拉氣水電站深埋長輸水隧洞設(shè)計

梁 堅

(云南省昆明市水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650231)

云南省文山州馬關(guān)縣拉氣水電站位于中越界河大梁子河下游峽谷河段，為流域規(guī)劃的第七級，也是最后一級。大梁子河與右岸支流咪糊河交口處為大梁子電站(第六級)廠區(qū)，經(jīng)壩址比選后，確定拉氣水電站的取水樞紐布置于兩河交匯口以下約0.6km處，其下游約0.7km后大梁子河為中越界河，河左岸為中國，右岸為越南；廠址位于大梁子河與齋河交口處，距取水樞紐直線距離約10km，交匯口以下齋河完全進入越南境內(nèi)。拉氣水電站為輸水式徑流電站，輸水隧洞長度10.2km，建設(shè)任務(wù)為單一的水力發(fā)電，無綜合利用功能。電站裝機規(guī)模50MW，保證出力10.34MW，多年平均發(fā)電量27518萬kW·h，年利用小時數(shù)為5504h。機組臺數(shù)為2臺，單機容量25MW，設(shè)計流量26.2m3/s，額定水頭231m。拉氣水電站樞紐建筑物主要由攔河壩、泄洪沖砂建筑物、取水口、有壓輸水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、廠房及尾水渠、升壓站等組成。工程區(qū)場地地震動峰值加速度為0.05g，對應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度，工程按Ⅵ度設(shè)防。

1 輸水隧洞設(shè)計

1.1 輸水方式選擇及線路布置

由于特殊的地理條件，輸水建筑物只能布置于大梁子河的左岸中國境內(nèi)，工程區(qū)位于峽谷地帶，地形切割深，山高坡陡，若采用明渠輸水方案，一是施工難度大，二是會對地表環(huán)境造成破壞，產(chǎn)生新的水土流失，爆破開挖等易引起與越南的外事糾紛。經(jīng)分析比較，采用隧洞輸水方案?？紤]到廠區(qū)地形較陡，無設(shè)置壓力前池的條件，同時為充分利用取水樞紐壅高形成的水頭，隧洞形式采用有壓洞，在廠區(qū)設(shè)置地下調(diào)壓井后接入壓力管道。

隧洞線路選擇原則為最大限度縮短主洞和施工支洞長度，以及盡量避開不良地質(zhì)條件對隧洞、調(diào)壓井的影響。經(jīng)綜合比較和優(yōu)化，最終確定洞線由6段直線及5段轉(zhuǎn)彎段組成，兩段直線間用圓弧連接。隧洞從進口至調(diào)壓井全長10.2km，最大埋深895m，根據(jù)交通和地質(zhì)條件共設(shè)5個施工支洞，兩支洞間最小控制洞長1.021km，最大控制洞長3.812km，支洞總長約2.5km。

1.2 洞徑選擇及底坡確定

在滿足規(guī)范對隧洞內(nèi)流速、壓力升高等的要求下，為減少水頭損失提高電能指標(biāo)，并節(jié)省工程投資，確定經(jīng)濟合理的洞徑，對3.2m、3.4m及3.6m 3種洞徑進行了水能、效益和投資等計算比較。根據(jù)比較結(jié)果，隧洞洞徑3.6m為最優(yōu)方案。

根據(jù)進水口布置條件，隧洞進口底板高程確定為442.20m，經(jīng)計算隧洞過設(shè)計流量26.2m3/s時，糙率取最小值對應(yīng)水頭損失為11.9m，糙率取平均值對應(yīng)水頭損失為15.66m，糙率取最大值對應(yīng)水頭損失為19.34m。調(diào)壓井最低波動水位為411.713m，為保證壓力管道進口淹沒水深，計算出調(diào)壓井底板高程為397.00m，此時，壓力管道首端管頂以上水深為12.113m，由此推出隧洞平均底坡為i=4.25‰。隧洞始末兩端高差43.2m，隧洞過設(shè)計流量時最大水頭損失為19.34m，滿足規(guī)范對隧洞內(nèi)流速、壓坡線及發(fā)電要求。

