探讨水电站引水系统隧洞设计

探讨水电站引水系统隧洞设计
作者：刘光伟
来源：《城市建设理论研究》2013年第16期
摘要:引水系统在水电站中占有重要位置，它对水电站投资和发电量均有较大影响；所以作好引水系统设计，有重要的经济意义。

关健词:水电站引水系统隧洞设计
中图分类号： TV731 文献标识码： A 文章编号：
1 洞线选择
洞线选择主要考虑4个因素:洞长要短；落差要大；地质条件要好；便于施工。

在很大程度上取决于施工条件，又反过来影响着施工的成败和经济性。

以民工人力施工的小型隧洞，宜选用多支洞的折线布置。

反之，以机械化施工的大型长隧洞，施工支洞不宜过多。

因每个支洞口均需有漫长的施工道路与洞口通风、排水、机修、生活设施与堆渣场址，这些附属设施的施工都占用关键线路上的关键时间，且费用常可达隧洞费用的20%或更多，并导致施工人员过多、管理复杂。

如某工程隧洞以1条16.1 km长的隧洞取代了原设计1条长约11km和其他3条较短隧洞、数条黄土段明渠和4条渡槽，洞线总长还缩短几百米；由于使用掘进机，不仅施工速度快而且费用节省。

这表明愈是使用先进机械化施工，使洞线往往更长而支洞更少。

我国有些泄水隧洞虽不与导流洞相结合，仍采用龙抬头方式，在斜井后接以长水平隧洞，斜井施工往往造成困难。

如果跳出以往隧洞纵坡不超过1%的框框〔这在有轨施工系统是必要的)，改用较大的纵坡，就可以省去斜井的复杂性，5%-10%的纵坡对于无轨施工通常无多大困难。

在泥质岩层向下坡方向掘进时。

掌子面前常有积水、泥质围岩浸水软化而易坍塌:如果将习惯的首部高、尾端低的斜直线纵剖面改为首段、尾段均为上坡向掘进.以及在支洞向上下游也为上坡方向掘进的折线纵剖面，就不会有浸水软化坍方问题，当然这种布置需在折线顶端钻孔排气.底端设置检修排水设施，但与施工可靠度相比，这些都是极易解决的问题。

2 衬砌型式选择
衬砌型式主要取决于地形地质条件，内水压勺力和洞径大小。

衬砌型式主要有：喷锚衬砌；纲筋混凝土衬砌；钢板衬砌。

70年代，不衬砌和喷锚衬砌较盛行、主要是施工方便、运行安全、造价低。

近年来又都趋于衬砌，其原因似担心安全。

这种担心并非必要，国内不衬砌和喷锚衬砌隧洞在运行中并无任何事故，一些不衬砌隧洞放空检查只发现顶拱个别岩块掉落在底板上.没有坍落成堆的情况.并不影响运行。

只要有足够喷锚支护，一般规模的断层并不会塌坍。

但喷锚支护并不能防渗，渗透比降较大的部位、以及闸门前后渐变段和与调压井支洞的分岔部位仍应采用混凝土衬砌，岩溶地区也宜采用混凝土衬砌。

一般洞顶覆盖岩层厚度大于1.0 H(内水头)，侧向厚度大于3. 0 H时，都宜考虑不衬砌或喷锚衬砌；洞顶覆盖岩层小于0.4 H ,侧向厚度小于1.0H时，以及闸门前后一定长度的渗透比降过大部位，宜采用钢筋混凝土衬砌。

