长有压引水隧洞设计初探_项庆伟

第26卷第2期2007年4月

四 川 水 力 发 电Sichuan

W ater P o w er

V o. l 26, N o . 2A pr . , 2007

长有压引水隧洞设计初探

项庆伟, 徐景伟

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(1. 重庆市水利电力建筑勘测设计研究院, 重庆 400020; 2. 浙江瓯能集团重庆梅溪河流域水电开发有限公司, 重庆奉节 404600) 摘 要:由于长引水隧洞的投资在整个电站中占很大的比例, 因此, 引水隧洞的设计合理性对整个电站起到了举足轻重的作用。通过一个中型水电站长引水隧洞的设计, 对中小型水电站长引水隧洞的设计作了初步探讨。研究表明:洞线的选择是一个反复动态的设计过程, 设计应把握先整体后局部再整体的思路, 从地质条件、施工条件、工程造价等多角度进行比较; 洞线选择中对跨沟或绕沟的不同方案的选择往往是洞线设计的重中之重; 衬砌断面应根据实际地质条件来选择不同的断面型式; 工程监测是隧洞工程设计和施工信息反馈的一个重要组成部分, 应根据工程的重要性来选择必要的观测项目。关键词:长有压引水隧洞; 洞线选择; 衬砌断面型式; 支护; 监测; 设计; 渡口坝水电站中图分类号:TV222; TV672

文献标识码: B

文章编号:1001-2184(2007) 02-0086-04

1 工程概况

渡口坝水电站是梅溪河第一级开发的水电工程, 位于梅溪河中上游重庆市奉节县境内。坝址控制流域面积764. 9km , 多年平均流量18. 2m /s, 年径流量5. 74亿m 。电站装机2台, 单机容量64. 5MW, 总装机容量129MW 。电站采取高坝壅水和长有压隧洞引水相结合的混合式开发

方式, 大坝为混凝土双曲拱坝, 最大坝高108. 7m; 压力隧洞长20020. 78m, 隧洞引用流量46. 78m /s, 隧洞进口底板高程525. 00m, 隧洞洞径4. 2m, 采用全混凝土衬砌, 设计水头50~110m; 调压室采用圆筒阻抗式, 竖井直径15m, 阻抗孔等效直径2. 0m; 调压室后为压力管道, 埋管内径3. 8m, 压力管道后接地面厂房。2 引水隧洞工程地质条件

引水隧洞沿线山势陡峻, 沟谷深切, 山体总体走向NWW, 地形标高一般为600~1200m , 相对高差400~600m 。沿线冲沟发育, 冲沟与洞线多大角度斜交或近垂直; 冲沟一般沟深源长, 少量沟浅源短并常年流水。

洞线在构造上位于大木亚背斜南翼, 尾部于桩号K15+300附近跨越渠马河向斜, 在南木林、黄土包穿越两个次级小褶曲。渠马河向斜北翼岩层产状总体为N60b ~80b W /SW N 50b ~10b , 核部产状近水平, 南翼岩层产状为N10b ~30b E /NWN 5b ~15b 。沿线断裂不发育, 仅在隧洞进口附近

收稿日期:2006-06-25

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老林湾、虾螃沟一带穿越地区性F1断层及其分支F2断层。除断层破碎带、构造挤压破碎带、局部节理密集带岩体破碎外, 其余岩体总体属较完整~完整。

3 引水隧洞的设计

本电站引水隧洞之长为国内所不多见。根据初步设计成果:电站建筑工程直接投资50147万元, 引水隧洞工程投资25362万元, 占建筑工程直接投资的50. 6%, 同时, 隧洞施工工期又是电站的控制工期。因此, 引水隧洞在整个电站系统中起着举足轻重的作用, 从而对引水隧洞的设计提出了很高的要求。3. 1 隧洞洞线的选择

