某水电站长发电引水系统设计和优化

水力发电　第３７卷第９期　２０１１年９月　某水电站长发电引水系统设计和优１＇４ｃ　潘旭东，杨照明，郭　宇　（水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐８３００００）　摘要：根据某水电站发电引水系统的地形、地质条件，对发电引水洞Ⅱ类及ⅢＡ类（Ⅲ类偏好）围岩洞段取　消常规的钢筋混凝土全断面衬砌，采用喷锚支护作为永久衬砌，缩短了发电洞的施工工期；参考以往工程经验，上　游调压室取消了检修门，既可保证电站的安全运行又可减少工程投资。这些设计优化。可供类似的长发电引水洞工　程参考。　关键词：发电引水洞；衬砌；喷护；调压室；优化设计　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｌｏｎｇ　Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ａ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　Ｐａｎ　Ｘｕｄｏｎｇ，Ｙａｎｇ　Ｚｈａｏｍｉｎｇ，Ｇｕｏ　Ｙｕ　（Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｆｏｒ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ，Ｕｒｕｍｑｉ　８３００００，Ｘｉｎｊｉｎａｇ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃａｌ　ａｎｄ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ａ　ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｘｉｎｊｉａｎｇ，ｔｈｅ　ｓｅｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｗｉｔｈ　Ｃｌａｓｓ　ＩＩ　ｏｒ　ＩＩＩａ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｌｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｓｈｏｔｃｒｅｔｅ　ａｎｄ　ａｎｃｈｏｒ　ｒｏｄ　ａｓ　ａ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｌｉｎｉｎｇ　ｉｎｓｔｅａｄ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｆｕｌｌ－ｆａｃｅ　ｌｉｎｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｌｉｎｉｎｇ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｓｈｏｒｔｅｎｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｅｒｉｏｄ．　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ，ｔｈｅ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｇａｔｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｕｐｓｔｒｅａｍ　ｓｕｒｇｅ　ｃｈａｍｂｅｒ　ｉｓ　ｃａｎｃｅｌｌｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｇｕａｒａｎｔｅｅ　ｔｈｅ　ｓａｆｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｒｅｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｓ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｆｏｒ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　ｔｕｎｎｅ１．