水电站压力管道通常采用钢板衬砌。

但井不一定都需如此，某水电站压力管道破裂，通常都认为是没有钢板衬砌的后果。

实际情况并非如此、该电站压力管道上半段是钢筋混凝土衬砌，下半段是钢板衬砌，二者连接处水头为84m外围岩层律约18 m。

围岩质量较好。

地质入员认为围岩结构并未破坏，只是节理充填物被冲刷，管道周围附近围岩也只是局部被混凝土衬砌牵引而破坏。

破损段还在钢板与混凝土接头处，混凝土衬砌损坏段长约2m，钢板段破坏长约1 m，其上下部位仍然完好。

从破坏形状看来、不是钢筋混凝土衬砌径向破裂而是环向破坏，因此不是环向钢筋混凝土强度不够、而是轴向钢筋与钢板没有焊接所致。

因此不能认为钢筋混凝土衬砌不能用于覆盖岩层较薄的场合；但是钢筋混凝土衬砌难免渗漏，在北方寒冷地区须特别注意。

某些水电站引水系统、隧洞和压力钢管虽仍完好，但调压井围岩大体为风化岩石，漏水使围岩情况逐渐因冰冻而恶化。

不衬砌或喷锚衬砌段的底部。

一般仍宜用混凝土底板。

以减少水头损失。

对低速压力隧洞、可以在将施工残渣适当平整后，不必清基，直接在石渣面上浇筑混凝土，甚至可浇筑碾压混凝土，这样施工速度快、费用省。

3 洞型选择
洞型设计也取决于洞径大小，内压大小和衬砌型式。

喷锚洞多采用城门洞型。

因为它方便施工，特别是洞径小于5.0 m者，绝大多数采用此型。

对于洞径大于6.0m的喷锚洞，也可采用简化马蹄型(即城门洞型的两个底角削掉)。

这种型式的优点是即能满足施工交通要求，又便于与混凝土衬砌结合，混凝土量小。

混凝土衬砌，有压洞多采用圆型，它的优点是
便于设计，配筋量小且节省资金。

特别是便于与喷锚结合，开挖洞径均一致，不需单独加大开挖处理。

在喷锚洞中，何处需改为混凝上衬砌，往往不是事先定位；而是开挖过程中发现岩石破碎，才改为混凝上衬砌。

所以多采用在原开挖断面的基础上，缩小洞径衬砌，这样混凝土量小、且水头损失增加不大、基本与原喷锚保持一致。

在围岩较好而地应力不大的场合，方圆形甚至顶拱中心角小于1800的圆拱直墙形更便于施工。

不必担心衬砌不能承受较高的内水压力，围岩足以为衬砌提供支撑反力，并且经一定时间后，内外水压力就会自然平衡，衬砌绝不会因内水压力而破坏。

同样也不必担心外水压力作用。

施工时原有天然地下水压力会逐步下降至与衬砌相适应的状态。

有内水压力的隧洞在放空检修时，最初数天可能有漏水现象.不久就很快减少、因而外水压力只是短时间内起一定作用.漏水后即迅速消减至自然平衡状态。

在围岩软弱而地应力相对较大时，例如围岩的单轴强度与开挖后的应力之比小于4的场合，马蹄形断面就比较适宜。

它具有足够底宽以便施工，边墙和顶拱均为曲线形可以防止坍方，底板通常可采用平板，只在围岩易浸水膨胀时才宜采用反拱。

跨度小于3-5 m的小型隧洞，不必拘泥于顶拱或边墙形状。

可以采用沿岩层节理产状的折线形
顶板，甚至呈单一倾斜的顶板，反而不易坍方，为了便于检修排水和人员通行、底板也可作成单一倾斜横坡形式。

4 洞径选择
洞径选择，通常以经济流速来控制。

在可研阶段，初选建筑物尚可。

但在初设阶段，选定洞径时，再用经济流速来选定，其任意性较大。

经济流速范围为3.0-4.0m/s。

究竟是靠上限，还是靠下限，不好确定。

另一方面，这个经济流速范围，是根据过去的电价和物价水平总结出来的。

而现在的电价和物价，较前时期均发生很大变化，应根据现实价格重新比较，才能符合实际，才能更准确，电价在洞径选择中占有重要位置。

电价不能只根据目前的基荷电价来取用。

而应考虑本电站投人运行后的核准电价.或调峰电价来取用不同电价选取的洞径是不同的。

洞径比较，在效益方面要计算不同的洞径的水头损失(用平均糙率)、发电量与年效益，。

在费用方面，不仅要计算隧洞本身石方开挖与衬砌的造价，还要计入引水系统、厂房及机电设备造价。

这些造价还应包括临时工程及其他费用;即定额价再乘以1.5-1.6的综合系数。

最后采用差额收益率法优选洞径，差额收益率大于12%为可行。

5 结论
综上所述，目前水利水电工程逐步进人到深度发展阶段，隧洞工程得到了越来越广泛的关注，对于隧洞工程的设计也在不断进步之中。

目前水工隧洞工程的设计还有很多技术难点没有得到解决，对于不同地质条件下施工的技艺还没有很好的经验总结。