桑皮勒水電站發(fā)電引水系統(tǒng)洞線比較設(shè)計

陳 剛

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

桑皮勒水電站位于新疆喀什地區(qū)塔什庫爾干塔吉克自治縣，主要任務(wù)是發(fā)電，采用混合式開發(fā)，水庫正常蓄水位2 640 m，相應(yīng)庫容約4.52億m3。電站裝機容量690 MW，發(fā)電引用流量295.2 m/s3，發(fā)電水頭353 m。工程等別為大(2)型Ⅱ等工程，樞紐主要建筑物大壩為1級建筑物，其他主要建筑物(泄洪建筑物、發(fā)電引水系統(tǒng)建筑物)為2級建筑物，次要建筑物為3級建筑物。

2 發(fā)電引水系統(tǒng)洞線布置

根據(jù)電站設(shè)計布置，廠房位于壩址下游47.5 km處右岸岸坡，工程區(qū)河道呈“Ω”型的地形條件，發(fā)電引水系統(tǒng)采用“裁彎取直” 的布置方案；因此發(fā)電引水洞布置在右岸，河道兩岸山勢險峻，河谷狹窄呈“V”型；發(fā)電引水洞線較長，約為10 km，電站屬于大流量、高水頭電站。洞線上覆巖體蓋厚度較大，一般埋深48～1 400 m，巖性主要為黑云母石英片巖、砂巖、凝灰質(zhì)粉砂巖夾礫巖。發(fā)電引水系統(tǒng)主要由進口閘井段、上平洞段、調(diào)壓井、壓力管道段、出口明管段組成，其中上平洞低壓洞身段洞徑9.2 m。

由于洞線較長，沿線要布置多條施工支洞，施工工期對整個工程工期影響較大。所以發(fā)電引水系統(tǒng)對工程的工期、投資及電站的運行安全影響較大，因此選擇技術(shù)、經(jīng)濟、安全的布置方案尤為重要。決定這些問題最關(guān)鍵的因素則是發(fā)電引水系統(tǒng)洞線的選擇。

3 洞線選擇

(1)進水口盡量避免高陡邊坡及軟弱破碎帶的影響，選擇地形、地質(zhì)條件較好的部位。

(2)根據(jù)地形條件盡可能將洞線布置成直線，減少彎道，使洞線最短，減少工程量。

(3)根據(jù)地質(zhì)條件力求洞線與巖層、構(gòu)造斷裂面及軟弱帶具有較大的夾角，并盡量減小洞線與最大水平地應(yīng)力方向的夾角。

(4)考慮施工支洞的布置，盡量縮小其長度，縮短發(fā)電洞的施工工期。由于發(fā)電引水洞高壓管道段受地面廠房布置位置的限制，可調(diào)范圍不是很大，所以發(fā)電引水洞線比選主要對低壓上水平段的洞線進行比選。壩址處右岸壩肩自然邊坡30°～50°，高程2 620 m以下基巖多裸露；以上覆蓋厚層崩坡積物，基巖為黑云石英片巖，進水口布置于壩軸線上游約170 m處；該部位基巖裸露，且避開了深厚覆蓋層對進口的影響，對進水口布置較為有利。

4 方案比選

4.1 方案介紹

根據(jù)工程區(qū)地形地質(zhì)條件，河道呈“Ω”型的地形條件，洞線總體布置采用“裁彎取直”的布置，本階段對發(fā)電引水系統(tǒng)進水口及引水隧洞洞線擬定了兩個方案進行綜合技術(shù)經(jīng)濟比選：

方案一即直線方案，發(fā)電洞進口與調(diào)壓井之間采用直線相接；此方案發(fā)電洞洞線最短，洞身投資最小。

方案二即折線方案，結(jié)合工程地形、地質(zhì)、施工條件，在滿足成洞條件的基礎(chǔ)上，盡量縮短施工支洞長度、縮短施工工期。

4.2 各方案工程地質(zhì)條件

4.2.1 基本地質(zhì)條件

(1)地形地貌

發(fā)電引水隧洞穿越葉爾羌河圍限的“Ω”型脊狀基巖山體，山頂高程3 670～4 100 m，區(qū)內(nèi)沖溝較發(fā)育。發(fā)電廠房布置于桑皮勒村上游2.3 km的右岸寬河漫灘，后邊坡坡高1 350 m，山頂高程3 950～4 260 m，岸坡走向330°，自然坡度35°～46°。

