抽水蓄能電站高水頭淺埋隧洞的設計研究

文／蔣天偉 上海勘測設計研究院有限公司四川分公司 四川成都 610000

引言：

2020年9月22 日，我國在75屆聯合國大會一般性辯論會上宣布了中國力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。抽水蓄能電站作為清潔能源的儲能設施，近幾年抽水蓄能電站的快速發展，電站建設條件的多樣化、復雜化，輸水系統不具備深埋的地形地質條件時，采用淺埋隧洞，需對淺埋隧洞進行研究，保證輸水系統的穩定運行，保證電站的安全[1］。

1、太和抽水蓄能電站輸水系統概述

重慶太和抽水蓄能電站裝機容量1200MW。電站樞紐由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房及開關站等主要建筑物組成。上水庫正常蓄水位935.00m，死水位905.00m，校核洪水位總庫容672.9萬m3，上水庫大壩初選混凝土面板堆石壩，最大壩高52m（趾板處）。下水庫正常蓄水位383.00m，死水位356.00m，校核洪水位總庫容814.2萬m3，下水庫大壩初選混凝土面板堆石壩，最大壩高82m（趾板處），單機額定流量為63.26m3/s，額定水頭為545m。

輸水線路總長約（沿 4#機）2979.39m，其中引水系統長2216.54m，尾水系統長762.85m。輸水系統布置于上水庫與下水庫右岸之間的山體內，采用尾部式地下廠房，輸水發電線路水平距離2744m，距高比L/H=4.98。

輸水線路總長約（沿4#機）2979m，其中引水系統長2216m，尾水系統長763m。

2、電站引水隧洞地形地質條件

輸水線路長度為2.98km，沿線山體雄厚，地形較完整，為一天然斜坡地，沿線地面高程在323.00～941.00m之間，沿線地表坡度上緩下陡，上部邊坡坡度10°左右，坡腳坡度約25°。沿線整體沖溝不發育，僅在尾水隧洞拐彎處有19#沖溝穿過，切深約20m～40m，溝底寬約6m～8m，為季節性流水，下部洞線埋深約63m。

沿線基巖多裸露，覆蓋層僅為分布在地形緩坡處的殘坡積含碎石粉質粘土，坡腳的崩坡積碎石土，厚度一般均小于5m。下伏基巖主要為侏羅系自流井組珍珠沖段（J1zz）頁巖、泥質粉砂巖、泥巖夾石英砂巖和三疊系上統二橋組（T3e）巖屑石英砂巖。其中，泥巖以中厚層狀為主，為軟巖；頁巖以薄片狀為主、泥質粉砂巖以中厚層狀為主，皆為較軟巖；石英砂巖一般以夾層狀發育，中厚層狀，為堅硬巖；巖屑石英砂巖，以中厚層狀為主，為堅硬巖。地表基巖多呈強風化狀，隧洞穿越地層多呈微新狀，少部分呈弱風化狀。

輸水發電系統所在岸坡地層為單斜地層，巖層走向整體變化不大，傾角從上到下逐漸變陡，產狀整體為N32～55°E/NW∠7～30°。隧洞沿線未見斷層發育。

輸水發電系統全部位于二橋組巖屑石英砂巖內，大部呈微風化，僅局部呈弱風化狀。經地質測繪及勘探揭示，巖屑石英砂巖中局部夾深灰色泥質粉砂巖夾層、煤線夾層和順層擠壓錯動帶，總體占比近5～10%。巖屑石英砂巖以中厚層狀為主，巖體以較完整為主，為堅硬巖；泥質粉砂巖以中厚層為主，失水易干裂，巖體以較完整為主，為較軟巖，該層內易發育擠壓錯動帶；煤線夾層厚度一般約1～5mm，發育不規則，易尖滅，整體連續性差；擠壓錯動帶，帶寬一般為1cm～5cm，帶內組成物質為巖塊、巖屑和泥質，巖塊粒徑1cm～4cm為主，含量約占10%～20%，巖屑多為粗砂，泥質成分為軟塑狀粉質粘土，含量約為50%。錯動帶主要為泥夾巖屑型，少量錯動帶為泥化夾層，巖塊、巖屑極少。

