創(chuàng)世界紀錄的新泰因電站
——無襯砌引水隧洞上1 030 m的高水頭

挪威隧道協(xié)會

2004年之前，新泰因（New Tyin）水電站的升級改造工程在挪威是規(guī)模最大的。它替代了原電站，完全是一個新的電站，僅使用了一部分之前的水道。該項目包含了21 km長的新隧洞、電站和其他洞室的開挖等。無襯砌引水隧洞上承受1 030 m水頭壓力，這是世界之最。這是典型的挪威設(shè)計，利用巖石的力學性能來減小鋼襯長度以優(yōu)化電站站址。由于巖石張力超預期，電站還往外移了一段，減小了進口隧洞的長度。相比原預算，大大降低了成本。

圖1 電站綜合體示意圖Fig.1 Power station complex

1 新電站的地形地質(zhì)條件

新電站站址處地形崎嶇，主水庫位于高原上，高程約1 100 m。引水隧洞沿著泰因山谷（Tyin Valley）布置，一直到畢夏普湖的入口。從畢夏普湖開始，壓力引水隧洞穿過Tya山谷和Rausdalen山谷間明顯的斷層塊，一直到位于?vre ?rdal處、高程僅為幾米的電站。Tya山谷和Rausdalen山谷在地形上都有很深的峽谷，一直延伸到?vre ?rdal峽谷處，其位于挪威西海岸最長的峽灣（索格涅峽灣）的末端。

該區(qū)域地質(zhì)條件相對復雜，包含來自Jotunheim/Valdres高原復合體的前寒武紀和寒武紀-志留紀的巖石，其在Fortun/Vang復合體的千枚巖上形成折疊。葉理區(qū)輕微傾向于?rdal湖，這是Jotunheim/Valdres高原復合體的主要地下構(gòu)造。

電站綜合體的東部，從泰因水庫到Fortun/Vang復合體內(nèi)的Torolmen入口水庫的輸水隧洞，其主要地質(zhì)組成為千枚巖。葉理走向為NNE，向東傾斜25°～30°。

朝向入口畢肖普湖，離進水口約2 km處，其地質(zhì)組成為砂巖/石英巖轉(zhuǎn)變巖，帶有明顯的水平裂縫分布。

之后的2.5 km是前寒武紀火山巖，主要表現(xiàn)為綠色片麻巖。

高壓引水隧洞、電站區(qū)域和交通洞/尾水隧洞的下部主要為黑色輝長巖，并常見輕質(zhì)花崗巖“奧長花崗巖”。巖體有少到中等程度的裂紋和裂縫，以及不明確、變化的葉理。一組NS/NE走向的陡峭裂縫，除葉理裂縫外，其局部變化是裂縫分布的主要方向。

圖2 新泰因電站示意圖，繼續(xù)使用了舊的引水隧洞，結(jié)合進新電站中，用400 m長的豎井連接新舊隧洞系統(tǒng)，實為新舊引水隧洞的連接，還結(jié)合了輸水隧洞、河道進水口和調(diào)壓室Fig.2 Schematic outline of New Tyin,showing usage of old headrace,integrated into the new power plant,connection of old and new tunnel systems,with 400-meter vertical shaft working as connection between old and new headrace,combined with transfer tunnels,brook inlets and as surge chamber

三個明顯的斷層帶穿過了電站綜合體。形成拉斯達倫山谷的斷裂帶在出口上游2.1 km處穿過引水隧洞。其包含一組明顯的裂縫，但未給隧洞開挖造成問題。拉爾達爾斷裂帶是一個區(qū)域斷裂帶，從巨墩海門高原一直延伸到沃斯（150～200 km）。該斷裂帶穿過了引水隧洞和調(diào)壓井。斷裂帶中部約0.5～1 m寬，含膨脹粘土。沿斷裂帶的巖體破碎且變化，具有較高的粘土含量。

圖3 隧洞系統(tǒng)沿線的地質(zhì)構(gòu)造Fig.3 Geology composition along tunnel system

2 初步調(diào)查

1997年進行了實地測繪，以確定巖體組成裂隙和弱區(qū)性態(tài)。

對拉斯達倫和Tya峽谷間的山體斷層進行了三維有限元分析，分析了巖石的應(yīng)力分布情況，評估了電站和錐體的可行性設(shè)計和初步位置（從裸露的巖石表面過渡到內(nèi)襯區(qū)域）。

進行了兩組鉆孔取芯試驗，以分析巖石、滲水和應(yīng)力狀況。第一個孔鉆至535 m深，比初設(shè)的有壓隧洞約深500 m。在300 m之后，該孔的應(yīng)力降低。第二個孔鉆至初設(shè)的電站區(qū)域。從這個孔進行的水力劈裂和斷裂測試表明，該計劃位置的安全系數(shù)在1.0～2.4之間?；跍y量和試驗具有一定的不確定性，因此，可行性研究建議在發(fā)電站的選址中納入不確定因素，例如，為達到要求的安全系數(shù)，有可能需要對電站進行重新選址或延長鋼襯。

挪威典型的做法是將這種風險作為偶然事件包括在基礎(chǔ)設(shè)計和投標設(shè)計中，其中包括在交通洞開挖同時進行應(yīng)力和水力劈裂試驗，根據(jù)試驗結(jié)果最終確定準確的、最佳的選址。

