某水电站引水隧洞线路及洞径设计

刘嫦娥，展巍巍，牟春来

(长江水利委员会长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

国外某水电站采用低坝长引水集中水头发电，工程为三等中型工程。引水发电系统布置于右岸山体内，额定水头630 m，额定流量38 m3/s安装2台冲击式水轮发电机。引水发电主要建筑物由进水口、引水隧洞、调压井、地下厂房、主变洞、母线洞、电缆洞、交通洞、尾水隧洞、户外开关站等组成。引水洞长约16 km，采用两机一洞，平面上沿山体地形近似平行河谷布置。立面上由低压引水洞、调压井、上弯段、竖井段、下弯段、高压引水洞(斜管段)、岔管和支管段组成，调压井位于低压引水洞尾部。厂房采用地下厂房型式，布置在调压井下游。

1 工程地质条件

工程区属高山峡谷地貌，山势雄伟，地势陡峻，植被茂密。区内沟脊相间，山脊总体走向305°～325°，受沟谷深切，地形完整性差。区内山顶高程1 700～3 000 m，最高高程3 075 m，最低高程748 m位于尾水区河床部位。山体地形坡度一般30°～45°，局部为陡崖。河两侧支沟多以大角度与其交汇，支沟常年有水，水流急速，冲沟沿线多有跌坎。

工程区主要分布有板岩、片岩、花岗岩闪长岩三类岩体，为弱-微透水岩体。第四系孔隙水赋存于崩坡积、残坡积等孔隙内，为第四系孔隙水含水层。基岩浅部为风化岩体中赋存的裂隙水含水层，与上部孔隙水含水层之间存在较强的水力联系。风化带以下微新岩体裂隙、层面和断层等构造带为地下水的存储空间和运移通道，富水程度和透水性主要取决于断层的规模、性状及岩石性质和裂隙的发育程度等，岩体中的层面、裂隙、断层等结构面形成网络式的地下水运移通道。因此其地下水形式主要为网状的裂隙水。局部长大裂隙交切部位或断层带有脉状透水带分布。

2 引水隧洞洞线布置

2.1 洞线布置原则

引水隧洞的洞线布置一般需满足以下原则[1]：

1)洞轴线尽量与岩层走向、断层走向、主裂隙发育方向大角度相交；

2)保障水流顺畅，洞线尽量短；

3)隧洞埋深在满足覆盖深度要求条件下，低压洞段高程宜尽量抬高，降低洞内内水压力；

4)隧洞尽量布置于完整岩体内；

5)洞线利于施工支洞的布置。

2.2 洞线方案拟定

综合考虑进水口、地下厂房、调压井位置及地形地质条件，初步拟定两条比选线路，如图1所示。

图1 引水洞洞线布置图

两种方案的进水口、调压井位置一致。方案一凹进山体，方案二在方案一基础上靠近河方向移动约100～200 m。

2.3 方案比选

对比方案一和方案二，有：

1)两方案隧洞断面一致，均能满足隧洞输水流量要求。

2)两方案地形地质条件基本相同，均满足覆盖厚度及隧洞整体围岩稳定要求。

3)方案二相较方案一施工支洞长度可大大减小，洞线缩短约300 m，工程量小。

4)方案二较方案一而言Ⅰ、Ⅲ类岩体洞段略有减少，Ⅱ、Ⅳ类有所增加，Ⅴ类岩洞段大大减小，支护工程量相对较小。两方案引水洞围岩类别见表1。

表1 不同引水洞轴线围岩类别情况表

由表1可知，综合比较方案一和方案二，从节省工程量、降低工程造价的角度考虑，方案二较为合适。

2.4 隧洞埋深计算

引水隧洞为有压隧洞，洞身部位岩体最小覆盖厚度，按洞内静水压力小于洞顶以上岩体重力的要求确定。可根据下列公式计算：

(1)

式中：CRM为岩体最小覆盖厚度(不包括全、强风化厚度)，m；hs为洞内静水压力水头，m；rw为水的重度，N/m3；rR为岩体重度，N/m3；α为河谷岸边边坡倾角(°)，α>60°时取α=60°；F为经验系数，取1.3～1.5，在本次计算中取F=1.4。

计算得到隧洞各控制点(隧洞拐弯点、冲沟浅沟处)埋深要求如表2所示。

3 引水隧洞洞径比选

低压引水隧洞从闸门竖井起，全长14 km，两机一洞，断面为马蹄型，前期拟定洞径5.7 m。低压引水洞尾部设调压井，调压井后设压力竖井，竖井通过弯管段与低压引水洞连接；竖井长上部1/3范围采用砼衬砌(内径3.8 m)，下部2/3范围采用钢衬(内径3 m)，压力竖井通过下弯段接高压隧洞岔管段，直径1.6～2.2 m，两条支管分别长69 m和71 m。

表2 引水隧洞覆盖层埋深计算 m

结合本电站的引水线路长度、单机引用流量及初步调保计算等，拟定下列七个洞径进行比选，4、4.3、4.8、5.1、5.4、5.7、6 m，各方案引水隧洞特征参数见表3。

由于引水隧洞Ⅰ类围岩采取无支护方式，为了防止岩石冲刷，洞内水流速不宜太大。据工程经验及数据统计，水头损失一般宜控制在总水头的3%左右[2-3]。洞径4、4.3 m时水头损失太大，经济性明显较差。其余各方案经济敏感性分析计算结果如表4。

表3 引水隧洞不同洞径特征参数计算表

表4 引水隧洞不同洞径经济敏感性分析计算表

由表4的计算结果可以看出，多年平均发电量随着洞径增大而依次增加，在单位电量投资上各方案差别不大。在保证发电量的同时，考虑采用较低的流速[4]，因此，本阶段采用洞径5.7 m。

4 结 语

国外某电站引水隧洞距离长、埋深大，裂隙及断层发育，地应力水平相对较高，引水隧洞的线路及管径选择对输水流量、覆盖层厚度、围岩稳定、施工条件和工程投资工期控制影响较大，也是隧洞工程设计成败的关键因素[5]。

本文基于水电站所处的基本地质条件，通过对不同的隧洞线路进行深入地比较分析，确定了既满足工程安全又经济合理的隧洞线路；同时，通过系统对比流量、过水断面面积、过水流速、水头损失、经济敏感性等控制性因素，最终确定了引水隧洞的洞径5.7 m，可为同类型引水隧洞工程设计提供参考。