觀音峽水電站引水隧洞設計方案分析

高 文，蔣碧媛

(武漢志宏水利水電設計院，武漢 430070)

1 工程概況

觀音峽水電站是一個引水式水電站，水電站地處鄂西南齊岳山東麓，流域內地形總趨勢是南高北低，河流流向總體由西南至東北。引水流量6.27m3/s，引水線路總長7548m，分為7條洞線，發電水頭223m，裝機10MW。它的建成對促進地方工農業生產和縣域經濟的發展，將起到一定的促進作用。

引水隧洞地層為三疊系下統嘉陵組灰巖，隧洞基本斷面為城門洞形。樁號0+000～0+030m段為暗涵，0+030～0+170m段為隧洞，隧洞圍巖屬Ⅱ類，圍巖屬基本穩定性巖體，設計洞徑2.5m，一般不需要襯砌支護。樁號0+170～6+043m段巖性為三疊系嘉陵江組第四段灰巖，巖性主要為灰色厚層含泥質灰巖、灰巖夾角礫狀灰巖，巖層產狀140～150°∠15～30°，洞線與巖層走向近于一致，與洞線夾角為10～20°。巖層中節理裂隙發育，巖體完整性一般，但斷層構造不發育，主要結構面間無不利組合，巖層呈層狀結構，局部巖溶發育，有順層溶蝕性溶隙、溶洞等，多充填泥質。該段隧洞圍巖屬Ⅲ類和Ⅴ類，為局部穩定性差巖體。樁號6+043～7+548m段巖性為三疊系嘉陵江組第四段泥質灰巖夾角礫狀灰巖，巖層產狀135°∠30～35°，洞線與巖層走向近于一致，與洞線夾角為10°。巖層中節理裂隙發育，巖體完整性一般，但斷層構造不發育，主要結構面間無不利組合，巖層呈層狀結構，局部巖溶發育，如:順層溶蝕性溶隙、溶洞時有發育，并充填泥質。該段隧洞圍巖屬Ⅲ類局部穩定性差巖體，局部須進行必要的支護。

2 隧洞線路方案比選

觀音峽水電站引水工程穿越區均是高山峽谷，隧洞多，設計中選擇兩個方案進行比選:方案1洞線全部在主河道左岸，順河方向穿越隧洞，方案2洞線全部在主河道右岸。

2.1 方案1——左岸引水隧洞

左岸引水系統隧洞全長約7458m，洞身埋深50～300m，進出口段埋深較淺。洞身穿越地層為三疊系下統嘉陵江組厚層含泥質灰巖、灰巖夾角礫狀灰巖。巖性基本相同，巖石堅硬。洞線無大的斷裂穿過，巖體相對較完整，均具備成洞條件。地下水位較高，水文地質條件較復雜。洞身圍巖多屬Ⅱ、Ⅲ類。左岸沖溝較多，設置施工支洞較短，有施工便道，發電廠房位置較開闊。工程布置有無壓引水隧洞、退水閘、溢流堰及施工支洞等。

2.2 方案2——右岸引水隧洞

右岸引水系統隧洞全長約7583m，洞身埋深30～250m，進出口段埋深較淺。地質巖性、圍巖等級與左岸基本相同，但右岸山體稍顯單薄，支流有三條，稍大沖溝一條，支流切割較深，地形陡峭，上覆巖體較薄，成洞條件較差。右岸雙河支流為干溝盲谷，地表水通過巖溶管道完全滲入地下，形成地下運行排泄系統。倒溝河支流和觀音峽支流地表水和地下水因有相對隔水層阻隔，地表水和地下水分別為兩個循環系統，若隧洞穿過該地段，破壞了原有隔水層，形成滲漏通道，地表水會順滲漏通道滲入隧洞中，形成隧洞涌水，工程處理難度較大。

2.3 綜合對比分析

左右兩岸引水隧洞所經地層地質巖性、圍巖等級基本相同，隧洞長度、埋深等參數相差不大。但是，右岸隧洞所經地層水文地質條件復雜，地表水、地下水豐富，相比左岸引水隧洞而言，施工過程中將面臨更多滲漏問題，成洞難度較大。在工程建設方案比選中，應綜合考慮技術、經濟指標。兩種方案的技術、經濟指標對比分析見表1。

從表1的綜合對比可以發現:左岸洞線比右岸具有明顯優勢，最終采用左岸隧洞引水方案。

表1 引水隧洞線路方案綜合對比

3 隧洞結構形式比選

引水隧洞按照是否承受水壓力可分為有壓引水隧洞和無壓引水隧洞兩種結構形式。引水隧洞洞身斷面可為圓形、城門洞形或馬蹄形，有壓隧洞多用圓形。下文分別對城門形的無壓引水隧洞(方案1)和圓形的有壓引水隧洞(方案2)兩種結構形式進行對比分析。

3.1 方案1——無壓引水隧洞

觀音峽水電站采用無壓隧洞時，引水線路全長7458m，其中隧洞長7416m，暗涵30m，明渠長12.0m。采用城門形斷面，過水斷面2.4m×2.05m(寬 ×高)，坡降1/1500，過流能力6.27m3/s，見下頁圖(a)。

引水線1號隧洞長141m，2號隧洞長1748m，3號隧洞長1104m，4號隧洞長1624m，5號隧洞長1366m，6號隧洞長1094m，7號隧洞長340m。經過支洞5條，地質條件分別處于下三疊系下統嘉陵江組厚層含泥質灰巖、灰巖夾角礫狀灰巖，巖石強度為中硬強度，圍巖多為Ⅱ類，部分為Ⅲ、Ⅴ類巖石，洞挖圍巖地質條件較好。實際選擇洞軸線走向與巖層走向夾角較大，接近10～20°。沖溝內各洞口進、出口段為巖層片理側向邊坡，成洞條件較好。

