抽蓄電站輸水系統(tǒng)襯砌型式比選

摘要：在抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，較長(zhǎng)的引水隧洞采用不同的隧洞襯砌型式輸水系統(tǒng)對(duì)造價(jià)有著較大的影響，因此隧洞襯砌型式的選擇尤為重要。以某抽蓄電站輸水發(fā)電系統(tǒng)為例，基于“挪威經(jīng)驗(yàn)”準(zhǔn)則、最小地應(yīng)力準(zhǔn)則和滲透穩(wěn)定準(zhǔn)則，闡述了抽蓄電站輸水系統(tǒng)襯砌型式比選的設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：抽蓄電站;輸水系統(tǒng);隧洞襯砌

1 概述

本文介紹的抽蓄電站輸水線路總長(zhǎng)度為3 178 m，距高比為6.00。引水隧洞采用“一管兩機(jī)”布置型式為4臺(tái)機(jī)供水。1#、2#引水隧洞主洞主要包括上庫(kù)進(jìn)/出口、上平段、上游調(diào)壓室、上斜井段、中平段、下斜井段及下平段，主洞總長(zhǎng)（至岔管）為2 184.53 m，中心間距為27.5～47.95 m，上平段設(shè)計(jì)縱坡4.47%。引水隧洞主洞初擬采用變徑的型式，洞徑隨內(nèi)水壓力的增大逐級(jí)縮小，初擬洞徑為6.8 m→6.4 m→6.0 m→4.8 m，經(jīng)鋼岔管分為4條引水支洞，洞徑均為3.4 m。

2 工程地質(zhì)條件

引水隧洞上平段進(jìn)口底板高程2 202 m，末端高程2 140.41 m。上覆巖體厚度50～276 m，基巖巖性為花崗巖，局部夾有砂巖捕擄體，成條帶狀，巖石堅(jiān)硬完整，上平段起始260 m為弱風(fēng)化巖體，其后為微新巖體。斷層不發(fā)育，但裂隙發(fā)育3組：①組走向NE60°～80°，傾向SW或NE，傾角75°～82°;②組走向NW300°～325°，傾向SW，傾角5°～35°;③組走向NW300°～330°，傾向SW，傾角75°～81°。其中①組、②組較發(fā)育，③組發(fā)育較少，裂隙特征同上水庫(kù)東庫(kù)址壩址，多為硬性結(jié)構(gòu)面。未見(jiàn)地下水出露，巖體透水性為弱至中等。圍巖類別在弱風(fēng)化段以Ⅲ類為主，裂隙密集帶見(jiàn)少量Ⅳ類，圍巖穩(wěn)定性較差，而微新巖體段則有Ⅱ類，主要為Ⅲ類，圍巖穩(wěn)定性較好。

上斜井段高程2 141.41～1 899 m，斜角60°，應(yīng)為低至中等壓力洞段。上覆巖體厚度190～407 m，基巖為花崗巖。推測(cè)斷裂構(gòu)造主要以小斷層及裂隙節(jié)理為主，斷層一般寬度小于20 cm，裂隙、節(jié)理一般成組發(fā)育，發(fā)育間距10～50 cm。巖體呈塊狀，局部呈次塊狀至碎裂狀。主要的不利結(jié)構(gòu)面組合為②組與其他中陡傾角結(jié)構(gòu)面切割組成，主要的不穩(wěn)定塊體分布在洞頂部位及右壁，形成局部掉塊或小面積的塌塊。該洞段后段位于地下水位以上，一般呈滴水或脈狀。圍巖類別以Ⅲ類為主，還有少量Ⅱ類和Ⅳ類圍巖。

中平段高程1 899 m，應(yīng)為中等壓力洞段。上覆巖體厚度416～420 m，基巖為花崗巖。斷裂構(gòu)造主要也以小斷層及裂隙節(jié)理為主，斷層一般寬度小于20 cm，裂隙、節(jié)理一般成組發(fā)育，發(fā)育間距10～50 cm。巖體呈塊狀，局部呈次塊狀。主要的不利結(jié)構(gòu)面組合為②組與其他中陡傾角結(jié)構(gòu)面切割組成，主要的不穩(wěn)定塊體分布在洞頂部位及右壁，形成局部掉塊或小面積的塌塊。該洞段可能位于地下水位以下，地下水位高于洞頂10～20 m，地下水為基巖裂隙水，主要賦存在斷層帶及裂隙密集帶中，一般呈滴水或脈狀，局部斷層帶可能存在集中性涌水現(xiàn)象，推測(cè)流量達(dá)10～52 L/min。圍巖類別以Ⅲ類為主，還有少量Ⅱ類和Ⅳ類圍巖。

