九條嶺水電站引水隧洞優(yōu)化設(shè)計

庹世華

(甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設(shè)計院 甘肅張掖 734000)

1 工程概況

九條嶺水電站位于甘肅省肅南裕固族自治縣境內(nèi)，石羊河一級支流西營河九條嶺煤礦附近。廠房距武威市55km，為西營河上規(guī)劃中的第4 座水電站，電站的主要任務(wù)是發(fā)電，采用引水式開發(fā)。

電站壩閘址處多年平均流量9.73m3/s，設(shè)計引水流量20m3/s，設(shè)計水頭56m，裝機3 臺。為適應(yīng)西營河峰貧流量變化大的特點，機組布置2臺大機，1 臺小機，總裝機容量8.7MW，多年平均發(fā)電量3400萬kW·h。

電站由首部樞紐、引水隧洞、調(diào)壓井、高壓管道、發(fā)電廠房及升壓站等組成，屬小(二)型五等工程。電站實際總工期24 個月，于2011年3月全部完工，4月首臺機組發(fā)電，6月3 臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電并網(wǎng)運行。

2 初設(shè)階段引水隧洞布置及設(shè)計的基本情況

根據(jù)電站總體布置，首部樞紐位于九條嶺煤礦跨河大橋下游660m 處，樞紐有壓進水口后設(shè)置6.4m 漸變段進入引水隧洞，引水隧洞布置在西營河右岸的山體里。引水隧洞長4458m，設(shè)計流量20m3/s，設(shè)計縱坡1/380，設(shè)計流速2.83m/s。設(shè)計斷面為圓形，直徑為3m，采用鋼筋混凝土全襯砌方案。

根據(jù)引水隧洞的工程地質(zhì)條件評價及圍巖分類，該區(qū)域以Ⅲ類圍巖為主，占總長度的74.7%，長為3330m。其次為Ⅳ類圍巖，占總長度的25.3%，長度為1128m。根據(jù)各段巖性力學參數(shù)，按照結(jié)構(gòu)力學方法計算結(jié)果，對于Ⅲ類圍巖地段，采用厚度0.3m 的C20 現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌；對于Ⅳ類圍巖地段，采用厚度0.4m 的C20現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌。隧洞襯砌的設(shè)計原則為限制裂縫寬度設(shè)計。對隧洞襯砌的頂部進行回填灌漿，灌漿范圍為頂拱120°以內(nèi)。對隧洞襯砌全部進行固結(jié)灌漿。

主洞沿線靠河側(cè)布置3 條施工支洞，支洞總長約600m。電站計劃工期30 個月，樞紐、廠房等為常規(guī)施工，隧洞施工期成為整個電站的控制工期。

3 引水隧洞優(yōu)化設(shè)計緣由

初設(shè)階段引水隧洞設(shè)計橫斷面為圓形，襯砌內(nèi)徑3m，開挖跨度和高度只有3.6～3.8m，均小于5m，規(guī)模屬于最小的一類隧洞。為了便于洞內(nèi)施工機械行走，隧洞開挖時通常采用的施工方法，一種是全斷面開挖，底部填筑開挖料形成水平交通路面，混凝土澆筑時再將底部填筑料清除。另一種是采取部分斷面開挖，底部部分巖石預留，形成水平交通路面?；炷翝仓r再進行二次開挖，把底部預留巖石清除。兩種方法底部填筑開挖料或預留巖石的最大厚度約50cm，底部形成的水平寬度約2.4～2.6m，兩側(cè)凈高2.6m左右。經(jīng)計算，這種斷面洞內(nèi)布置激光導向儀、供水管、高壓電纜、低壓電纜、照明燈具、通風排煙管、供風管等其他設(shè)施后，開挖出渣機械只能利用7YPJ-1450D2 農(nóng)用自卸三輪汽車，外形尺寸為4.58m×1.6m×2m，而洞內(nèi)混凝土澆筑也只能利用該車型的三輪罐車，每車只能裝 0.5～0.8m3開挖料或0.8～1.2m3混凝土拌合物。出渣效率和運送混凝土拌合物效率均較低，嚴重影響隧洞施工工期，進而影響電站總工期的長短。隧洞的施工工期成為影響電站工期的主要制約因素。為此，在施工圖設(shè)計階段，對該隧洞斷面進行了優(yōu)化設(shè)計。

4 引水隧洞優(yōu)化設(shè)計

4.1 初步方案

根據(jù) SL279—2002《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》4.2.2 條的規(guī)定，有壓隧洞宜采用圓形斷面，在圍巖穩(wěn)定性較好，內(nèi)、外水壓力不大時，可采用便于施工的其他斷面形狀。本隧洞為有壓引水隧洞，結(jié)合隧洞工程的工程地質(zhì)條件、內(nèi)外水壓力大小、洞徑等因素，提出如下優(yōu)化方案。