引水隧洞选线主要根据以下原则进行选择:①综合考虑了隧洞沿线的岩性、产状、断层、节理等结构特征、地下水分布规律等因素, 尽可能避开对隧洞不利的工程地质和水文地质条件的区段, 力求洞线地质构造简单、岩体完整稳定、岩石坚硬、上覆岩体厚度大、水文地质条件有利以及施工方便。

②洞线选择同时兼顾洞线的长度和工程造价、施工工期及施工难易程度的关系。

③洞线遇沟谷时, 应根据地形、地质、沟谷中的水文情况及施工条件等, 进行绕沟或跨沟方案

的技术经济比较。初设阶段根据以上原则选择了A-A 、B -B 、C -C 三条洞线作技术经济比较。

(1) 引水洞线A-A 布置。

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引水隧洞A-A 洞线总体布置方向为自北向南, 洞线全长19613. 63m 。在虾螃沟、寨子上冲沟、下岩湾野人沟冲沟、罗家坝铧尖河沟及石地坝附近共设置5条施工支洞, 支洞总长3440. 59m 。

(2) 引水洞线B -B 布置。

引水隧洞B -B 线在A-A 线布置的基础上将进水口和穿越鹅项颈支沟段之间的洞线直线布置, 然后在东南方向直线到达调压井, 洞线总长18370m 。在虾螃沟、寨子上冲沟、下岩湾野人沟冲沟、罗家坝铧尖河沟及石地坝附近共设置5条施工支洞, 支洞总长7165. 69m 。

(3) 引水洞线C -C 布置。

引水洞线C -C 与引水洞线A-A 在进水口至寨子上冲沟段布置相同。在穿越寨子上冲沟后, 主洞洞线偏东南方向直线到达石地坝, 最后到达调压井, 途中用压力管桥穿越下岩湾野人沟冲沟和鹅项颈支沟, 管桥长740m 。引水洞线总长为19426. 75m 。在虾螃沟、寨子上冲沟、罗家坝铧尖河沟及石地坝附近共设置4条施工支洞, 支洞总长2795. 89m 。

从上述布置可以明显看出:B -B 洞线虽然比其余两条洞线短1. 3k m 左右, 仅占主洞洞长7%左右, 但支洞却增加了3725. 10m, 超过A-A 支洞总长, 显然, 施工难度增大, 工程投资是三条洞线中之最。虽然A-A 洞线主洞总长比C -C 洞线长186. 57m, 占洞线总长的1%左右, 支洞比C -C 洞线长664. 7m , 占支洞总长的20%, 但由于C -C 洞线比A-A 洞线相对靠近梅溪河河床, 且横穿下岩湾野人沟冲沟和鹅项颈支沟, 覆盖层较薄, 因此, A-A 洞线围岩条件相对于C -C 洞线较好, 而且主洞未设管桥, 降低了施工难度, 具有比较明显的优势, 因此, 初设阶段初步选择A-A 洞线。

在施工阶段, 根据具体施工地质和施工条件, 进一步对洞线过冲沟方案作了技术经济比较, 其中对跨沟方案作了钢管管桥和钢筋混凝土埋管的比较后, 认为钢管管桥穿沟较长并且在工程造价、施工难度、后期维护方面存在明显弱点, 最终选择钢筋混凝土埋管穿沟的方案。在初设选择的A-A 洞线的基础上作了相应调整, 最终确定了施工洞线。该施工洞线比初设洞线增加了引水主洞407. 15m, 但减少了施工支洞1385. 92m, 并缩短堵头掘进长度560m , 缩短施工工期6个月, 在工