1.3 隧洞地質(zhì)條件

隧洞沿線圍巖為寒武系上統(tǒng)(ε3)歇場組(ε3X)和唐家壩組地層(ε3t)，巖性主要為白云巖夾白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r、白云巖、凝灰?guī)r等。沿線地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，共分布2條區(qū)域性斷裂(F1、F2)和5條次級斷裂(f1、f2、f3、f4、f5)，斷裂走向基本與洞軸線正交或大角度斜交，傾角40°～80°，區(qū)域斷裂寬度10～50m，次級斷裂寬度1～10m。受斷層和節(jié)理的影響，部分地段圍巖較破碎。根據(jù)圍巖的巖石強度、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水和主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等進行綜合分析評價，初步將隧洞圍巖分為Ⅱ～Ⅴ類，其中Ⅱ類圍巖占11.2%；Ⅲ類圍巖占63.2%；Ⅳ類圍巖占14.6%；Ⅴ類圍巖占11.0%。

1.4 隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.4.1 隧洞襯砌型式

隧洞大部為洞身段基本穩(wěn)定和穩(wěn)定性差段，圍巖類別為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類，斷層破碎帶及其影響帶為洞身不穩(wěn)定段，圍巖類別為Ⅴ類。對Ⅱ類為主，間夾少量Ⅲ類圍巖的襯砌型式經(jīng)對素混凝土與噴混凝土進行技術(shù)經(jīng)濟綜合比較后，采用噴錨支護；Ⅲ～Ⅴ類圍巖在初期支護的基礎(chǔ)上采用鋼筋混凝土襯砌，其中Ⅲ類圍巖為單層鋼筋，襯砌厚度40cm，Ⅳ～Ⅴ類圍巖為雙層鋼筋，其中，Ⅳ類圍巖襯砌厚度40cm，Ⅴ類圍巖襯砌厚度50cm。推薦的支護及襯砌形式見表1。

表1 隧洞支護和襯砌型式參數(shù)

1.4.2 隧洞混凝土襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計

隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計，遵循下列原則和基本假定：

(1)視支護、襯砌和圍巖為統(tǒng)一的復(fù)合體，即考慮支護、襯砌和圍巖共同作用。

(2)為了最大限度地利用圍巖抵抗內(nèi)水壓力，同時考慮減少滲漏，襯砌結(jié)構(gòu)按限裂設(shè)計，限裂寬度為0.25mm。

采用DL/T5195-2004《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》[1]附錄G“圓形有壓隧洞襯砌計算”，將隧洞視為無限單性介質(zhì)中的厚壁圓筒。經(jīng)計算初步得出各類圍巖在各種工況下的結(jié)構(gòu)或限裂配筋。

由于深埋長隧洞受資金條件限制，地勘工作以區(qū)域和地表測繪及推測為主，得出的結(jié)論不一定與實際情況完全吻合，因此，加強施工階段地質(zhì)工作非常關(guān)鍵。根據(jù)開挖揭露的實際地質(zhì)條件多數(shù)洞段與前期勘探結(jié)論基本一致，但也有部分地段存在較大差異，如里程3+077～3+700圍巖為凝灰?guī)r，地下水豐富，巖體遇水易軟化，強度低，穩(wěn)定性極差，其中里程3+330～3+500段鋼支撐變形嚴(yán)重；再如里程9+500附近巖溶較發(fā)育，規(guī)模較大的有2處，直徑約1.0m，并賦有地下水，穩(wěn)定流量約5L/s。除此之外，其他洞段開挖時未發(fā)現(xiàn)地下水，前期預(yù)測可能存在的高地下水位和深埋段可能出現(xiàn)的巖爆等問題均未出現(xiàn)。

