GX水電站引水隧洞設(shè)計(jì)

李 元

(仙桃市水利水電建筑勘測設(shè)計(jì)院，湖北 仙桃 433000)

引水隧洞是水利水電樞紐工程中的重要建筑物之一，在巖體或土層中開挖而成，其長度遠(yuǎn)大于其斷面尺寸[1]。壓力水管接在引水隧洞的身后，渠道上的輸水隧洞和通航隧洞只有洞身段。閘門可設(shè)在進(jìn)口、出口或洞內(nèi)的適宜位置。出口設(shè)有消能防沖設(shè)施。為防止巖石坍塌和滲水等，洞身段常用錨噴(采用錨桿和噴射混凝土)或鋼筋混凝土做成臨時(shí)支護(hù)或永久性襯砌。洞身斷面可為圓形、城門洞形或馬蹄形，有壓隧洞多用圓形。進(jìn)出口布置、洞線選擇以及洞身斷面的形狀和尺寸，受地形、地質(zhì)、地應(yīng)力、樞紐布置、運(yùn)用要求和施工條件等因素制約，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)的比較后方可確定。

因此，對于引水隧洞的質(zhì)量檢驗(yàn)顯得尤為重要，本文對四川GX水利樞紐工程中的引水隧洞進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。主要分析隧洞的斷面尺寸、隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)以及隧洞的水力損失。

1 工程概況

GX水電站水庫正常蓄水位2270.00 m，相應(yīng)庫容19.46萬m3，設(shè)計(jì)洪水位2269.72 m，校核洪水位2271.86 m，總庫容32.28萬m3，死水位2269.00 m，調(diào)節(jié)庫容4.88萬m3。電站裝機(jī)兩臺(tái)，總裝機(jī)容量90 MW。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—1994)和《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》(DL 5180—2003)的規(guī)定，GX水電站為三等中型工程。

引水隧洞布置在左岸，從進(jìn)水口末端至調(diào)壓室中心線，引水隧洞全長約14 367.00 m，縱坡約0.26。

設(shè)計(jì)原則為：(1)引水隧洞屬地下建筑物，設(shè)計(jì)前應(yīng)深入現(xiàn)場踏勘，認(rèn)真收集、分析研究有關(guān)水文、泥沙、地形、地質(zhì)、施工條件等有關(guān)設(shè)計(jì)資料；(2)認(rèn)真復(fù)核可行性研究階段的設(shè)計(jì)成果；(3)設(shè)計(jì)應(yīng)符合有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和要求；(4)充分考慮引水隧洞頻繁運(yùn)行的特殊性與維護(hù)檢修的可能性；(5)隧洞襯砌按限制裂縫開展寬度設(shè)計(jì)，如滲水對環(huán)境和建筑物的安全無影響時(shí)可按開裂設(shè)計(jì)；(6)在樞紐布置時(shí)應(yīng)按“一洞多用”原則，盡量將臨時(shí)建筑物改建成引水隧洞；(7)高流速引水隧洞應(yīng)通過水工模型試驗(yàn)確定平面布置、豎曲線進(jìn)出口體型、門槽型式等[2]。

2 隧洞線路布置設(shè)計(jì)以及覆蓋層厚度

2.1 洞線以及斷面確定

引水隧洞的線路選擇設(shè)計(jì)非常的關(guān)鍵，它關(guān)系到隧洞的造價(jià)、施工難易、工程進(jìn)度、運(yùn)行可靠性等方面問題[3]。

隧洞的路線應(yīng)盡量避開不利的地質(zhì)構(gòu)造，例如：圍巖可能不穩(wěn)定及地下水位高、滲水量豐富的地段，以減少作用于襯砌上的圍巖壓力和外水壓力。GX水利樞紐工程引水隧洞的洞軸線與斷層破碎帶走向有較大的夾角且傾角較陡，性狀較好。進(jìn)口段圍巖無較大的斷層，巖層褶皺強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理裂隙相互切割形成的不穩(wěn)定塊體較小，不會(huì)造成較大危害。洞身段大部分置于微新巖體內(nèi)，節(jié)理裂隙不發(fā)育，斷層破碎帶寬度較小。出口段圍巖巖體為弱風(fēng)化狀，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖石較完整、堅(jiān)硬。該隧洞的地質(zhì)條件比較好[4]。