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒ　ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ；ｌｉｎｉｎｇ；ｓｈｏｔｅｒｅｔｅ　ｓｕｐｐｏｒｔ；ｓｕｒｇｅ　ｃｈａｍｂｅｒ；，ｄｅｓｉｇｎ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　中圈分类号：ＴＶ５５４．１４（２４５）；ＹＶ５５４。１２　文献标识码：Ａ　文章编号：０５５９—９３４２（２０１１）０９－００３２—０３　１工程概况　某水电站工程由大坝、溢洪洞、导流兼泄　洪洞、发电引水系统及地下厂房、尾水洞等主要建　筑物组成，最大坝高４３．５　Ｉｎ，总库容０．１７１亿Ｉｎ　，　装机容量２００　Ｍｗ，保证出力１３．２　ＭＷ，多年平均　年发电量６．０４亿ｋＷ・ｈ，为三等中型工程。该电站　引水系统总长１４　ｋｍ，其中低压引水隧洞段长约１３．６　ｋｍ，发电水头２３６　Ｉｎ，流量１０１．６　１ＴＩ３／Ｓ，采用一洞四　机联合供水方式：引水洞末端设置上游调压室，后　围岩洞段占５．５％：１１１Ｂ类（Ⅲ类偏差）围岩洞段占　１８．５％：ＩＶ类围岩洞段占３．４％。　Ⅱ类同岩坚固系数ｆｋ＝５，弹性抗力系数Ｋ。＝　５　０００～５　５００　ＭＰａ／ｉｎ．变形模量１０．７５　ＧＰａ，弹性模　量２Ｏ．２　ＧＰａ．纵波速度４　０００～５　０００　ｍ／ｓ；ｍＡ类围　岩　＝４，　＝４　０００～４　５００　ＭＰａ／ｍ，变形模量６．０　＝３　０００～３　５００　ＭＰＭＩｎ，　ＧＰａ．弹性模量１２．０　ＧＰａ，纵波速度３　０００～３　５００　ｎ／ｓ；ｍ　ＩＢ类围岩　＝３．５，　变形模量５．０　ＧＰａ，弹性模量１０．０　ＧＰａ，纵波速度　３　０００　Ｉｎ／ｓ；ＩＶ类同岩　＝３，Ｋ０＝２　０００—２　５００　ＭＰａ／ｍ、　变形模量４．０　ＧＰａ，弹性模量８．０　ＧＰａ，纵波速度　２　０００－２　５００　ｍ／ｓ。　由竖井及３个“卜”形岔管、４根支管接入地下厂　房，尾水由有压尾水洞泄至原河道。　２发电引水系统地质条件　发电引水隧洞前１．５　ｋｍ围岩为石英片岩、黑云　调压室处山顶基岩裸露，出露基岩岩性为混合　岩夹片麻岩、片岩，按同岩工程地质分类标准评分　绿泥石英片岩，其后到发电厂房主要以混合岩夹片　麻岩为主。沿洞线地层片理发育，隧洞围岩划分情　况为：Ⅱ类围岩洞段占７２．６％；ＩＩＩＡ类圈Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．９　（ｍ类偏好）　收稿日期：２０１０—１２—１４　作者简介：潘旭东（１９６９一），男，江苏宜兴人，高级工程师，主　要从事水利水电工程设计工作．　帚ｊ／　期　糟旭尔，守：ｚ￣／：．ＩＸ吧如　仅吧　Ｉ／Ｊ＼　玑Ｉ又Ｌ１个ｕ　ＩＪｂｑ＇ｆａ．　属ｍ类围岩。　随机锚杆￣２５，Ｌ＝３．０ｍ　３发电洞衬砌形式的优化　３．１　优化方案的确定　该工程发电洞低压引水隧洞段长１３．６　ｋｍ，设计　引水流量１０１．６　ｍ３／ｓ，低压引水隧洞段最大内水压力　水头７１　ｍ。常规的衬砌方式为钢筋混凝土全断面衬　砌，采用内径为７．４ｍ的圆形断面，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围　岩衬砌厚度分别为０．４、０．５、０．６　ｍ。发电洞共布置　５条施工支洞．９个作业面，其中３号支洞下游和４　号支洞上游作业面控制的施工段长度最长，为２．