高壓隧洞在插草坪電站中的應(yīng)用

郭 靜， 張 中 兵

(四川省內(nèi)江水利電力建筑勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 內(nèi)江 641000)

1 引 言

插草坪水電站位于甘孜州丹巴縣境內(nèi)，屬磨子溝干流水電規(guī)劃三級(jí)開發(fā)的第二級(jí)水電站，引水式開發(fā)，在前期設(shè)計(jì)中，引水系統(tǒng)是由有壓隧洞、調(diào)壓井及壓力管道組成，隧洞雖為有壓隧洞，但是在調(diào)壓井之前，隧洞承擔(dān)的內(nèi)水壓力較小，屬于低壓隧洞。

近年來，山區(qū)電站特別是臨近自然風(fēng)景保護(hù)區(qū)的電站，由于對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，布置常規(guī)式調(diào)壓井將會(huì)受到環(huán)境保護(hù)及選址位置的制約。插草坪電站水頭高達(dá)400多m，廠區(qū)部位水頭更為集中，而廠區(qū)后坡地形陡峻，修建至調(diào)壓井、壓力管道及各施工支洞的公路困難，前期考慮的索道出碴量小，工效低，對(duì)生態(tài)環(huán)境影響也很大，因此，選擇高壓隧洞一坡到底至廠房后山體，在山體內(nèi)修建氣墊式調(diào)壓室進(jìn)入廠房的方案，既能滿足生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求，也可減少各支洞施工道路的修建，提高施工期的工期保證率。

2 高壓隧洞的布置

高壓隧洞線路原則上根據(jù)河道比降順河布置，且必須遵循“挪威準(zhǔn)則”和“初始應(yīng)力場(chǎng)最小應(yīng)力準(zhǔn)則”，保證洞身垂直和側(cè)向巖體最小覆蓋厚度，充分利用圍巖的承載力承擔(dān)隧洞內(nèi)、外水壓；同時(shí)為防止施工期洪水從支洞進(jìn)入主洞，考慮在跨溝時(shí)洞底高程高于主溝施工期水位，結(jié)合支洞以及施工進(jìn)度的安排，布置隧洞縱坡，并在適當(dāng)?shù)奈恢貌贾眯本?，保證圍巖上覆蓋厚度；高壓隧洞在各水平洞段都應(yīng)預(yù)留檢修洞，方便對(duì)隧洞洞身的檢修。

插草坪電站引水隧洞采用“一坡到底”的高壓引水隧洞形式，因受斯潘干溝、無名溝、冬特爾溝及森工局三段溝控制，平面上共設(shè)置5個(gè)控制點(diǎn)，隧洞全長(zhǎng)10 844 m，其中有694 m為洞內(nèi)埋管。隧洞進(jìn)口底板高程3 375.50 m，至隧洞出口處底板高程為2 911.60 m，整個(gè)洞段根據(jù)河道比降及施工支洞布置情況共設(shè)5個(gè)坡段和4個(gè)斜井段，斷面為圓形，直徑為4.5 m。

為運(yùn)行管理及檢修方便，在2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)施工支洞設(shè)置了手推式鋼閘門作為隧洞對(duì)外永久交通檢修通道，1號(hào)、4號(hào)施工支洞設(shè)置堵頭封堵。同時(shí)為運(yùn)行安全，攔截由取水口進(jìn)入的稀少粗粒徑泥沙，防止不襯砌和錨噴掉塊進(jìn)入機(jī)組，在樁號(hào)噴錨支護(hù)段結(jié)束處設(shè)置了集石坑。

3 高壓隧洞的襯砌

水電站的引水隧洞分為高壓洞段和低壓洞段，有關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)定，原則上砼結(jié)構(gòu)是不能承受拉應(yīng)力的，故低壓洞和高壓洞在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在顯著差別。對(duì)于低壓隧洞，Ⅰ、Ⅱ類圍巖，基本可以不襯砌，直接承載；Ⅲ類圍巖，可采用噴砼或素砼襯砌結(jié)構(gòu)承載；Ⅳ、Ⅴ類圍巖，必須采用鋼筋砼襯砌結(jié)構(gòu)承受隧洞內(nèi)外水的水壓力和圍巖壓力，防止?jié)B漏。插草坪電站高壓引水方案樁號(hào)0+000 m～2+366 m段內(nèi)水壓力低于20 m，屬于低壓隧洞段，采用的以上隧洞襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