根據(jù) SL279—2002《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》6.1.10 規(guī)定，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)該考慮隧洞的壓力狀態(tài)、圍巖最小覆蓋厚度、圍巖分類、圍巖承擔內(nèi)水壓力的能力等4 項因素。進行巖洞襯砌型式的選擇時，可按照表6.1.10 并通過工程類比研究決定。表中對于有壓引水隧洞，按照限裂設(shè)計原則，并且最小覆巖體厚度和承擔內(nèi)水壓力能力滿足要求時，對于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖可以采用錨噴（錨噴宜在低壓洞使用）、鋼筋混凝土襯砌，對于Ⅳ類圍巖采用鋼筋混凝土襯砌。

通過對本電站隧洞沿線圍巖情況的分析，本次優(yōu)化，將Ⅳ類圍巖的洞段襯砌斷面型式，由初步設(shè)計階段的圓形鋼筋混凝土襯砌斷面，優(yōu)化為馬蹄形鋼筋混凝土襯砌斷面。劃分為Ⅲ類圍巖的洞段，地質(zhì)巖性和內(nèi)水壓力，上、下游不盡一致。經(jīng)初步分析判定，距離引水樞紐較近，處于上半段的Ⅲ類圍巖，巖性較好，大部分為砂巖，內(nèi)水壓力較小，最小為9m，最大為15m；Ⅲ類圍巖的剩余段，巖性為含礫砂巖或者泥巖互層結(jié)構(gòu)，內(nèi)水壓力相對較大，最小為15m，最大為31m。經(jīng)計算，Ⅲ類圍巖各段最小覆巖體厚度均滿足規(guī)范要求，同時具備圍巖承擔內(nèi)水壓力的能力，符合SL279—2002《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的采用錨噴鋼筋混凝土襯砌的基本條件。故本次對Ⅲ類圍巖段的襯砌型式進行優(yōu)化時，根據(jù)Ⅲ類圍巖各段地質(zhì)條件的差異，將初步設(shè)計階段的圓形鋼筋混凝土襯砌斷面，優(yōu)化為圓形錨噴斷面和馬蹄形鋼筋混凝土襯砌斷面。距離引水樞紐較近、內(nèi)水壓力較小、大部分為砂巖的洞段采用圓形錨噴斷面；距離引水樞紐較遠、內(nèi)水壓力較大、巖性為含礫砂巖或者泥巖互層結(jié)構(gòu)的洞段采用馬蹄形鋼筋混凝土襯砌斷面。Ⅲ類圍巖段圓形鋼筋混凝土斷面優(yōu)化為錨噴斷面以后，充分發(fā)揮了隧洞圍巖的自承和承載能力。

4.2 主要成果

根據(jù)引水隧洞優(yōu)化設(shè)計初步方案，Ⅲ類圍巖段和Ⅳ類圍巖段圓形鋼筋混凝土襯砌斷面優(yōu)化為馬蹄形鋼筋混凝土襯砌斷面以后，其襯砌混凝土標號和襯砌厚度不變，即Ⅲ類圍巖段采用C20鋼筋混凝土襯砌，厚度30cm；Ⅳ類圍巖段采用C20 鋼筋混凝土襯砌，厚度40cm。襯砌斷面內(nèi)邊尺寸，按照優(yōu)化前等水頭損失的原則確定。經(jīng)計算，Ⅲ類圍巖段和Ⅳ類圍巖段斷面均為高度2.94m，寬度2.9m 的馬蹄形斷面（相當于直徑3m的圓形斷面），頂拱、側(cè)墻和底板均為圓弧，頂拱半徑1.45m，側(cè)墻半徑2.9m，底板半徑2.9m。設(shè)計糙率不變，為0.014。Ⅲ類圍巖段圓形鋼筋混凝土襯砌斷面優(yōu)化為圓形錨噴襯砌斷面，其襯砌結(jié)構(gòu)為，底部120°范圍內(nèi)采用C15 混凝土現(xiàn)澆，襯砌厚度20cm；其余240°范圍內(nèi)采用錨噴襯砌，噴混凝土厚度10cm，錨桿長為3m，直徑22mm，錨桿縱橫向間距1m。襯砌斷面內(nèi)邊尺寸，同樣按照和優(yōu)化前等水頭損失的原則確定。經(jīng)計算，內(nèi)徑為 3.85m，噴混凝土部分設(shè)計糙率為0.033，現(xiàn)澆混凝土部分設(shè)計糙率為0.014，錨噴隧洞綜合設(shè)計糙率為0.0267。

優(yōu)化后引水隧洞設(shè)計縱坡為 1／380，圓形錨噴斷面設(shè)計流速為 1.48m/s，隧洞長度為476.5m。馬蹄形鋼筋混凝土襯砌斷面設(shè)計流速為2.83m/s，隧洞長度為3981.5m（其中：Ⅲ類圍巖段長度為 2853.5m，Ⅳ類圍巖段長度為1128m）。