(2)地層巖性

發(fā)電引水系統(tǒng)出露地層主要有石炭系、元古界及第四系。

①元古界(Pt1b)

元古界布侖闊勒巖群(Pt1bb)：巖性為石英片巖、石英變粒巖，呈中厚層狀，巖層結(jié)構(gòu)較完整，層理清晰。

元古界布侖闊勒巖群(Pt1bc)：巖性為綠泥石片巖，灰綠色，呈薄層狀～中厚層狀。

②石炭系(C2)：巖性為砂巖、凝灰質(zhì)砂巖夾礫巖等，主要分布于桑拉荷皮勒溝至亞西僥溝之間，亞希洛夫達坂東北側(cè)，呈北西向帶狀展布，為廠址主要巖性。

③第四系(Q)：區(qū)內(nèi)第四系地層分布極為廣泛，分布面積廣，按成因可分為冰磧、洪積、崩坡積、沖積。

4.2.2 發(fā)電引水洞線工程地質(zhì)條件

(1)方案一與方案二洞線地質(zhì)條件基本相同。

(2)方案一隧洞工程地質(zhì)條件及評價如下：

進口段位于壩軸線上游約170 m左岸邊坡上，自然坡度45°～55°，基巖裸露為黑云石英片巖，巖層走向與邊坡交角10°～15°，傾坡外，邊坡整體穩(wěn)定。進口閘井開挖深度76 m左右，基礎(chǔ)位于弱風化至新鮮巖體內(nèi)。

洞身段上覆巖體厚度一般15～1 000 m，最大1 488 m，巖性為黑云石英片巖，巖層走向與洞線交角30°～50°，沿線無大規(guī)模斷層通過；洞身段大部位于基巖裂隙水位以下，洞室可能有滲水或線狀滲水現(xiàn)象。洞室以Ⅲ類圍巖為主，進、出口淺埋段、過大沖溝段及斷層帶等部位為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，約占總長的26.8%。

5 洞線布置

5.1 方案一

《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：洞線與巖層、主要構(gòu)造斷裂面及軟弱帶走向應(yīng)有較大的夾角，其夾角不宜小于30°。本工程洞線穿越了黑云母石英片巖、砂巖、凝灰質(zhì)粉砂巖夾礫巖，層狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)規(guī)范要求在滿足洞線與巖層、構(gòu)造斷裂面及軟弱帶走向交角不宜小于30°的原則下，應(yīng)盡量滿足洞線與巖層、構(gòu)造斷裂面及軟弱帶走向交角要求，以綜合考慮減少彎道，洞線最短，布置成直線；在滿足隧洞最小側(cè)覆蓋、上覆蓋厚度的前提下，將洞線盡量向岸邊布置，布置了方案一。方案一引水隧洞上水平洞段長9.38 km(至調(diào)壓井中心線)。

5.2 方案二

結(jié)合工程地形、地質(zhì)、施工條件，在滿足成洞條件的基礎(chǔ)上，盡量縮短施工支洞長度、單工作面長度，縮短施工工期，布置了方案二。方案二引水隧洞上水平洞段長9.96 km(至調(diào)壓井中心線)。

6 洞線比較

對洞線兩個方案在上覆蓋、側(cè)覆蓋厚度和沖溝處根據(jù)地質(zhì)剖面，按抗抬理論計算了側(cè)覆蓋安全系數(shù)，然后從地形、地質(zhì)條件、隧洞長度、施工支洞長度、工期等方面進行比較(見表1)。