電站樁號(hào)2+366 m～10+151 m段內(nèi)水壓力高于100 m，屬于高壓隧洞段。對(duì)于高壓隧洞，常規(guī)方式是采用鋼板襯砌，即壓力管道來承受內(nèi)外水壓力和圍巖壓力，防止高壓滲漏。根據(jù)上述高壓隧洞襯砌概念，高壓隧洞引水方式投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)有壓隧洞，沒有優(yōu)越性，因此，國(guó)內(nèi)外水電專家對(duì)高壓隧洞提出了新的設(shè)計(jì)概念：在圍巖條件較好的情況下，由圍巖來承受內(nèi)外水荷載，襯砌材料不承受或較少承受荷載，而洞線的埋深也不會(huì)增加襯砌上的荷載。

高壓隧洞必須遵循前述的“挪威準(zhǔn)則”和“初始應(yīng)力場(chǎng)最小應(yīng)力準(zhǔn)則”。挪威準(zhǔn)則是經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，其原理是要求隧洞上覆巖體重量不小于洞內(nèi)水壓力。早年，在挪威當(dāng)壓力隧洞地表巖體坡度變陡時(shí)，設(shè)計(jì)者只是簡(jiǎn)單地把所需的圍巖覆蓋厚度從靜水頭的0.6倍增加到1.0倍，結(jié)果導(dǎo)致一些工程的失敗。根據(jù)工程失敗情況進(jìn)一步研究，從而在1971年產(chǎn)生了挪威準(zhǔn)則。

式中CRM為巖體最小覆蓋厚度(不包括強(qiáng)風(fēng)化層)，hs為洞內(nèi)部水壓力水頭(m)，rw為水的重度(N/m3),rR為巖體重度(N/m3),α為地表巖體坡度，α>60°時(shí)取α=60°，F(xiàn)為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。關(guān)于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)F的取值問題，根據(jù)圍巖情況確定。

挪威按照上述準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的水工有壓隧洞已達(dá)40余個(gè)工程，在四川省也有所嘗試，因此，挪威準(zhǔn)則的可靠性在實(shí)際工程中得到了充分的證實(shí)。

最小地應(yīng)力準(zhǔn)則是建立在“巖體在地應(yīng)力場(chǎng)中存在預(yù)應(yīng)力”的基礎(chǔ)上的，其原理是要求不襯砌高壓隧洞沿線任一點(diǎn)的圍巖最小主應(yīng)力σ3大于該點(diǎn)洞內(nèi)靜水壓力，并有1.2～1.3倍的安全系數(shù)。

FrwH<σmin

式中 F為安全系數(shù)，一般取1.3～1.5，rw為水的重度(N/m3), H為最大內(nèi)水壓力手頭(m)，σmin為隧洞周邊圍巖應(yīng)力場(chǎng)最小主應(yīng)力。該準(zhǔn)則由挪威得隆漢姆大學(xué)提出，它需要通過測(cè)試了解地應(yīng)力分布規(guī)律，然后根據(jù)實(shí)測(cè)成果用有限元回歸分析得出隧洞沿線的地應(yīng)力分布，據(jù)此調(diào)整隧洞的埋深和布置。

基于上述理論，插草坪電站高壓段隧洞襯護(hù)：Ⅱ類圍巖洞身采用80 mm厚C25砼噴錨，設(shè)置隨機(jī)錨桿，錨桿長(zhǎng)3.0 m；Ⅲ類圍巖洞身采用120 mm厚C25砼噴錨，每個(gè)斷面設(shè)置8根系統(tǒng)錨桿，錨桿長(zhǎng)3.0 m，排距1.5 m，梅花形布置；Ⅳ類圍巖段洞身采用600 mm厚C25鋼筋砼的襯砌。Ⅳ類頂拱120°范圍內(nèi)回填灌漿，灌漿孔深入基巖0.1 m，排距2.5 m，單雙孔交替布置；Ⅱ、Ⅲ類圍巖段進(jìn)行高壓固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿孔，深入基巖3 m，排距3.0 m，每排8孔，梅花型布置。所有隧洞襯砌砼均添加聚丙烯抗裂纖維。