根據(jù)開挖揭露的實際地質(zhì)條件對隧洞結(jié)構(gòu)重新進行復(fù)核計算，最終確定的支護和襯砌型式如下。

(1)Ⅱ類圍巖。底板澆筑20cm厚素混凝土，邊墻和頂拱采用噴錨支護，噴護型式根據(jù)圍巖完整情況分3類：噴A1型：圍巖完整段素噴混凝土厚10cm；噴A2型：圍巖裂隙較發(fā)育段掛網(wǎng)錨噴，噴混凝土厚15cm；噴A3型：Ⅱ類圍巖中間夾少部分Ⅲ類圍巖采用10號工字鋼形成間距1m的拱架，并掛網(wǎng)錨噴，噴混凝土厚15cm。

(2)Ⅲ類圍巖。在初期支護的基礎(chǔ)上采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度40cm，單層筋，鋼筋直徑16mm為主，部分20mm，間距200mm。襯砌類型B型。

(3)Ⅳ類圍巖。在初期支護的基礎(chǔ)上采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度40cm，雙層筋，鋼筋直徑18mm為主，部分16和22mm，間距200mm。襯砌類型C型。

(4)Ⅴ類圍巖。在初期支護的基礎(chǔ)上采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度50cm，雙層筋，鋼筋直徑25mm，間距200mm。襯砌類型D型。

分布鋼筋直徑以12mm為主，特殊地段為14和16mm。全洞噴混凝土段長4673m，占46%，鋼筋混凝土襯砌段長5485.1m，占54%，其中：混凝土襯砌B型段長2612m，C型段長2703.1m，D型段長170m。

1.4.3 特殊情況處理

對隧洞施工中出現(xiàn)的主要特殊地質(zhì)情況和處理的方法如下。

(1)凝灰?guī)r段地下水豐富，遇水軟化和風(fēng)化速度快，圍巖穩(wěn)定性差，采用鋼支撐和管棚作初期支護，部分鋼支撐變形彎曲嚴(yán)重，已侵占了永久襯砌斷面，必須拆除鋼支撐后對隧洞進行擴挖。為保證隧洞自身及施工安全，對該段的處理提出如下措施：

提前對鋼支撐變形段的圍巖進行固結(jié)灌漿，灌漿孔排距為3m，每排6孔，對稱布置。深入圍巖的深度按1.5倍隧洞開挖半徑確定。灌漿按環(huán)間分序、環(huán)內(nèi)加密的原則進行，環(huán)間分為2個次序。灌漿壓力根據(jù)圍巖變形情況由小到大逐漸加壓，待圍巖穩(wěn)定后再拆除鋼支撐。并對永久襯砌鋼筋進行調(diào)整：環(huán)向受力鋼筋直徑25mm，縱向分布鋼筋直徑16mm，襯砌分段長15.4m。

(2)溶洞發(fā)育段處理。①處于隧洞底部和兩側(cè)的溶洞，深部采用洞渣回填并進行充填灌漿封堵，距隧洞設(shè)計襯砌斷面外側(cè)1m范圍采用混凝土澆筑，形成混凝土塞?；炷翝仓?，將溶洞凸出的尖角、軟弱層、泥土等清除，保證混凝土與巖體的有效結(jié)合，并視情況在巖壁上加設(shè)錨桿。②處于隧洞頂部的溶洞，澆筑混凝土前預(yù)先埋設(shè)混凝土輸送管，深入溶洞高度不小于1m，即混凝土堵頭厚度不小于1m。③過溶洞處的洞身襯砌混凝土厚度不小于0.5m。環(huán)向受力鋼筋調(diào)整為φ25@167(每米6根)，縱向分布鋼筋為φ20@200。

(3)巖溶地下水處理。為降低隧洞外水壓力，在隧洞底板下埋設(shè)鋼管引至廠區(qū)用于生活和機組循環(huán)冷卻用水。

2 經(jīng)驗及體會

拉氣水電站于2006年9月29日開工，2008年8月和11月2臺機組相繼投入發(fā)電運行，總工期26個月，其中作為關(guān)鍵線路的10.2km輸水隧洞和2.5km施工支洞貫通用時僅12個月，速度之快在同類工程建設(shè)中實屬罕見。工程進展如此順利，除參建各方的高度重視和努力外，主要得益于隧洞布置和設(shè)計的合理性與科學(xué)性。目前為止，拉氣水電站已運行9a，運行正常，取得了較好的經(jīng)濟和社會效益。根據(jù)拉氣水電站深埋長輸水隧洞的設(shè)計得出如下經(jīng)驗和體會，供類似工程的設(shè)計者參考。

