抽蓄電站輸水系統襯砌型式比選

摘要：在抽水蓄能電站輸水發電系統的設計過程中，較長的引水隧洞采用不同的隧洞襯砌型式輸水系統對造價有著較大的影響，因此隧洞襯砌型式的選擇尤為重要。以某抽蓄電站輸水發電系統為例，基于“挪威經驗”準則、最小地應力準則和滲透穩定準則，闡述了抽蓄電站輸水系統襯砌型式比選的設計思路。

關鍵詞：抽蓄電站;輸水系統;隧洞襯砌

1 概述

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

2 工程地質條件

引水隧洞上平段進口底板高程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，巖石堅硬完整，上平段起始260 m為弱風化巖體，其后為微新巖體。斷層不發育，但裂隙發育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組較發育，③組發育較少，裂隙特征同上水庫東庫址壩址，多為硬性結構面。未見地下水出露，巖體透水性為弱至中等。圍巖類別在弱風化段以Ⅲ類為主，裂隙密集帶見少量Ⅳ類，圍巖穩定性較差，而微新巖體段則有Ⅱ類，主要為Ⅲ類，圍巖穩定性較好。

上斜井段高程2 141.41～1 899 m，斜角60°，應為低至中等壓力洞段。上覆巖體厚度190～407 m，基巖為花崗巖。推測斷裂構造主要以小斷層及裂隙節理為主，斷層一般寬度小于20 cm，裂隙、節理一般成組發育，發育間距10～50 cm。巖體呈塊狀，局部呈次塊狀至碎裂狀。主要的不利結構面組合為②組與其他中陡傾角結構面切割組成，主要的不穩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。斷裂構造主要也以小斷層及裂隙節理為主，斷層一般寬度小于20 cm，裂隙、節理一般成組發育，發育間距10～50 cm。巖體呈塊狀，局部呈次塊狀。主要的不利結構面組合為②組與其他中陡傾角結構面切割組成，主要的不穩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象，推測流量達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°，應為中至高等壓力洞段。基巖為花崗巖。斷裂構造主要以小斷層及裂隙節理為主，斷層一般寬度小于20 cm，裂隙、節理一般成組發育，發育間距10～50 cm。巖體呈厚層狀，局部呈次塊狀。主要的不利結構面組合為②組與其他中陡傾角結構面切割組成，主要的不穩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象，推測流量達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。未見大的斷層發育，斷裂構造主要以小斷層及裂隙節理為主，斷層一般寬度小于20 cm，裂隙、節理一般成組發育，發育間距10～50 cm。巖體呈厚層狀，局部呈次塊狀。主要的不利結構面組合為②組與其他中陡傾角結構面切割組成，主要的不穩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。地下水活動可能較強，集中性涌水現象也可能較多，推測流量達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，采用不同的隧洞襯砌型式輸水系統對造價有著較大的影響，因此隧洞襯砌型式的選擇尤為重要。

從經濟角度來講，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濟的，但是不襯砌隧洞的前提條件是隧洞圍巖地質條件較好，同時滿足“挪威經驗”準則、最小地應力準則和滲透穩定準則。下面根據三大準則分析論證隧洞襯砌的必要性。

3.1? ? 隧洞圍巖覆蓋厚度計算

根據《水工隧洞設計規范》（DL/T 5195—2004）規定，有壓隧洞的洞身部位巖體最小覆蓋厚度，按洞內靜水壓力小于洞頂以上巖體重力的要求確定。按下式計算：

式中，CRM為巖體最小覆蓋厚度（不包括全、強風化厚度）;hs為洞內靜水壓力水頭;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，取α=60°;F為經驗系數，一般取1.3～1.5。

1#～2#高壓管道洞身巖石覆蓋厚度計算結果如表1、表2所示。

3.2? ? 相鄰隧洞考慮一條檢修、一條運行時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行時的靜水頭與滲徑比值如表3所示。

根據計算結果，1#、2#引水隧洞從中平段、后半段開始，洞身巖體最小覆蓋厚度已不能滿足規范要求的不襯砌隧洞K（經驗參數）=1.3～1.5的要求。

3.3? ? 應用最小主應力準則分析

最小主應力準則是建立在“巖體在地應力場中存在預應力”的概念基礎上，其原理是要求不襯砌高壓隧洞沿線任一點的圍巖最小主應力σ3應大于該點洞內靜水壓力，并有一定的安全系數，防止發生圍巖水力劈裂破壞。該準則是在提出和修改“挪威經驗”準則的同時，為了求得更合理、更通用的設計準則，由挪威提出的：

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

目前國內已建、在建和待建的高水頭電站中最小主應力與最大靜水頭的比值均大于1.2。

3.4? ? 應用圍巖滲透準則分析

無論是“挪威經驗”準則，還是最小地應力準則，都是從受力角度考慮問題，而未考慮圍巖的抗滲性。雖然最小地應力水平與圍巖的抗滲性關系密切，但不夠全面。圍巖的穩定臨界壓力大小、允許的滲透梯度、滲漏量大小和滲漏量隨時間的變化是確定能否采用鋼筋混凝土襯砌的關鍵。

圍巖滲透準則：由于巖體內存在節理裂隙，而裂隙中又往往有夾泥或碎屑物填充，當隧洞襯砌開裂，在一定壓力的滲透水長期作用下，巖體有可能會產生滲透變形沖蝕破壞，因此滲透準則的原理是要求檢驗巖體及裂隙的滲透性能否滿足滲透穩定要求。我國規范尚未制定出對高壓隧洞圍巖滲透性的判別準則。法國EDF公司一般以透水率2Lu作為界限。當圍巖的透水率大于2Lu時，必須采用鋼襯;反之，可以采用鋼筋混凝土襯砌并輔以固結灌漿等工程措施。

根據試驗結果，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，表明岔管段巖體結構面較發育，總體完整性相對較差，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斷層帶、節理、裂隙等結構面滲透穩定問題，可能沿斷層帶、節理、裂隙等結構面產生高壓劈裂現象，滲透量顯著增大，對高壓管道的穩定不利，岔管與廠房之間的巖體斷層和節理、裂隙也存在同樣的滲透穩定問題，對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范要求的不襯砌隧洞K（經驗參數）=1.3～1.5的要求，但根據地應力測試成果及類比分析判斷，引水中平洞段的最小地應力局部已不能滿足大于1.2倍的最大靜水頭準則要求。輸水發電隧洞圍巖類別以Ⅲ類為主，斷層裂隙較發育，根據高壓壓水試驗成果，完整巖體呈弱至微透水性，但斷層、裂隙較發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題，從上斜井末端后高壓段采用鋼板襯砌。

4 結語

本文綜合考慮實際地質條件，基于“挪威經驗”準則、最小地應力準則和滲透穩定準則，結合水工布置條件，闡述了某抽蓄電站輸水系統襯砌型式比選的設計思路。根據進一步鋼襯起點位置比選，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

作者簡介：劉寅（1987—），男，陜西西安人，碩士，工程師，研究方向：水工結構。