優(yōu)化前后各類斷面的具體尺寸詳見圖1。

4.3 隧洞線型進一步修改完善

馬蹄形斷面的特點是頂拱、側(cè)墻及底板均為圓弧形，由于該隧洞馬蹄形斷面尺寸較小，尤其是側(cè)墻、底板圓弧施工放樣控制及架設(shè)模板難度較大。為此，對優(yōu)化后的馬蹄形斷面線型又進行了修改，將馬蹄形斷面左、右側(cè)墻由圓弧形修改為1:0.2 的直線形，底板由圓弧形修改為水平直線形，并在側(cè)墻與底板拐角處設(shè)置1:2 的坡腳，以增大拐角局部斷面尺寸以解決拐角應(yīng)力集中的問題。襯砌厚度及混凝土標號不變。

馬蹄形斷面占隧洞總長度的89.3%左右，圓形錨噴斷面占隧洞總長度的10.7%左右。馬蹄形斷面線型修改以后，為了便于圓形錨噴斷面與修改后的馬蹄形斷面的銜接，同時也便于圓形錨噴斷面施工，對圓形錨噴斷面線型也進行了修改，將圓形錨噴斷面兩側(cè)由圓弧修改為1∶0.2 的直 線形，底部由圓弧修改為水平直線型，錨噴厚度及底板襯砌厚度及混凝土標號不變。斷面線型修改前后具體尺寸詳見圖1。

5 引水隧洞優(yōu)化后總體效果分析

圖1 隧洞斷面優(yōu)化前后及線型修改前后附圖

馬蹄形斷面是圓拱直墻形斷面的一種改進型式。圓形鋼筋混凝土襯砌斷面優(yōu)化為馬蹄形鋼筋混凝土襯砌斷面和馬蹄型錨噴襯砌斷面以后，減少了開挖清底的二次工序，底部填筑料或者底部預留巖石的工程量由原來的0.87m3/s 減少到0。增大了施工利用空間，底部形成的水平寬度增大到 2.9～3.3m，兩側(cè)凈高也增大到 2.9～3.3m。經(jīng)計算，考慮洞內(nèi)激光導向儀、供水管、高壓電纜、低壓電纜、照明燈具、通風排煙管、供風管等其他設(shè)施的布置后，開挖出渣機械可以利用 LT5820CD 農(nóng)用自卸六輪汽車，外形尺寸5.58m×2.0m×2.38m，洞內(nèi)混凝土澆筑利用該車型的六輪罐車，每車可以裝1～1.3m3開挖料或1.5～1.8m3混凝土拌合物，出渣效率和運送混凝土拌合物效率大大提高。這兩項優(yōu)化措施對縮短工期起到了至關(guān)重要的作用。

優(yōu)化前后及線型修改后各斷面每延米主要工程量、投資對比情況詳見表1、表2。

通過對隧洞斷面優(yōu)化和線型修改，工程量和工程投資均有所增加，投資增加約150萬元。但減少了開挖清底的二次工序，減少投資約40萬元，提高了隧洞開挖和混凝土澆筑的效率。實際工期24 個月，比計劃工期縮短6 個月。提前6個月發(fā)電，直接增加發(fā)電效益385萬元，增加綜合效益275萬元。

根據(jù)施工期對圍巖的進一步判斷和地質(zhì)編錄情況，劃分為Ⅲ類圍巖和Ⅳ類圍巖段馬蹄形鋼筋混凝土襯砌段長度、巖性，基本與施工圖吻合，而劃分為Ⅲ類圍巖錨噴襯砌的段落，長度與施工圖吻合，巖性比預測的要好，可以判定為Ⅱ類圍巖，這樣錨噴方案更加可靠。通過有限元法計算，優(yōu)化前后和線型修改后的襯砌應(yīng)力、頂拱、側(cè)墻和底板中間變化不大。側(cè)墻和底板拐角處應(yīng)力較大，設(shè)計中通過增大拐角處混凝土襯砌厚度的辦法加以解決。混凝土襯砌配筋直徑、間距優(yōu)化前后不變，取得了較好的效果。

附表1 隧洞斷面優(yōu)化前后每延米主要工程量、投資對比情況表

表2 隧洞斷面線型修改前后每延米主要工程量、投資對比情況表

6 結(jié)語

在西營河九條嶺電站引水隧洞設(shè)計中，為了解決該隧洞斷面施工空間狹窄，而造成出渣效率和運送混凝土拌合物效率均較低，嚴重制約隧洞施工工期的難題，通過對隧洞橫斷面的優(yōu)化設(shè)計，將圓形鋼筋混凝土襯砌斷面優(yōu)化為馬蹄型鋼筋混凝土襯砌斷面，部分圍巖較好的洞段，充分利用圍巖的自承和承載能力，優(yōu)化為馬蹄形錨噴斷面。雖然工程量和工程投資均有所增加，但減少了開挖清底的二次工序，增大了施工空間，大大提高了隧洞施工效率，縮短了工期，綜合效益顯著。

該電站工程已建成運行近一年，效果較好，達到了預期的目的。該電站隧洞的優(yōu)化設(shè)計，對類似小洞徑隧洞的設(shè)計，具有較好的借鑒價值。