４　ｋｍ。如果采用钢筋混凝土全断面衬砌，须先完成洞　身开挖再进行衬砌，工期较长，约需３４个月。如果　采用喷护方案．可考虑喷护随开挖进尺边挖边衬。　ＳＬ　２７９－－２００２《水工隧洞设计规范》中对隧洞　衬砌有以下要求［　］：①有压隧洞洞身的垂直和侧向覆　盖厚度（不包括覆盖层），当围岩较完整无不利结构　面、采用混凝土或钢筋混凝土衬砌时，可按不小于　２／５内水压力水头控制：无衬砌或采用喷锚衬砌时，　可按不小于１．０倍内水乐力水头控制。②有山谷、　边坡影响时，按抗抬理论采用公式　Ｄｃｏｓｃ￣＞ＫＴＪｔ　判断，Ｋ≥１．１。　该发电洞上覆岩体最大厚度为５６０　ｍ，１Ｉ类和　ⅢＡ类同岩的洞段采用喷锚永久支护是可行的。同　时由于Ⅱ～ⅢＡ类同岩洞段长度占总洞长的比例较　大，采用喷锚支护有利于节省施工丁期，因此。对　Ⅱ～ⅢＡ类同岩洞段采用喷锚支护；对Ⅱ类、ⅢＡ类　同岩不满足上覆盖、侧覆盖要求的洞段，及ⅢＢ类、　Ⅳ类围岩洞段，采用全断面钢筋混凝土衬砌。　对发电引水洞洞身沿线５处冲沟及上覆岩体较　薄的洞段，按正常蓄水位１　０７１　ｍ、涌波水位１　０９０．９５　ｍ，进行了上垂直覆盖和侧向覆盖厚度的复核。　３。１．１　Ⅱ类围岩喷护方案　满足上覆盖、侧覆盖要求的Ⅱ类围岩洞段长　８　８２８　ｍ，采用马蹄形断面，底板采用Ｃ２０素混凝　土，顶拱及侧顶拱采用随机锚杆＋素喷１０　ｃｍ厚Ｃ２５　混凝土，其中迎水面５　ｃｍ厚采用聚丙烯纤维混凝　土，主要起到减小喷混凝土回弹量、提高喷混凝土　抗裂及抗渗性能的目的（见图１）。　３．１．２　ⅢＡ类围岩喷护方案　满足上覆盖、侧覆盖要求的ⅢＡ类围岩洞段长　７０３　ｎｌ，采用马蹄形断面，底板采用Ｃ２０素混凝土，　顶拱及侧顶拱采用系统锚杆（西２５　ｍｍ、Ｌ＝３．０　ｍ）４－　钢筋网　８　ｍｍ＠２００　ｍｍ￣２００　ｍｍ－Ｉ－素喷１５　ｃｍ厚Ｃ２５　混凝土，其中迎水面５　ｃｍ采用聚丙烯纤维混凝土　（见图２）。　图１　¨类围岩衬砌（除注明外，单位ｉｎｌｎ）　图２ⅢＡ类围岩衬砌（除注明外，单位ｍｍ）　３．１．３其余洞段衬砌方案　（１）ＨＩＢ类洞段长２　５４８　ＩＴＩ，采用全断面钢筋混　凝土衬砌，开挖断面为马蹄形，最终衬砌断面为圆　形，内径８．３６　Ｉｎ，衬砌厚度４０　ｃｍ。　（２）ｌＩ类、ⅢＡ类围岩不满足上覆盖、侧覆盖　要求的洞段长８５７　ＩＴＩ，采用全断面钢筋混凝土衬砌．　开挖断面为马蹄形，最终衬砌断面为圆形．内径　８．３６　ｍ，衬砌厚度４０　ｃｍ。　（３）１Ｖ类围岩洞段长６３６　ｍ，采用全断面钢筋　混凝土衬砌，开挖断面为马蹄形，最终衬砌断面为　圆形，内径８．３６　ｍ，衬砌厚度根据洞身沿线内水压　力分布情况采用５０　ｃｍ或６０　ｃｍ。　３．１．４集石坑设计　喷锚支护的隧洞在运行期由于受水流长期冲刷　可能出现局部掉块现象，故隧洞设有集石坑．每年　冬季及停水时进行清理和检查维修．以保证隧洞的　长期安全运行　Ⅱ类、Ⅲ类围岩采用锚喷衬砌的洞段必须在洞　身设置集石坑，集石坑的体积按每ｌ　０００　ｃｍ２锚喷　面积准备１　ｍ　的容积来考虑，根据洞身锚喷衬砌的　范围，沿洞线在２、４、５号支洞附近设置长度分别　为２６．６、２６．６、１５．８　Ｉｎ的集石坑。　经计算，发电洞衬砌方案优化后，可节省直接　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．９豳　小／Ｊ仅电　ＺＵ１］年９月　投资约１　２０５万元，缩短工期约７个月　３．２发电洞施工方法　３．２．１　开挖运输　发电洞开挖采用多臂钻钻孔爆破，２　ｍ　装载机　装渣，１５　ｔ自卸汽车运输出渣的施工方案。按发电　引水洞控制段开挖月进尺１５０　１１１．控制段单工作面　长度２．４　ｋｍ计算，开挖工期约需１６个月。　３．２．２衬砌　发电洞衬砌根据围岩条件分为全断面衬砌和底　部衬砌顶部喷护两种。发电引水洞洞身段采用１Ｏ　ｍ　一个结构段，衬砌过程中。