排技術(shù)改造與應用，大力推進太陽能、風能等可再生能源應用”。切實響應國家節(jié)能減排政策，二郎山隧道利用康定端斜井進行引水發(fā)電，有效降低隧道運營費用，具有較大的社會經(jīng)濟效益。

3 利用康定端斜井引水發(fā)電

3.1 建設條件

二郎山呈南北走向，為大渡河和青衣江的分水嶺。東、西坡分屬青衣江和大渡河流域。二郎山隧道進出口分別位于東坡的長河壩和西坡的五里溝。

五里溝為大渡河支流，受大氣降水（雨、雪）及冰雪融化水、地下水補給，其中主要為大氣降水補給。本流域降水量主要集中在5～10月，占年降雨量的75 %～80 %，其中又以6～9月最多，降雨日達180 d以上。

二郎山隧道出口位于五里溝溝口，康定端斜井位于五里溝上游支溝，支溝流域面積19 km2。支溝坡降大，兩岸陡峭，切割較深，呈“V”字型，因此具有“易漲易落”的特點，雨季流量大于0.8 m3/s;平水期流量較穩(wěn)定，約0.5 m3/s。旱季枯水期水量小于0.5 m3/s。

瀘定地處四川盆地到青藏高原過渡帶上，受東南、西南季風和青藏高原冷空氣雙重影響，氣候垂直差異明顯，海拔1 800 m以下地區(qū)屬亞熱帶季風氣候，為有名的干熱河谷地區(qū)。瀘定氣候冬無嚴寒，夏無酷暑，冬季干燥溫暖，季均溫度7.5 ℃;夏季溫涼濕潤，季均溫度22.7 ℃;年平均氣溫16.5 ℃，年平均無霜期279 d，年均降雨量664.4 mm。

3.2 裝機容量測算

根據(jù)五里溝支溝徑流情況以及徑流式小型水電站特點[10-13]，利用斜井可修建徑流式小型水電站，水頭高差H=192 m。采用直徑500 mm的引水管，引水管坡度11 %，水管水流速5.55 m/s，滿管流量Q=1.09 m3/s。

理論裝機容量：

N=AQH

A：出力系數(shù)A=0.6～8.5，取7.5，

則N=7.5×1.2×245=1570 kW。

此為滿管發(fā)電裝機容量，根據(jù)支溝雨季流量流量大于0.8 m3/s計算，因此實際裝機容量可確定為1 100 kW。

3.3 年發(fā)電量測算

五里溝主要接受大氣降雨補給，降雨主要集中在5～10月，占年降雨量的75 %～80 %，降雨日達180 d以上，年均降雨量664.4 mm。斜井口支溝處流域面積19 km2，年降雨量1 262×104 m3。雨季支溝流量大于0.8 m3/s。滿負荷發(fā)電天數(shù)150 d，年發(fā)電量：

E=N×T=1100×24×150=396×104 kWh。

隧道運營期間，隧道照明系統(tǒng)設備功率為600 kW，因此利用斜井引水發(fā)電可全部滿足隧道照明用電和部分滿足隧道通風用電。

3.4 投資估算

同類型小型水電站投資為1.0萬元/kW，其中土建費用0.6萬元/kW，機電費用0.4萬元/kW。本水電站為利用斜井進行引水發(fā)電，土建費用僅為地下發(fā)電廠房和變電廠房土建費用，因此本水電站應比同類型水電站工程規(guī)模要大大降低，按0.5萬元/kW進行估算，需投資550萬元。

發(fā)電為自用電，省去上網(wǎng)審批等程序及相關(guān)費用，暫按用電0.7元/kWh計算，每年隧道運營可減少電費277萬元，2.5年即可收回投資。

根據(jù)《交通運輸節(jié)能減排專項資金管理暫行辦法》，根據(jù)項目性質(zhì)、投資總額、實際節(jié)能減排量以及產(chǎn)生的社會效益等綜合測算確定補助額度。本項目爭取申請交通運輸節(jié)能減排專項資金。