表1 洞線兩方案對比

6.1 地形、地質(zhì)條件

從地形上看，引水發(fā)電洞位于葉爾羌河右岸，發(fā)電洞進口均位于上壩線右岸上游170 m處的陡坎下部，引水發(fā)電隧洞穿越右岸山體至廠房之間的中山區(qū)，上覆巖體厚度一般15～1 000 m，最大1 488 m。

方案一與方案二洞線穿越的地層巖性基本相同，方案二較方案一靠近岸邊，隧洞側(cè)覆蓋、上覆蓋安全系數(shù)均滿足要求。兩條洞線Ⅲ類圍巖所占比例分別為74.01%、73.94%，Ⅳ類圍巖所占比例分別為24.15%、24.31%，Ⅳ類圍巖所占比例分別為1.84%、1.75%，兩個方案洞線地質(zhì)條件基本相同。

6.2 洞線的長短

方案一、方案二洞線上水平段隧洞長度分別為9.38、9.96 km。方案一洞線長度略短，方案一較方案二短580 m。

6.3 施工條件

方案一將洞線布置成直線，減少彎道，使洞線最短。方案二考慮施工支洞的布置，盡量縮短發(fā)電引水洞單工作面控制段長度，以縮短發(fā)電洞的施工工期。

6.4 施工支洞布置

根據(jù)洞線的布置原則，結(jié)合地形條件設(shè)置施工支洞(見表2、表3)。

表2 方案一施工支洞布置特性

表3 方案二施工支洞布置特性

6.5 控制工期

方案一布置了4條施工支洞，總長3 027 m，方案二也布置了4條施工支洞，總長2 647 m，方案二施工支洞長度比方案一短約380 m。方案一控制段單工作面長度為3 032 m，方案二單工作面控制段長度為2 843 m，方案二控制段單工作面長度比方案一短189 m，方案二較方案一施工效率高、通風散煙容易。方案一施工總進度為76個月，其中施工準備期18個月(與主體工期重合)，主體工期73個月，完建期3個月；方案二施工總進度為70個月，其中施工準備期18個月(與主體工期重合)，主體工期67個月，完建期3個月。

6.6 工程投資

方案一發(fā)電引水洞直接費用(含施工支洞，臨時道路)113 151.04萬元，方案二發(fā)電引水洞直接費用(含施工支洞，臨時道路)116 279.54萬元。

6.7 結(jié)論

從地形地貌、地質(zhì)條件看：方案一與方案二洞線穿越的地層巖性、圍巖類別基本相同。

從洞長方面看：方案二洞線較方案一洞線長約580 m。

從施工條件方面看：方案二施工支洞較方案一短約380 m，單工作面控制段長度方案二較方案一短

189 m，方案二單工作面長度短通風散煙較容易，施工效率高，方案二施工總工期較方案一短6個月，施工條件較優(yōu)。

從投資可以看出：方案二較方案一多3 128.5萬元，方案二施工總工期提前6個月，根據(jù)工程多年平均發(fā)電量，提前6個月電量約占多年平均發(fā)電量的6.6%(約為1.36億kW·h)；按工程初步直接費估算電價0.264元/kW·h計算，提前6個月工期產(chǎn)生效益約為3 590萬元。

綜上所述，從工程的地形地貌、地質(zhì)、施工工期、工程投資及經(jīng)濟效益等方面綜合比較分析方案二較方案一優(yōu)，推薦方案二為初擬洞線。

7 結(jié) 語

桑皮勒水電站發(fā)電引水洞洞線較長，地質(zhì)條件較復(fù)雜，發(fā)電引水洞方案設(shè)計對工程投資及施工工期影響較大，需通過洞線比較，綜合考慮，從而選出較優(yōu)方案。

[1] DL/T 5195—2004，水工隧洞設(shè)計規(guī)范[S].

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[3] 潘家錚.水工建筑物設(shè)計叢書：水工隧洞和調(diào)壓室：水工隧洞部分 [M].北京：中國水利水電出版社，1990.

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[5] 掌于昶，孫海權(quán)，關(guān)李海.吉沙水電站低壓引水隧洞關(guān)鍵技術(shù)問題研究[J].水利發(fā)電，2012，38(3)：54_57.