下斜井段高程1 899～1 655 m，斜角60°，應(yīng)為中至高等壓力洞段?；鶐r為花崗巖。斷裂構(gòu)造主要以小斷層及裂隙節(jié)理為主，斷層一般寬度小于20 cm，裂隙、節(jié)理一般成組發(fā)育，發(fā)育間距10～50 cm。巖體呈厚層狀，局部呈次塊狀。主要的不利結(jié)構(gòu)面組合為②組與其他中陡傾角結(jié)構(gòu)面切割組成，主要的不穩(wěn)定塊體分布在洞頂部位及右壁，形成局部掉塊或小面積的塌塊。該洞段位于地下水位以下，地下水位高于洞頂10～210 m，地下水為基巖裂隙水，主要賦存在斷層帶及裂隙密集帶中，一般呈滴水或脈狀，局部斷層帶可能存在集中性涌水現(xiàn)象，推測(cè)流量達(dá)10～20 L/min。圍巖類別以Ⅲ類為主，還有少量Ⅱ類和Ⅳ類圍巖。

下平段及岔管段上覆巖體厚度595～646 m，基巖為花崗巖。未見(jiàn)大的斷層發(fā)育，斷裂構(gòu)造主要以小斷層及裂隙節(jié)理為主，斷層一般寬度小于20 cm，裂隙、節(jié)理一般成組發(fā)育，發(fā)育間距10～50 cm。巖體呈厚層狀，局部呈次塊狀。主要的不利結(jié)構(gòu)面組合為②組與其他中陡傾角結(jié)構(gòu)面切割組成，主要的不穩(wěn)定塊體分布在洞頂部位及右壁，形成局部掉塊或小面積的塌塊。該洞段位于地下水位以下，地下水位高于洞頂180～210 m，地下水為基巖裂隙水，主要賦存在斷層帶及裂隙密集帶部位。地下水活動(dòng)可能較強(qiáng)，集中性涌水現(xiàn)象也可能較多，推測(cè)流量達(dá)30～60 L/min。圍巖類別以Ⅲ類為主，還有少量Ⅳ類圍巖，圍巖成洞條件較好，穩(wěn)定性較好。

3 引水隧洞襯砌型式分析

由于本工程引水隧洞較長(zhǎng)，采用不同的隧洞襯砌型式輸水系統(tǒng)對(duì)造價(jià)有著較大的影響，因此隧洞襯砌型式的選擇尤為重要。

從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)講，深埋隧洞充分利用圍巖的彈性抗力，不襯或采用鋼筋混凝土襯砌是比較經(jīng)濟(jì)的，但是不襯砌隧洞的前提條件是隧洞圍巖地質(zhì)條件較好，同時(shí)滿足“挪威經(jīng)驗(yàn)”準(zhǔn)則、最小地應(yīng)力準(zhǔn)則和滲透穩(wěn)定準(zhǔn)則。下面根據(jù)三大準(zhǔn)則分析論證隧洞襯砌的必要性。

3.1? ? 隧洞圍巖覆蓋厚度計(jì)算

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5195—2004）規(guī)定，有壓隧洞的洞身部位巖體最小覆蓋厚度，按洞內(nèi)靜水壓力小于洞頂以上巖體重力的要求確定。按下式計(jì)算：

式中，CRM為巖體最小覆蓋厚度（不包括全、強(qiáng)風(fēng)化厚度）;hs為洞內(nèi)靜水壓力水頭;γw為水的重度;γR為巖體的重度;α為河谷岸邊邊坡傾角，α>60°時(shí)，取α=60°;F為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取1.3～1.5。

1#～2#高壓管道洞身巖石覆蓋厚度計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示。

3.2? ? 相鄰隧洞考慮一條檢修、一條運(yùn)行時(shí)的靜水頭與滲徑比值

兩條引水道上平段、中平段及下平段考慮一條隧洞檢修另外一條運(yùn)行時(shí)的靜水頭與滲徑比值如表3所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，1#、2#引水隧洞從中平段、后半段開(kāi)始，洞身巖體最小覆蓋厚度已不能滿足規(guī)范要求的不襯砌隧洞K（經(jīng)驗(yàn)參數(shù)）=1.3～1.5的要求。

3.3? ? 應(yīng)用最小主應(yīng)力準(zhǔn)則分析

最小主應(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”的概念基礎(chǔ)上，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應(yīng)大于該點(diǎn)洞內(nèi)靜水壓力，并有一定的安全系數(shù)，防止發(fā)生圍巖水力劈裂破壞。該準(zhǔn)則是在提出和修改“挪威經(jīng)驗(yàn)”準(zhǔn)則的同時(shí)，為了求得更合理、更通用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，由挪威提出的：