(1)深埋長隧洞往往受資金和設(shè)計周期等條件限制，無法大量開展深部地質(zhì)勘探工作，多以區(qū)域和地表測繪及推測為主，得出的結(jié)論不一定與實際情況完全吻合，因此，應(yīng)加強施工階段地質(zhì)工作，對圍巖的巖性、強度、完整性、產(chǎn)狀、節(jié)理裂隙以及地下水發(fā)育程度等情況進行認(rèn)真編錄和分析，對設(shè)計參數(shù)及時進行分析調(diào)整，對初期支護措施的合理性進行論證和調(diào)整，確保支護措施安全有效。為保證施工安全，防止巖爆、地下暗河和不良地質(zhì)對施工人員和設(shè)備造成危害，可采取地質(zhì)雷達等措施超前預(yù)報，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)提前采用相應(yīng)防范措施。設(shè)計或監(jiān)理單位應(yīng)以周報或旬報的方式對掘進面前方50～100m距離的圍巖類別、不良地質(zhì)因素等情況進行預(yù)測，及時向施工單位傳達。

(2)隧洞結(jié)構(gòu)計算時應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件和初期支護型式，合理考慮初期支護的作用，少計和不計山巖壓力作用，降低工程投資。

(3)在滿足過流能力和水頭損失的條件下，對于較完整的硬質(zhì)圍巖采取錨噴支護措施可降低工程投資和節(jié)省工期，而非一定要采用混凝土襯砌。

(4)除不良地質(zhì)條件外，影響長隧洞施工進度的主要因素是出渣和通風(fēng)排煙的速度，合理確定隧洞斷面尺寸和施工支洞布置尤為關(guān)鍵。為加快出渣速度，小斷面長隧洞一般都采用有軌電瓶車出渣，開挖斷面必須滿足電瓶車、通風(fēng)管、電纜、排水管等設(shè)施的布置要求，并適當(dāng)留出通行人員的避讓寬度，距離較長時，應(yīng)在洞內(nèi)增設(shè)錯車道。因設(shè)計斷面尺寸不足，造成施工進度緩慢、投資無限增加的工程實例并不少見。本人負(fù)責(zé)的某水利工程灌區(qū)輸水隧洞長3.955km，為橫穿山脈隧洞，無設(shè)置施工支洞的條件，通風(fēng)排煙十分困難，嚴(yán)重影響工程進度，最終采用沖擊鉆從地面造孔120m深，孔徑800mm，有效的解決了排煙問題。

(5)影響長隧洞投資的不可預(yù)見因素較多，如不良地質(zhì)造成的塌方、抽排水、排煙及長距離供電等，很多工程因前期設(shè)計時考慮不周，未列或少列了施工措施費，最終導(dǎo)致投資超概算。建議設(shè)計和審批單位根據(jù)工程具體情況，預(yù)列適當(dāng)?shù)氖┕ご胧┵M用。

3 結(jié)語

長距離輸水工程應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦?、地質(zhì)、環(huán)境、占地、施工等條件及工程投資進行充分的方案比較論證，選擇合理、安全、經(jīng)濟的輸水方式。當(dāng)采用長隧洞輸水方案時，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造、圍巖的巖性、產(chǎn)狀和地下水活動等情況合理選擇洞軸線走向，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較差時，應(yīng)使洞軸線與斷層破碎帶、巖層走向呈較大角度相交，選擇合理的洞軸線，盡可能避開不良地質(zhì)條件的影響，是確保長隧洞安全和順利施工的先決保證。根據(jù)圍巖地質(zhì)條件采取合理的支護方式是節(jié)約投資的最佳途徑。