在滿足樞紐總布置要求的前提下，洞線直且宜選在地質(zhì)構(gòu)造簡單、巖體穩(wěn)定、巖層最小覆蓋厚度滿足設(shè)計(jì)規(guī)定、水文地質(zhì)條件有利施工、交通方便的地段，宜避開工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件對隧洞不利的區(qū)段。

該隧洞為圓形隧洞，對于隧洞斷面的選擇，一般可選擇馬蹄形和圓形等斷面，結(jié)合本工程實(shí)際，洞身斷面型式取決于水流形態(tài)、地質(zhì)條件、施工條件及運(yùn)行要求等。對于有壓隧洞一般均采用圓形斷面，圓形斷面水力條件較好，襯砌受力均勻，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且計(jì)算簡單。本設(shè)計(jì)采用的圓形斷面洞徑初步擬定D=5.5 m，根據(jù)Q=AV算出流速為V=3.28 m/s。

2.2 覆蓋層厚度以及檢驗(yàn)

隧洞垂直及其側(cè)向巖體的最小覆蓋厚度根據(jù)地形地質(zhì)條件、巖體的抗抬能力、抗?jié)B透特性、洞內(nèi)水壓力及支護(hù)的型式等因素來分析確定。對于有壓隧洞，洞身部位巖體最小覆蓋厚度按洞內(nèi)靜水壓力小于洞頂以上巖體重量的要求確定。計(jì)算巖體覆蓋厚度應(yīng)小于巖體的最小覆蓋厚度，利用公式(1)來確定。

(1)

式中：D為斷面處巖體厚度，m ；CRM為巖體最小覆蓋厚度，m；hs為洞內(nèi)靜水壓力水頭，m；γω為水的容重，N/m3；γR為巖體容重，N/m3；α為河谷岸邊傾角，°；F為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取1.30～1.50，本工程取1.30。

結(jié)合本工程實(shí)際進(jìn)行計(jì)算得出數(shù)據(jù)，見表1。

表1 巖層斷面數(shù)據(jù)

3 洞身尺寸的確定

隧洞斷面尺寸的確定一般由技術(shù)經(jīng)濟(jì)值計(jì)算后決定[5]。在隧洞過水流量己定的情況下，斷面尺寸取決于洞內(nèi)流速，流速愈大所需橫斷面尺寸愈小，但水頭損失愈大，故發(fā)電隧洞的流速有一個(gè)經(jīng)濟(jì)值稱為經(jīng)濟(jì)流速,有壓隧洞為2.5 ～4.5 m/s，不襯砌隧洞一般小于2.5 m/s。

對于有壓隧洞初步擬定斷面尺寸時(shí)可用式(2)估算。

(2)

式中：D為圓心斷面直徑和矩形斷面的寬度，m；Q為流量，m3/s；H為作用水頭，m；

結(jié)合上式計(jì)算得出數(shù)據(jù)如表2所示。

4 隧洞支護(hù)與襯砌的類型與選擇

4.1 支護(hù)形式

錨噴支護(hù)指的是采用錨桿、噴射混凝土加固巖體的工程措施，常見形式有以下幾種[6]。

(1)噴射混凝土支護(hù)。相對于圍巖堅(jiān)硬完整的隧洞，一般可采用噴射混凝土支護(hù)。在流變性較大的巖體中，為了適應(yīng)較大塑性變形的需要，也可采用在噴射混凝土中摻入纖維進(jìn)行支護(hù)。

表2 各隧洞斷面數(shù)據(jù)

(2)錨桿(錨束)支護(hù)。對于那些整體堅(jiān)硬完整，但局部有松動(dòng)塊的圍巖，一般宜采用錨桿加固，但如果松動(dòng)范圍較大且較深，則需要采用錨束加固。對于局部軟弱的巖體(例如斷層，節(jié)理密集帶等)，除了施加錨桿(錨束)外，還可布設(shè)鋼筋網(wǎng)，并進(jìn)行混凝土噴射，必要的時(shí)候還可進(jìn)行固結(jié)(裂隙)灌漿加固，使破碎的巖石整體化。