經地質測繪揭示，推薦線路輸水發電系統沿線未見泥石流、大范圍崩塌、滑坡等不良物理地質現象。

引水系統沿線上覆巖體厚度約53～300m，圍巖主要為三疊系上統二橋組（T3e）巖屑石英砂巖。巖屑石英砂巖以中厚層狀為主，中細粒～中粗粒結構，以弱～微透水為主，局部巖體破碎或錯動帶發育段，具中等透水性。

輸水隧洞圍巖初步判斷以Ⅲ類為主，局部擠壓錯動帶、裂隙密集帶和小斷層等發育部位，巖體破碎，圍巖不穩定，圍巖類別為IV～V類，需加強支護處理，具備地下洞室群成洞條件。巖體破碎段可能會遇到較大地下水，需做好引、排水措施。

3、電站引水隧洞布置

引水系統采用一洞兩機方式，平面上采用直線布置，軸線方向 NW49.54°，立面上采用三級平洞兩級斜井，由隧洞上平段、上斜井段、中平段、下斜井段及下平段組成，采用正向進廠的形式向4臺機組供水。自上水庫事故閘門后至廠游邊墻處均采用鋼板襯砌，主廠房上游邊墻約90.6m處設非對稱卜型鋼岔管，其后接4條高壓鋼支管，正向進廠，分別與4臺機組相連。引水線路軸線間距為40.0m。為避免上平洞末端產生負壓，上平洞底坡i=10%，上平段長294.11m，隧洞中心高程從839.12m-811.39m，上平段末端采用一半徑為50m的轉彎段與上斜井銜接；引水隧洞上平段，開挖采用平底馬蹄形斷面，過水斷面為圓形，洞徑為7.0m，回填混凝土厚度0.7m；上斜井高程從811.39m-613.84m，斜井傾角50°，斜井長度（包括上下彎管）為294.49m，斜井挖斷面為圓形，過水斷面為圓形，洞徑為7.0m，回填混凝土厚度0.7m；中平段長度740.60m，為與巖層分布相適應，隧洞縱坡底坡采用i=10%，隧洞中心高程從613.84m-536.10m，中平段開挖斷面為平底馬蹄形，過水斷面為圓形，中平段首端洞徑由7.0m漸變至6.0m，回填混凝土厚度0.7m，平段首尾端采用一半徑為50m的轉彎路段與上、下斜井銜接；下斜井高程從536.10m-290.96m，斜井傾角50°，斜井長度（包括上下彎管）為357.44m，斜井挖斷面為圓形，過水斷面為圓形，洞徑為6.0m，回填混凝土厚度0.7m；下平段長度266.40m，隧洞中心高程從290.96m至276.00m，下平段開挖斷面為平底馬蹄形，過水斷面為圓形，為減小岔管PD值，下平段至岔管前50.0m處，洞徑由6.0m縮小為5.0m，回填混凝土厚度0.7m，下平段首端采用一半徑為50m的轉彎段與下斜井銜接。引水鋼支管管徑4.0m，在廠房上游側漸變至2.2m，與球閥上游延伸段相接。引水鋼岔管采用非對稱“卜”型月牙肋岔管，分岔角 70°，主管直徑5.0m，支管直徑4.0m。在引水隧洞鋼襯洞段下平洞設置一層排水廊道。引水下平洞頂部設排水廊道一層，為兩橫三縱布置，與廠房頂層排水廊道銜接。排水廊道采用城門洞形，斷面尺寸為 3.00m×3.50m（寬×高）。為有效降低鋼管外水壓力，排水廊道頂部斜 45°設置人字形排水孔。