3.5 引水發(fā)電建筑物布置

二郎山隧道供電項目壩址在高速公路通風斜井出口，位于白沙溝匯入五里溝的匯合點下游150 m處。首部樞紐建筑物主要由攔河取水建筑物、暗涵、沉礫池組成。攔河壩由進水閘、沖沙閘、溢流壩建筑物組成。進水閘采用寬頂堰取水，進口寬1.5 m，設有攔污柵與進水閘門各一扇。進水閘末端后緊接暗涵，長20.0 m，為矩形箱涵結(jié)構(gòu)，底坡i=1/200，斷面尺寸b×h=1.0 m×1.5 m，采用30 cm厚的C20鋼筋混凝土襯砌。沉砂池位于箱涵末端，布置在壩址下游左岸階地上，沉砂池總長60 m，寬5 m（圖3）。

廠址定于二郎山隧洞已開挖的洞內(nèi)，為洞內(nèi)廠房。廠區(qū)建筑物主要有主廠房、高壓開關(guān)室、二次設備室、尾水渠等。考慮到進廠公路與二郎山隧洞通風斜井、壓力管道，從通風斜井（壓力管道）進入廠區(qū)，并從端部進入主廠房，安裝間布于主廠房左部，高壓開關(guān)室、二次設備室布置在主廠房右側(cè)。

4 風險控制

4.1 尾水排放

發(fā)電站尾水流量最大流量0.8 m3/s（約6.9×104 m3/d），經(jīng)隧道主洞中央排水溝排出隧道。隧道縱坡0.5 %，中央水溝尺寸120×0.75 cm，單洞水溝最大流量1.69 m3/s（約14.6×104 m3/d），雙洞水溝最大流量3.04 m3/s（約29.2×104 m3/d），出口段隧道最大涌水量約0.61 m3/s（5.3×104 m3/d）。隧道中央排水溝排水能力約29.2×104 m3/d，遠遠大于最大涌水量和引水發(fā)電尾水量（共約12.2×104 m3/d）。

為方便緊急情況下或洞內(nèi)某段維修左右洞交通轉(zhuǎn)換，二郎山隧道設置了2處大斷面洞內(nèi)聯(lián)絡道，聯(lián)絡道也設置了中央水溝。聯(lián)絡道中央水溝將左、右洞中央水溝連接起來，可調(diào)節(jié)左、右洞中央水溝流量，使左、右洞中央水溝流量更均衡，最大限度的發(fā)揮中央水溝的排泄能力。

4.2 爆管風險控制

為了有效避免引水管爆管，影響行車安全。在斜井底部設置蓄水池和導流洞，爆管水流進入蓄水池，經(jīng)導流洞直接排入中央排水溝，不會導致爆管水流進入地下風機房和隧道主洞路面。

4.3 運營管理風險

目前水電站發(fā)電、變電技術(shù)成熟，設備先進，不存在較大運營管理風險。引水發(fā)電不會對隧道運營安全產(chǎn)生風險。

5 結(jié)論

為響應國家節(jié)能減排政策，利用康定端斜井引水發(fā)電工程可行，初步測算裝機容量1 100 kW，年發(fā)電量396×104 kWh，投資約550萬元，預計2.5年收回投資。引水發(fā)電可完全滿足隧道營運照明用電和部分通風用電，具有較大的社會經(jīng)濟效益。

利用斜井引水發(fā)電，運用開拓性思維，奇思妙想，在公路交通行業(yè)創(chuàng)造性的首次提出了利用康定端斜井引水發(fā)電進行節(jié)能減排的新舉措，將水電和公路交通建設聯(lián)系起來，有效降低隧道運營費用，具有較大的社會經(jīng)濟效益，同時為公路交通行業(yè)節(jié)能減排提供了新思路、新舉措。

依此為鑒，打破常規(guī)，開拓思維，希望能提出更多、更好的隧道建設新技術(shù)、新工藝。所有這一切都賦予了小水電新的歷史使命，為小水電的發(fā)展提供了廣闊的空間。

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