4 高壓隧洞應(yīng)注意的問題

采用兩準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)的水工隧洞，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。一是隧洞的固結(jié)灌漿，根據(jù)已建水工隧洞的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，雖然設(shè)計(jì)時(shí)滿足上述兩項(xiàng)準(zhǔn)則，但某些高壓引水隧洞可能沿圍巖裂隙發(fā)生水力劈裂，因此，研究表明，高壓引水隧洞的高壓固結(jié)灌漿尤為重要，尤其是進(jìn)、出口段、不同襯砌的連接處以及地質(zhì)缺陷段。二是高壓壓水試驗(yàn)，上述設(shè)計(jì)概念國(guó)內(nèi)剛剛發(fā)展，該理論并沒有與具體的巖石力學(xué)指標(biāo)和節(jié)理、裂隙發(fā)育特征聯(lián)系起來，而高壓壓水試驗(yàn)可以很好的獲取相關(guān)數(shù)據(jù)資料，解決圍巖裂隙發(fā)生水力劈裂的問題。

對(duì)于完整的Ⅱ類圍巖，主要承載區(qū)約為隧洞開挖直徑的0.75倍，這也是一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的灌漿深度，因此，Ⅱ類圍巖可不進(jìn)行固結(jié)灌漿；但是，在不良地質(zhì)洞段固結(jié)灌漿是必要的，根據(jù)隧洞斷面進(jìn)行灌漿孔布置，在不同襯砌的連接處以及透水率大于1 Lu的薄弱洞段需加強(qiáng)。

5 高壓隧洞與常規(guī)隧洞的比較

在插草坪電站中，對(duì)采用常規(guī)隧洞和高壓隧洞進(jìn)行了比較。

根據(jù)地形地質(zhì)條件，兩方案從布置上均可行，除隧洞埋深有差異外，線路長(zhǎng)度差異不大。

從施工條件看：常規(guī)式調(diào)壓井方案引水隧洞坡度較緩，施工期排水問題不突出，施工難度相對(duì)較?。恍陆ㄅR時(shí)公路20.1 km，其中至調(diào)壓室頂部施工道路沿線地形險(xiǎn)峻，施工難度較大。高壓隧洞方案施工道路較短，，但施工支洞較長(zhǎng)。施工臨時(shí)工程費(fèi)用方面，高壓隧洞方案略低于常規(guī)方案。

從環(huán)境影響方面看：常規(guī)式調(diào)壓井方案上山公路沿線地形險(xiǎn)峻，開挖量和棄渣量較大，對(duì)沿線地表植被的損壞和地形地貌的改變較大，也增加了水土流失治理難度與工程量，上山公路施工對(duì)工程區(qū)環(huán)境影響較大；高壓隧洞方案不需要修建難度較高的上山施工公路，比常規(guī)調(diào)壓井方案大大減少了開挖量和棄渣量，從而降低了對(duì)地表植被的損壞和地形地貌的改變，水土流失治理難度與工程量也大大降低。

從工程發(fā)電效益看：通過動(dòng)能計(jì)算，在采用相同的裝機(jī)規(guī)模前提下，兩方案的年發(fā)電量相差不大。但常規(guī)式調(diào)壓井方案工期長(zhǎng)4個(gè)月，也就晚4個(gè)月發(fā)電，發(fā)電量為9454萬kWh左右。

綜上所述，常規(guī)式方案雖施工簡(jiǎn)單，但投資略高，工期長(zhǎng)，占地大，征地相對(duì)較為困難；高壓隧洞方案雖施工相對(duì)復(fù)雜，但投資略低，工期短，最主要是對(duì)環(huán)境影響小。

6 結(jié) 語

挪威是最早使用無襯砌隧洞的國(guó)家，到1982年，已建成150 m水頭以上的無襯砌隧洞66座，在建的13座；我省也有多座高壓隧洞引水發(fā)電的成功案例，如瓦斯河流域的小天都電站、巴郎溝流域的巴郎口電站以及索子溝流域謝家溝電站等均采用的高壓無襯砌隧洞。從已經(jīng)實(shí)施的高壓隧洞來看，挪威的地質(zhì)條件一般較好，是典型的硬巖地區(qū)，巖體完整堅(jiān)硬、節(jié)理裂隙不十分發(fā)育，巖體表面風(fēng)化層的厚度一般不深，巖石的物理力學(xué)指標(biāo)均較高；而我省小天都的地質(zhì)圍巖也主要是晉江～澄江期花崗巖，因此，在地質(zhì)條件較好的地區(qū)修建高壓隧洞，同時(shí)應(yīng)對(duì)圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)最小應(yīng)力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確保圍巖能滿足不襯砌條件是可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 侯 靖 胡敏云.水工高壓隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中若干問題的討論.水利學(xué)報(bào) 2001(7)

[2] 謝曉剛.新概念在謝家溝電站高壓隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.吉林水利 2010(3)