式中，σmin為隧洞周邊圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)最小主應(yīng)力;γ為水的容重;hi為最大靜水頭;Kf為安全系數(shù)。

目前國(guó)內(nèi)已建、在建和待建的高水頭電站中最小主應(yīng)力與最大靜水頭的比值均大于1.2。

3.4? ? 應(yīng)用圍巖滲透準(zhǔn)則分析

無(wú)論是“挪威經(jīng)驗(yàn)”準(zhǔn)則，還是最小地應(yīng)力準(zhǔn)則，都是從受力角度考慮問(wèn)題，而未考慮圍巖的抗?jié)B性。雖然最小地應(yīng)力水平與圍巖的抗?jié)B性關(guān)系密切，但不夠全面。圍巖的穩(wěn)定臨界壓力大小、允許的滲透梯度、滲漏量大小和滲漏量隨時(shí)間的變化是確定能否采用鋼筋混凝土襯砌的關(guān)鍵。

圍巖滲透準(zhǔn)則：由于巖體內(nèi)存在節(jié)理裂隙，而裂隙中又往往有夾泥或碎屑物填充，當(dāng)隧洞襯砌開(kāi)裂，在一定壓力的滲透水長(zhǎng)期作用下，巖體有可能會(huì)產(chǎn)生滲透變形沖蝕破壞，因此滲透準(zhǔn)則的原理是要求檢驗(yàn)巖體及裂隙的滲透性能否滿足滲透穩(wěn)定要求。我國(guó)規(guī)范尚未制定出對(duì)高壓隧洞圍巖滲透性的判別準(zhǔn)則。法國(guó)EDF公司一般以透水率2Lu作為界限。當(dāng)圍巖的透水率大于2Lu時(shí)，必須采用鋼襯;反之，可以采用鋼筋混凝土襯砌并輔以固結(jié)灌漿等工程措施。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，中等透水段3段，占11.1%;弱透水段15段，占55.6%;微透水段9段，占33.3%。曲線類型主要為緩變型，即流量隨壓力增大而逐漸增大，僅兩段為急變型，表明岔管段巖體結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，總體完整性相對(duì)較差，以弱至微透水巖體為主，局部斷裂破碎帶為中等透水。管道若采用砼襯砌，在一條高壓管道充水，另一條高壓管道放空的工況下，在高壓力水作用下，兩條高壓管道之間的巖體存在沿?cái)鄬訋?、?jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面滲透穩(wěn)定問(wèn)題，可能沿?cái)鄬訋?、?jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生高壓劈裂現(xiàn)象，滲透量顯著增大，對(duì)高壓管道的穩(wěn)定不利，岔管與廠房之間的巖體斷層和節(jié)理、裂隙也存在同樣的滲透穩(wěn)定問(wèn)題，對(duì)廠房的滲漏量影響較大。

綜上所述，1#引水隧洞、2#引水隧洞上平段至中平段中部洞身巖體最小覆蓋厚度滿足規(guī)范要求的不襯砌隧洞K（經(jīng)驗(yàn)參數(shù)）=1.3～1.5的要求，但根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試成果及類比分析判斷，引水中平洞段的最小地應(yīng)力局部已不能滿足大于1.2倍的最大靜水頭準(zhǔn)則要求。輸水發(fā)電隧洞圍巖類別以Ⅲ類為主，斷層裂隙較發(fā)育，根據(jù)高壓壓水試驗(yàn)成果，完整巖體呈弱至微透水性，但斷層、裂隙較發(fā)育段透水性顯著增大。因此，綜合考慮高壓管道水力劈裂以及滲漏問(wèn)題，從上斜井末端后高壓段采用鋼板襯砌。

4 結(jié)語(yǔ)

本文綜合考慮實(shí)際地質(zhì)條件，基于“挪威經(jīng)驗(yàn)”準(zhǔn)則、最小地應(yīng)力準(zhǔn)則和滲透穩(wěn)定準(zhǔn)則，結(jié)合水工布置條件，闡述了某抽蓄電站輸水系統(tǒng)襯砌型式比選的設(shè)計(jì)思路。根據(jù)進(jìn)一步鋼襯起點(diǎn)位置比選，本工程引水管道襯砌方式采用鋼筋混凝土襯砌+鋼板襯砌的方案，鋼襯起點(diǎn)為上斜井末端，即引水隧洞上平洞及上斜井采用鋼筋混凝土襯砌，上斜井末端至廠房采用鋼板襯砌的組合襯砌方案。

收稿日期：2020-06-02

作者簡(jiǎn)介：劉寅（1987—），男，陜西西安人，碩士，工程師，研究方向：水工結(jié)構(gòu)。