4、淺埋隧洞破壞類型與特征

淺埋水工隧洞常見破壞的原因有隧洞規模和圍巖初始應力狀態，還取決于施工方法與設計技術等各種因素。以下列舉錯動滑移、洞底隆起、塌落這幾方面。

4.1 錯動滑移

此類破壞是由于施工方法不當造成的，常發生在隧洞的砌筑體中，規模較小的水工隧洞斷面面積通常比較小，一般采用全斷面的光面爆破掘進法進行開挖。全斷面開挖一般適用于圍巖完整、巖體堅硬的條件。而質地松軟的圍巖，對規模較小的隧洞斷面，局限的受施工作業面也導致采用全斷面的掘進法。對質地松軟的圍巖，尤其是Ⅴ類圍巖，圍巖自身的穩定性差，水工隧洞成形困難，工程實際中常要求采用邊開挖邊支護的方法，雖然這樣，在隧洞施工中依然無法避免不同程度塌方現象的發生[2]。

4.2 洞底隆起

此種破壞時常發生于水工隧洞側墻持力層承載力不夠的情形下，為維持它的穩定與防止變形，就需要襯砌，當墻基的持力層強度不夠時便會產生剪切和破壞，墻體從而刺入地基內且向洞內發生擠壓，造成洞底隆起。

4.3 塌落

此類破壞發生于層狀巖體的隧洞頂拱，頂拱易產生拉應力集中，且其值超過圍巖抗拉強度的時候，頂拱的圍巖就發生拉裂破壞的現象，尤其是對應隧洞垂直裂隙時，即使產生的拉應力很小，也可導致圍巖拉裂從而產生垂直的拉裂縫，削弱頂拱圍巖的穩定性，然后導致頂拱塌落。

5、水工高水頭隧洞設計中存在的問題

目前，我國水工高壓隧洞設計還沿用1985年開始實施的（SD134 84）《水工隧洞設計規范》，當時國內＞150m水頭的隧洞還不多見。隨著抽水蓄能電站的發展，大直徑、高水頭的水工隧洞不斷增多，該規范已不大適應設計要求，主要存在以下幾方面問題：（1）規范中大多假定圍巖是無限均勻、各向同性的彈性介質，在承受內水壓力作用前無初始應力，這與實際情況明顯不符。在隧洞開挖前，圍巖內存在初始的應力場，開挖后，洞周應力釋放，將形成二次應力場。（2）圍巖的彈性抗力系數大多根據試驗資料，結合地質調查和經驗確定，受人為主觀意識的影響，通常偏于保守。（3）規范中假定圍巖是無初始應力、無自重、無節理、能承受拉應力的無限體，則由彈性力學分析，圍巖厚度大于三倍洞徑后就可以認為無限厚，并且覆蓋層厚度也與計算結果無關，這也與實際情況不符。（4）規范要求的襯砌裂縫寬度≤0.2～0.3mm過于嚴格，因為巖體中的節理裂隙是普遍存在的，既然不襯砌隧洞都能安全運行，就沒有理由對透水襯砌的裂縫寬度如此嚴格限制，根據廣州抽水蓄能電站一期工程的經驗可放寬到0.3～0.5mm。（5）采用規范中的方法進行限裂設計顯然不妥。隧洞襯砌不同于明管，襯砌受圍巖約束并與之相互作用，受圍巖地質特性和襯砌強度不均一性等因素影響，其受力狀況以及裂縫發生和發展的規律不同于一般水工鋼筋混凝土結構。（6）在設計襯砌配筋時，鋼筋應力計算值很高，但按已不允許開裂或限制裂縫寬度進行校核，如果鋼筋應力真如計算的那么高，則混凝土早就開裂了，因此配筋計算與限裂校核自相矛盾。

目前，各國建設抽水蓄能電站的地下高壓管道所用襯砌，就其數量來說，以鋼襯砌、混凝土或鋼筋混凝土襯砌（加或不加預應力）為多，也可采用設有薄形止水層的混凝土襯砌以及少數不襯砌的。決定采用何種襯砌，主要根據管道所承受的內、外水壓力，管道所在的工程地質條件、埋置深度、圍巖地應力、施工條件以及各國的設計習慣而定。巖石好、埋藏深的壓力管道，可以采用混凝土襯砌或者不用襯砌；而巖石較差、埋藏較淺的地方用鋼板襯砌。從各國壓力管道統計資料看，每個國家有不同的習慣，不完全是采用統一模式解決。