断面全衬砌考虑先浇底　板再浇边顶拱，底部衬砌顶部喷护考虑喷护随开挖　进尺边挖边衬。　根据地质资料，发电引水洞桩号６＋６００～７＋６００　段洞室围岩属ⅢＢ类，采用全断面衬砌，根据月浇　筑进尺，全断面衬砌施工进度较喷护方案慢，而且　衬砌控制段长度不同，因此分段原则是两支洞控制　段施工工期基本相同：喷护方案控制段长度３号支　洞１　６００　ｍ，４号支洞３　２００　ｍ。　发电引水洞控制段衬砌月进尺全断面衬砌为　１６０　ｍ／月，底板衬砌为４００　ｒｒｄ月，控制段单工作面　长度为１．６　ｋｍ（其中衬砌段长１．０　ｋｍ，喷护段长　０．６　ｋｍ），衬砌工期约需８个月。　３上游调压室取消检修门的优化　３．１　初设阶段上游调压室布置　初设阶段调压室布置为：采用阻抗式，底板高　程１　０４４．５　ｉｎ，顶高程１　０９２．０　ｍ，阻抗孔为圆形，　半径１．８　ｍ：调压室断面为圆形，１　０７０　ｍ高程以下　直径１６　ｍ，１　０７０　ｍ高程以上直径２４　ｍ。调压室井　壁采用Ｃ２５钢筋混凝土衬砌，　１　０７０　１ＴＩ高程以下壁　厚１．２　ｍ．１　０７０　ＩＴＩ高程以上壁厚１．０　ｔｎ，底板厚１．８０　ＩＴＩ。井壁进行固结灌浆，间排距３．０　１ＴＩ，梅花形布　置，孑Ｌ深４．０　ｉｎ。在调压室后部设检修闸井。检修闸　井与调压室为一整体结构，宽８．０　ｍ，底板高程　１　０１９．８１６　ｍ，顶高程１　０９２．０　ｍ。闸井内设一道平板　检修门，孑Ｌ口尺寸５．０　ｍｘ５．０　ｍ，检修门后部设１．６　ｅｒｘ０．６　ｍ的通气孑Ｌ。采用Ｃ２５钢筋｝昆凝土衬砌，底　板、边墙厚均为１．５　ｍ，闸井上部设检修闸房。　３．２上游调压室布置优化　初设阶段上游调压室下游侧设检修闸门，技施　阶段考虑以下原因取消检修门：　（１）该工程采用球阀，球阀自带检修密封，可　靠性较高，阀体检修的周期较长，一般超过８年。　压力钢管检修的几率很小，首次安全检测应在钢管　运行后５～ｌ０年内进行，以后每隔１０～１５年进行一　次中期检测。因此，可取消调压室的检修闸门。　（２）工程类比如下：四川天龙湖水电站引水洞　长６．６　ｋｍ，装机１８０　ＭＷ，调压室未设置检修门；浙　江华广潭水电站引水洞长７．８　ｋｍ，装机６０　Ｍｗ，调　压室未设置检修门；浙江应村水电站引水洞长９　ｋｍ，装机３２　ＭＷ，调压室未设置检修门；天生桥二　级水电站由于运行、测试、施工质量等方面的原因，　出现闸门井胸墙、闸墩倒塌事故后取消闸门井。　（３）经投资经济比较，取消下游检修闸门可减　少直接投资６７４万元。　３．３优化后的上游调压室布置　上游调压室采用阻抗加扩大上室调压室的形式．　断面尺寸为：底板高程１　０４４．５　１ＴＩ，顶高程１　０９２．０　ｍ，阻抗孔半径１．８　ｒｎ．１　０６８．５　ｍ高程以上直径为　２３　ｒｎ，　１　０４３～１　０６８．５　ｍ高程直径为１４　ｉｎ，　１　０４３　１ＴＩ高程以下由直径为５　１ＴＩ的连接管与发电引水隧洞　连接。　３．４上游调压室施工　利用５号平支洞进行调压室的施工。先采用爬　罐法自下而上、ＹＴ２８手风钻钻孔爆破，开挖导井，　然后利用导井采用自下而上、ＹＴ２８手风钻钻辐射孔　爆破扩挖，出渣采用２　ｎｃｌ　侧卸式装载机挖装，白卸　汽车运输至弃渣场。井筒开挖完成后开始浇筑混凝　土，混凝土洞内运输采用３　ＩＴＩ，罐车，用６０　ｍ３／ｈ混　凝土泵泵送入仓。　４结语　（１）发电洞衬砌设计优化对Ⅱ、Ⅲ类围岩洞段　采用喷锚支护，可大大提高施工速度，较全断面衬　砌缩短工期约７个月。　（２）上游调压室取消检修门，可保证电站的运　行并可减少工程投资。　该电站发电引水系统的设计优化，可供类似的　长引水隧洞工程参考。　参考文献：　［１］ＳＬ　２７９－－２００２水工隧洞设计规范［Ｓ］．　『２］潘家铮．水工建筑物设计丛书水工隧洞和调压室水工隧洞部分　『Ｍ］．北京：水利水电出版社，１９９０．　『３］水利水电规划设计总院．水利水电工程地下建筑物设计手册　［Ｍ］．成都：四川科学技术出版社，１９９３．　（责任编辑常　青）　大力发展水电事业