程投资和施工工期上均取得了明显的效益, 洞线选择比较见表1。

表1 洞线选择比较表

洞 线

项 目

A-A 线

主洞长度/m施工支洞总长/m最大支洞长度/m最长独头掘进长度/m 隧洞施工工期/月

工程投资/万元投资比例/%

3440. 591232. [**************]0. 60

C-C 线2795. 89578. 19329148

26630105. 63

施工洞线2054. 67944. 58298442

25210100

19613. 6319426. 7520020. 78

3. 2 引水隧洞洞径及衬砌断面型式设计

3

电站设计引用流量46. 78m /s , 不同的洞径比较见表2。

表2 引水隧洞洞径选择比较表

项目流速/m#s

-1

洞 径 4. 62. 8227. 676. 010. 1160. 085140. 73

4. 43. 0833. 68

/m

4. 03. 7252. 0810. 510. 1380. 187561. 36

4. 23. 3841. 577. 890. 134

水头损失/m造价/亿元水头损失差值/m造价差值/亿元效益损失差现值/亿元效益损失差现值与造价差值的比值

2. 78652. 66992. 52102. 3983

0. 130980. 98

从表2可知, 4. 2m 洞径的效益损失差现值与造价差值的比值接近于1. 0, 经济效益指标较好, 因此选择隧洞洞径为4. 2m 。

隧洞断面型式对整个工程的投资和工期都有很大的影响。在水头损失相同的前提下, 对圆形断面、简易马蹄形及简易马蹄形开挖断面与圆形衬砌组合断面进行了比较, 各断面示意见图1。 简易马蹄形由于断面底部有平台, 可以降低开挖出渣、施工排水的难度, 但相对于圆形断面而言在承受内水压力时受力条件较差, 混凝土及配筋量较大, 从而增加了工程投资。圆形断面开挖后, 为满足施工条件需预留虚渣以形成出渣、排水的操作平台。由于隧洞开挖断面不大, 在一定程度上减少了开挖净空, 从而增加了开挖出渣及衬砌的施工难度, 降低了施工效率, 影响了施工进度。综合以上两断面的优点, 决定采用简易马蹄形开挖断面与圆形衬砌组合断面, 从而最大限度的满足设计和施工要求。3. 3 引水隧洞防沙及检修措施

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图1 不同断面比较示意图

电站坝址以上集水区岩性以灰岩为主, 流域植被条件较好, 泥沙来源主要为岩石风化和地表侵蚀。推移质主要来自两岸和支沟的崩塌、滑坡及人类活动的影响, 如采石、采矿、垦植等。隧洞来水在经过库内沉沙和进水口拦蓄作用后, 推移质被挡在进水口之外。隧洞来水平均含沙率很小, 其中粒径相对较小, 由于隧洞水流流速为3. 38m /s, 因此,

可以考虑隧洞内泥沙不淤积。

由于本电站引水隧洞长度特别长, 水头较高, 围岩相对较差, 难免会出现衬砌开裂、掉块等现象, 因此, 隧洞在1号、3号、5号施工支洞堵头(图2) 处设置了1. 0m @1. 8m 进人检修门, 在主洞围岩较好处设置若干集石井。3. 4

工程监测设计

图2 施工支洞封堵示意图

工程监测是隧洞工程设计和施工信息反馈的一个重要组成部分。本工程隧洞是一条超长、深埋、地质条件复杂的隧洞, 工程监测尤为重要。根据隧洞工程地质条件及结构型式, 结合实际情况, 确定监测的主要目的为:(1) 评价施工期围岩稳定性; (2) 根据围岩变形特征, 确定适当的支护时机; (3) 为选择正确的施工方法提供依据; (4) 为校核支护设计提供较准确的围岩参数; (5) 为隧洞的安全运行管理提供依据。

考虑本工程隧洞施工期及运行期的实际情况, 结合监测目的, 确定如表3所示的监测项目。

表3 工程安全监测项目表

量测项目净空变形量测围岩内部位移量测

(永久项目) 锚杆轴力量测(永久项目) 混凝土衬砌应力量测

(永久项目) 地下水渗透压力

量测工具钢尺收敛计多点位移计锚杆应力计应变计渗压计

每段相隔距离/m100~150(不良地质段)