6、太和抽蓄電站高水頭淺埋隧洞的考慮

對于輸水隧洞一般采用噴錨支護、混凝土襯砌或鋼板襯砌，不同的支護類型成本相差較大，襯砌形式的選擇對投資有著舉足輕重的影響。輸水隧洞采用混凝土襯砌時，需考慮隧洞沿線的圍巖覆蓋厚度、圍巖最小地應力和圍巖滲透穩定等3個準則進行初步判定。

6.1 挪威準則

圍巖覆蓋厚度通過挪威準則進行復核，其原理是要求不襯砌隧洞最小上覆巖體重量不小于洞內靜水壓力，再考慮1.30～1.50的安全系數，保證圍巖在最大內水壓力作用下，不發生了抬。按照（NB/T10391-2020）《水工隧洞設計規范》公式 4.1.4中對巖體最小覆蓋層厚度進行復核計算。對引水隧洞各控制點分別進行計算，計算結果見表1。

表1 引水隧洞最小覆蓋厚度驗算結果表

通過計算分析，由于本工程引水管道布置于圍巖條件較好的表層砂巖中，隧洞埋深整體較淺，其中上平段、中平洞、下平段末端埋深安全系數均＜1。

6.2 滲透準則

根據（NB/T10391-2020）《水工隧洞設計規范》的條文說明中關于滲透穩定準則判別標準解釋為：（1）在設計內水壓力作用下，隧洞沿線圍巖的平均透水率q＜2Lu，或經固結灌漿后的圍巖透水率q＜1Lu。（2）Ⅱ類硬質圍巖內洞室間長期允許穩定滲透水力梯度＜10～15，Ⅲ類圍巖內洞室間長期允許穩定滲透水力梯度＜5～10。

引水系統最大靜水壓力32.8m～516m，壓力引水線路軸線間距為42.0m，相應的計算水力梯度為0.82～16.48。上平段靜水壓力95.88～123.61m，最大水力梯度3.09；上斜井段靜水壓力123.61～321.16m，最大水力梯度8.03，中平段靜水壓力321.16～398.90m，最大水力梯度9.97，下斜井段靜水壓力398.90～644.04m，最大水力梯度16.10，下平段靜水壓力644.04～659.00m，最大水力梯度16.48。引水系統均位于石英砂巖中，圍巖類別為Ⅲ類。除上平段外，均不滿足滲透穩定要求，不滿足洞段不宜采用混凝土襯砌。如表2所示。

表2 引水隧洞滲透穩定驗算結果表

6.3 最小主應力準則

本階段輸水系統未進行地應力測試，暫不采用最小主應力準則進行判斷。

綜上所述，本階段考慮引水系統采用兩級斜井布置，引水系統均布置于石英砂巖中，由于砂巖層分布與表層，引水系統大部埋深較淺，圍巖覆蓋埋深和滲透穩定安全系數均較低，因此，為確保工程安全，充分利用圍巖性能、降低高壓管道運行期的風險，參考類似超高水頭的抽水蓄能電站高壓管道結構設計經驗，本工程引水系統襯砌方式采用鋼筋混凝土襯砌+鋼板襯砌方案，鋼襯起點位置為上庫事故閘門豎井，即引水系統上平段閘門豎井前采用鋼筋混凝土襯砌，上平段閘門豎井以后采用鋼板襯砌的組合襯砌方案。下階段結合地質勘探工作的深入進一步優化高壓管道的襯砌形式。

結語：

綜上所述，抽水蓄能電站輸水系統多具有流量大、水頭高等特點，對于混凝土襯砌的隧洞需滿足規范規定的覆蓋厚度、最小地應力和圍巖的滲透穩定等3個準則，淺埋隧洞在高壓段不滿足混凝土襯砌隧洞的要求時，應考慮其他襯砌措施。