(3)錨噴掛網(wǎng)支護(hù)。對于圍巖較完整的，一般采用錨噴支護(hù)。相對于巖體破碎、裂隙發(fā)育的圍巖，則宜采用錨噴掛網(wǎng)支護(hù)。

4.2 組合式支護(hù)

組合式支護(hù)一般由內(nèi)、外兩層支護(hù)組合而成，或是由不同部位、不同強(qiáng)度、不同型式支護(hù)進(jìn)行組合。外層為初期支護(hù)，多采用錨噴、掛網(wǎng)、鋼拱架或格柵拱架等單一或組合支護(hù)。內(nèi)層為二次襯砌，一般可采用混凝土、鋼筋混凝土或鋼板襯砌。

對于內(nèi)水外滲或外水內(nèi)滲危及圍巖和相鄰建筑物的安全、惡化自然環(huán)境、影響輸水功能發(fā)揮的水工隧洞，則需要采用鋼板襯砌。

針對防止隧洞滲漏，國外也有應(yīng)用素混凝土加聚氨乙烯 (PVC) 板做襯砌。在隧洞內(nèi)先噴一層混凝土(5～6 cm) 或先澆一層混凝土(15～25 cm) 然后鋪設(shè)聚氯乙烯板，建筑內(nèi)層混凝土并對聚氨乙烯板兩側(cè)進(jìn)行灌漿。采用素混凝土加聚氯乙烯板作為隧洞襯砌，施工快，造價(jià)較低，防滲效果好。但對施工技術(shù)有較高的要求，需要較有經(jīng)驗(yàn)的施工隊(duì)伍才能達(dá)到滿意的效果。

5 水力計(jì)算

5.1 攔污柵局部水頭損失

攔污柵局部水頭損失計(jì)算公式(3)如下：

(3)

式中：ξ2為攔污柵局部水頭損失系數(shù)；β為與柵條有關(guān)的系數(shù)，為1.83；δ為柵條厚度，9 mm；b為柵條凈距,85 mm；α為攔污柵與水平面相交傾角,取90°；k為水頭修正系數(shù)，取1.1。

本案例中存在一個(gè)攔污柵，其局部水頭損失hj計(jì)算如下：

(4)

計(jì)算得：hj=0.13 m。

5.2 沿程水頭損失

根據(jù)水力學(xué)可知沿程水頭損失公式(5)如下：

(5)

式中：hf為沿程水頭損失，m;l為隧洞長度，m；Q為設(shè)計(jì)引用流量，取值78.10 m3/s；n為管道糙率,取0.014；R為水力半徑D/4，m;A為隧洞斷面面積，m2。

根據(jù)公式(5)，對隧洞各段進(jìn)行沿程水頭損失的計(jì)算，見表3。

5.3 水頭損失驗(yàn)算

根據(jù)《水力學(xué)(第4版)》(高等教育出版社)總水頭損失公式(6)：

hw=∑hf+∑hj

(6)

式中：hw為總水頭損失，m；hj為局部水頭損失，m。

該引水隧洞中的水頭h=引水隧洞進(jìn)水口水頭高-出水口水頭高=2270.00-2112.00=158.00 m，水頭損失占總水頭的hw/h=15.34÷158.00=9.7%，水頭損失不超過總水頭的15%為合格，本設(shè)計(jì)中的水頭損失占總水頭的9.7%，符合要求。

表3 隧洞各段延程水頭損失

6 結(jié) 論

(1)結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行了引水隧洞的大致設(shè)計(jì)思路以及設(shè)計(jì)檢驗(yàn)。

(2)結(jié)合公式的推演，直觀展示隧洞設(shè)計(jì)過程，為讀者提供良好的閱讀思路。

(3)就引水隧洞主體設(shè)計(jì)進(jìn)行簡要闡述說明，實(shí)際工程中存在更為復(fù)雜的情況需要更多設(shè)計(jì)準(zhǔn)備。