3~5个测孔每断面3个测孔, 每孔

3~5个测点

3~5个测孔每断面3个测孔

4 结 论

结合本工程引水隧洞的设计和施工情况, 笔者对长有压引水隧洞的设计有以下一些体会:

(1) 长引水隧洞地质情况非常复杂, 仅靠现有的地质勘探手段很难准确的查清地质情况。要

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选择出洞线短、工期短、造价低的洞线是非常困难的, 因此, 隧洞洞线的选择是一个反复动态的设计过程, 尤其是对长引水隧洞的洞线选择更是如此, 设计应把握先整体、后局部、再整体的思路, 从地质条件、施工条件、工程造价等多角度进行比较。(2) 长引水隧洞往往不可避免的会遇到大大小小的冲沟, 因此, 对于洞线选择中对跨沟或绕沟的不同方案的选择往往是洞线设计的重中之重。

(3) 衬砌断面选择的合理性直接影响工程投资和施工工期, 因此, 衬砌断面应根据实际地质条件来选择不同的断面型式。从类似工程的施工情况看, 对于跨度不大的断面, 简易马蹄形开挖断面施工条件方便, 受力条件简单; 对于长有压引水隧洞而言, 由于受到工期的制约, 往往要先衬边顶拱, 后衬底拱, 这种断面型式对于边顶拱的反缝处理相对简单。(上接第67页)

住向上提。另外, 可用特制的钩子钩住钻头后再慢慢向上提; 假如钻头提不动, 可尽量让钻头转个方向或放炮后再向上提。

(4) 防止槽孔缩径。可以在此软层中反复回填混合均匀的黄泥和碎石或在施工中反复提几次钻头, 让钻头刮掉孔壁上多余的部分。由于缩径而造成的卡钻可采用反冲的方法慢慢向上提, 再用弧铲或冲针冲击钻头四周, 此方法无效时可采用爆破的方法进行处理。3 结 论(上接第85页)

[4] 邓红霞, 李存军, 朱 兵, 等. 基于鲁棒PCA 聚类分析的

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[8] 丁 晶, 王文圣, 赵永龙. 长江日流量混沌变化特性研

究) ) ) Ⅰ相空间嵌入维数的确定[J].水科学进展, 2003,

(4) 工程监测是隧洞工程设计和施工信息反馈的一个重要组成部分, 对于超长隧洞而言是必不可少的, 可以根据工程的重要性选择必要的观

测项目。

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1990. 作者简介:

项庆伟(1977-), 男, 重庆市人, 工程师, 学士, 从事水电工程设计

工作;

徐景伟(1963-), 男, 浙江丽水人, 总经理, 经济师, 从事水电工程

技术与管理工作.

(责任编辑:李燕辉)

以上是笔者在双河水电站首部枢纽防渗墙施工过程中总结的经验。在实际施工过程中, 对于不同的孔内事故采取不同的措施, 希望这些经验能给有关施工人员在处理孔内事故时提供借鉴。

作者简介:

付荣华(1974-), 男, 重庆垫江人, 工程师, 学士, 从事水电工程施

工管理工作;

刘 旭(1971-), 男, 四川简阳人, 工程师, 学士, 从事水电工程建

设管理工作;

郭立明(1957-), 男, 河南洛阳人, 总监理工程师, 从事水利水电工

程监理工作.

(责任编辑:李燕辉)

14(4):412~416.

[9] 李眉眉, 丁 晶, 王文圣. 基于混沌理论的径流降尺度分

析[J ].四川大学学报(工学版), 2004, 38(3):14~19. 作者简介:

李存军(1973-), 男, 四川营山人, 讲师, 博士, 研究方向:交通规

划;

邓红霞(1979-), 女, 四川成都人, 博士研究生, 研究方向:水资源

管理;

孙 熠(1978-), 女, 甘肃兰州人, 讲师, 博士研究生, 研究方向:水

利水电工程开发;

丁 晶(1935-), 男, 江苏南通人, 教授, 研究方向:水文水资源.

(责任编辑:李燕辉)

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