3.2 方案2——有壓引水隧洞

觀音峽水電站采用有壓引水隧洞時，引水線路全長7959m，其中水平隧洞長7514m，壓力斜管長445m。采用圓形斷面，內徑2.0m，襯砌厚度0.3m，過流能力6.2m3/s，見下圖(b)。在斜管與水平管道相交的位置設調壓井一處，內徑5.0m，頂部高程717.0m。

兩種引水隧洞結構形式圖

有壓引水隧洞地質條件分別處于下三疊系下統嘉陵江組厚層含泥質灰巖、灰巖夾角礫狀灰巖，巖石強度為中硬強度，圍巖多為Ⅱ類，部分為Ⅲ、Ⅴ類巖石，洞挖圍巖地質條件較好。實際選擇洞軸線走向與巖層走向夾角較大，接近10～20°。為增加施工斷面，分別在7條沖溝內布置施工支洞，沖溝內各洞口進、出口段為巖層片理側向邊坡，成洞條件較好。

3.3 綜合對比分析

兩種引水隧洞結構方案對比如表2所示。觀音峽水電站工程攔河壩為液壓翻板閘混凝土砌石壩，庫容有限，水庫水頭僅5m。由表2可知，按照水電站壓力隧洞的經濟流速計算結果，選擇的隧洞洞徑為2.0m，隧洞長度為7959m，有壓引水隧洞的投資為3638.46萬元，水頭損失達19.01m，發電量3476kW·h。而無壓引水隧洞的投資為3185.16萬元，水頭損失為7.78m，發電量3659kW·h。綜合比較無壓引水隧洞方案較有壓引水隧洞方案優勢明顯，最終選擇無壓引水隧洞方案。

表2 引水隧洞結構方案綜合對比

4 隧洞襯砌結構設計計算

隧洞襯砌結構設計之前，首先應確定隧洞凈空斷面，隧洞凈空斷面應滿足引水過流能力。

4.1 隧洞過流能力計算

隧洞過水能力按進出口段、洞身段分別按明渠均勻流公式進行計算:

式中 Q——隧洞設計流量，Q=5.42m3/s;

ω——過水斷面面積，m2，ω =b×h;

b——底寬，m;

h——過水深 m;

C——謝才系數，m1/2/s，C=R1/6/n;

X——過水斷面濕周，m;

R——水力半徑，m，R=ω/x;

i——隧洞底坡，i=1/1500;

n——糙率，進出口段為混凝土襯砌，n=0.017。

根據水能計算成果，電站引用流量為5.7m3/s，考慮到隧洞沿程水量滲漏損失，本階段隧洞斷面按照引用流量加大10%計算，即引水流量6.27m3/s。經計算，隧洞進出口混凝土襯砌段過水深h=2.05m(圓弧拱斷面不過水)，洞身底寬b=2.4m。隧洞高度按照規范標準加15%的凈空斷面，考慮安全超高。襯砌后直墻段高2.2m，圓弧拱頂半徑1.73m，中心角120°，拱圈矢高0.86m，見上頁圖(a)。

4.2 隧洞襯砌結構計算

根據《水工隧洞設計規范》(SL 279—2002)及《水工設計手冊》，計算隧洞襯砌標準斷面圖的內力及襯砌厚度。隧洞襯砌結構所承受的主要荷載有山巖壓力、彈性抗力、外水壓力、灌漿壓力。計算選用的荷載組合:外水壓力+山巖壓力+自重，其中山巖壓力采用山巖壓力系數法。

根據《水工隧洞設計規范》(SD 134—84)附錄七推薦的計算方法，采用《水利水電工程設計計算程序集》(V3.1)中“G-12隧洞襯砌內力及配筋計算通用程序”進行計算。隧洞標準襯砌斷面計算結果如表3、4所示。

表3 襯砌側墻計算結果

序號軸向力(10kN)剪力(10kN)彎矩(10kNm)抗裂K 裂縫寬(cm)7.645 21.426 0.229 0.012187 －7.777 8.574 18.877 0.250 0.013328 －7.551 9.405 16.052 0.284 0.015059 －7.325 10.137 12.981 0.339 0.0173110 －7.099 10.770 9.696 0.440 0.020516－8.003

表4 襯砌拱頂計算結果

由表3、4計算結果可知:隧洞的襯砌厚度為0.2m，其裂縫寬度均小于0.25mm，滿足相應規范要求。

5 結語

觀音峽水電工程靜態投資12113.21萬元，裝機容量10MW，多年平均發電量為3659萬kW·h。國民經濟內部收益率13.5%，經濟凈現值1599.6萬元，經濟效益費用比1.13，滿足規范要求。引水隧洞作為觀音峽水電站主體工程之一，在隧洞線路方案和結構形式比選過程中，全面考慮了各個技術、經濟指標，最終選取了左岸引水隧洞方案，結構形式采用城門形無壓隧洞。在襯砌結構設計中，對隧洞的過流能力和結構受力進行了計算，確保了隧道滿足引水要求和結構受力安全。■

1 金兆輝，路廣平.水工隧洞現澆混凝土襯砌環縫預埋式灌漿止水系統設計［J］.水利建設與管理，2009(8).

2 高俊合，武銀鋒，許斌.深圳水庫流域污水截排隧道設計與施工［J］.現代隧道技術，2008(增刊).