透水理論在南湃水電站高壓引水隧洞中的應用

許戰軍，康曉娟

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

隨著中國水電建設水平的提高，出現了許多高壓引水隧洞。在這類隧洞中，襯砌體無法承受高的內水壓力，混凝土出現開裂，內水外滲，圍巖成為承受水壓力的主體，襯砌混凝土的作用除減糙、限制裂縫寬度外，最主要的是傳遞荷載，將內水壓力傳遞給圍巖，類似于不襯砌隧洞[1]。中國國內對于襯砌隧洞內水壓力有面力理論(認為混凝土襯砌結構不透水結構)和體力理論(認為混凝土襯砌結構為透水結構)2種觀點。隨著天荒坪和廣州抽水蓄能電站的建成，體力理論的合理性得到了進一步的驗證。

1 工程概況

老撾南湃水電站屬跨流域長引水、高水頭電站，電站總裝機容量86 MW。引水系統由進水口、壓力隧洞段、壓力鋼管埋管段和地面鋼襯鋼筋混凝土管段組成。引水系統總長8.2 km，其中引水隧洞長6 705.12 m，由3個平段和2個豎井段組成。隧洞開挖斷面為圓形平底，開挖洞徑4.4 m(底寬2.9 m)，襯砌后洞徑3.5 m(寬2.45 m)，豎井斷面為圓形斷面，開挖直徑2.13 m。隧洞引用流量14.45 m3/s，最大內水壓力570 m。

上平段圍巖為“薄層凝灰巖”，Ⅲ1類圍巖約占5.98%、Ⅲ2類圍巖約占57.22%、Ⅳ類圍巖約占30.74%、Ⅴ類圍巖約占6.06%。

中平段圍巖以”中厚層凝灰巖“為主，局部間夾薄層黑色板巖、或薄層凝灰巖，Ⅱ類圍巖約占6.33%、Ⅲ1類圍巖約占41.44%、Ⅲ2類圍巖約占40.57%、Ⅳ類圍巖約占11.66%。

下平段圍巖以“中厚層凝灰巖”為主，局部間夾薄層黑色板巖、或薄層凝灰巖，Ⅲ1類圍巖約占37.2%、Ⅲ2類圍巖約占53.0%、Ⅳ類圍巖約占9.8%。

2 支護設計

南湃水電站引水系統處在工期關鍵線路上，支護工程對水電站的工期影響較大。為節約投資和節省工期，該隧洞按透水理論設計。該理論必須滿足巖石最小覆蓋準則(挪威準則、雪山準則)、最小主應力準則(水力劈裂準則)和滲透穩定準則，這“三大準則”從避免可能發生的上抬、水力劈裂和滲透穩定3種破壞形式的角度對不襯砌或鋼筋混凝土襯砌隧洞設計原則進行了限定。南湃水電站在進行隧洞布置時以同時滿足“三大準則”為目標，設計按圍巖類別，結合內水壓力量級、固結灌漿質量要求和水頭損失綜合考量支護型式。

(1) Ⅱ、Ⅲ類圍巖

上平段和中平段的Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞段，最大內水頭350 m，在圍巖穩定的情況下采用掛網噴的支護型式。下平段Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞段除考慮圍巖穩定外，主要從提高灌漿質量的角度采用全斷面鋼筋混凝土襯砌。

(2) Ⅳ、Ⅴ類圍巖

Ⅳ、Ⅴ類圍巖由于巖體結構面發育，巖體破碎，圍巖穩定性差，因此全斷面采用混凝土襯砌以抵抗外壓(外水壓力和山巖壓力)和內水壓力(通過滲流計算確定內外水壓差)。

3 固結灌漿設計

對于長引水隧洞襯砌設計，除了考慮引水隧洞安全之外，沿線滲透量也是襯砌設計關注的問題之一，滲透量過大不僅影響水電站的發電效益，而且影響隧洞安全。滲透問題是無襯砌壓力隧洞穩定的一個重要問題，國外不少工程失事就是由滲漏引起的[2]。目前規范上沒有對滲透量大小做出限制，南湃水電站進行了隧洞的滲流計算，計算結果顯示在正常運行情況下，滲漏量主要發生在中平段和下平段，總滲透量約為642 L/s，單位長度滲透量約為0.15 L/s。但這個計算結果的可靠性受到滲透邊界以及計算參數的影響，一般情況下很難算準，只能作一個量級上的參考。

為了控制隧洞滲水量，全洞均布置了固結灌漿，灌漿壓力按不小于內水壓力的1.0倍考慮。詳見表1。

表1 引水隧洞各段固結灌漿參數表

注：通過試驗確定固結灌漿的設計參數。

4 排水設計

高壓引水隧洞經過長期運行滲透穩定后，會對隧洞一定范圍內的地下水產生影響，當隧洞放空時襯砌體要承擔這部分外水壓力。為了保證放空時襯砌結構的安全，也為使襯砌結構受力邊界更為清晰，南湃水電站在下平段襯砌混凝土上(Ⅱ、Ⅲ類洞段)布置了系統排水孔，排水孔利用固結灌漿孔掃孔而成，入巖0.3 m。排水孔布置如圖1所示。

圖1 排水孔布置示意圖

5 結 語

南湃水電站引水隧洞采用透水設計節約了工期和投資，取得良好的經濟效益。目前隧洞已經充水運行8個多月，隧洞運行狀態良好，現場實測滲透量為0.12 m3/s(為引用流量的0.83%)，充分說明隧洞襯砌設計的合理性。總結該隧洞支護設計有以下幾點對類似水電站有積極的借鑒意義。

(1) 透水理論的核心是襯砌體為透水結構，巖石是承受內水壓力的主體。滿足“三大準則”是該類隧洞設計的前提。在此基礎上可結合糙率、圍巖抗外壓穩定性以及灌漿質量控制等因素綜合決定采用何種襯砌方式。但該理論在Ⅳ、Ⅴ類圍巖、軟巖和遇水惡化的高壓隧洞中要謹慎使用。

(2) 重視對隧洞局部缺陷的處理。引水隧洞或多或少存在一定的地質缺陷，這些部位是隧洞支護設計的重點部位，特別重視可能引發滲透破壞的地質缺陷，如斷層、張性裂隙密集帶等缺陷的處理。

(3) 重視固結灌漿的作用。在透水理論設計的隧洞中，固結灌漿不僅僅起加固圍巖的作用，更起到防滲的作用，減少發生滲透破壞的風險。南湃水電站通過現場灌漿試驗驗證了合適的固結灌漿設計對降低圍巖一定范圍內的滲透性效果非常有效。

總之，高壓隧洞襯砌設計是一個復雜的設計過程，需要綜合多方面的因素做出選擇，不可一概而論。地質缺陷部位是隧洞襯砌設計的重點，無論隧洞對滲漏量有無要求，從滲透穩定的角度講都必須重視隧洞防滲設計。