3 交通洞巖體應(yīng)力測量

在交通洞開挖過程中，在幾個點進行三維巖體應(yīng)力測量和水力劈裂試驗。

測量結(jié)果如圖4所示。

基于初步階段的鉆孔取芯，第一次在距離為1 000 m處的測量結(jié)果比預期值低，但與第一個鉆孔測得的應(yīng)力降低非常一致。該孔與交通洞通過的區(qū)域基本是同一區(qū)域。總之，這引發(fā)了專家小組的討論（任務(wù)是明確和決定電站綜合體的位置和方向），關(guān)于電站在最初設(shè)計中的位置——可能需要將電站綜合體移到地塊更深處。因此，交通洞的傾斜度略有改變，使之在后續(xù)測量延續(xù)相同趨勢的情況下，也可能往更深的400 m遷移。

表1 現(xiàn)場應(yīng)力測量Table 1 In-situ stress measurements

圖4 引水隧洞不同距離處的現(xiàn)場應(yīng)力測量Fig.4 In-situ stress measurements along chainage numbers in the head race tunnel

后續(xù)的測量得出了更樂觀的結(jié)果。在距離1 086 m、1 292 m和1 440 m處進行的水力階撐試驗以及在距離1 400 m處進行的新應(yīng)力測量，其結(jié)果顯示強度比最初預期要高。

討論的焦點轉(zhuǎn)向了將電站向后移動（交通洞更短，所有設(shè)備都比引水隧洞便宜得多）。圖4顯示了安全系數(shù)為1.0、1.2和1.3時對錐體位置的限制。錐體位置說明：（1）保守位置，錐體位于距離2 000 m處；（2）交通洞短120 m的錐體位置（電站綜合體向后移動）。可以觀察到的是，有兩次測量低于安全限值，從而引發(fā)了激烈的討論，但最后得出了結(jié)論，其中一次測量接近局部軟弱區(qū)域，可能影響了結(jié)果，另一次測量質(zhì)量存在不確定性。

最后，決定將電站比原規(guī)劃往后移120 m，在最終決定位置之前，對錐體區(qū)域除進行水力劈裂試驗外，再進行最后的三維測量。若測量結(jié)果不滿意，保留延長襯砌的可能性。然而，錐體區(qū)域測量結(jié)果顯示為高強度，并確認了安全系數(shù)大于1.3的各個位置。

4 鋼襯段灌漿

錐體區(qū)域的巖體，其特點是裂縫和裂紋有限。灌漿遵循以下流程：

（1）深帷幕灌漿。如圖5所示，包含4道帷幕。其中2道深帷幕鉆孔34 m，2道17 m。帷幕與隧洞成45°角。每一道帷幕包含8個鉆孔。失水試驗表明巖體不透水，決定直接采用環(huán)氧灌漿法，避免了計劃中第一輪的水泥/微水泥灌漿。

圖5 深帷幕灌漿示意圖Fig.5 Illustration deep grout curtains

（2）巖體和混凝土間的接觸灌漿。對整個長度進行了接觸灌漿，通過灌漿軟管完成。起初在襯砌上游和下游側(cè)形成了屏障，主要為聚氨酯。之后，灌注了11圈環(huán)氧樹脂，以保證巖石與混凝土的充分接觸。

（3）鋼襯和混凝土間的接觸灌漿。通過灌漿軟管完成。起初在外層軟管環(huán)路上游和下游形成了聚氨酯屏障，之后在內(nèi)層3個軟管環(huán)路中形成了環(huán)氧屏障。

（4）控制灌漿。4道8孔帷幕從壓力管道/鋼襯內(nèi)部鉆出，穿過混凝土，深入巖體10 m。所有鉆孔直接采用環(huán)氧樹脂灌漿。

深帷幕灌漿僅需要1 979 kg環(huán)氧材料，接觸灌漿和控制灌漿則需要9 000 kg。

圖6 巖體/混凝土和混凝土/鋼襯間的接觸灌漿示意圖Fig.6 Illustration contact grouting between rock/concrete,concrete/steel

灌漿非常成功，第一次注漿后，分叉前的腔室內(nèi)，滲水量為0.3 L/min。2002年，灌漿的總成本約為50萬美元。

5 巖爆-穩(wěn)定支持

承包商在隧洞/洞穴的深處經(jīng)歷了嚴重的巖爆。電站區(qū)域的張力高達50 MPa。

開挖交通洞和尾水隧洞時，很早就發(fā)生了巖爆，迅速建立了有效的臨時支護系統(tǒng)。在墻體和頂部使用纖維增強噴射混凝土配合無堿速凝劑以及系統(tǒng)的中心間距為3 m的1.25～2 m的聚酯端巖石錨定螺栓。在兩個方向都取決于巖爆強度。以此早早控制住了巖爆的發(fā)展，保證了后續(xù)隧洞施工的安全。

巖爆問題很嚴重，特別是在似輝長巖的片麻巖和輕質(zhì)花崗巖入侵的區(qū)域。

電站廠房處的巖體雖然張力很大，但整體工況良好。臨時支護包括5～10 cm的纖維增強噴射混凝土、在頂部和墻上進行中心間距為2 m的系統(tǒng)錨固，因張力和墻體高度，主要采用6 m長的錨桿。作為臨時支護的補充，另外的永久支護，包括噴射混凝土、厚為10 cm（包括之前的層厚）以及在頂部和墻體內(nèi)系統(tǒng)的1.5 m×1.5 m的錨固，其長度為4 m和5 m。

支護基于數(shù)值有限元分析和對電站綜合體的觀察方法。

6 電站站址和性態(tài)總結(jié)

對高水頭地下電站的設(shè)計方案，挪威獨特的方法和《即時設(shè)計》是基于利用巖體本身的特性，將其用作建筑材料的優(yōu)化后的成本/時間，以及清楚的風險分布來管理變量，其可能隨著地質(zhì)性態(tài)的變化而出現(xiàn)，但在最初階段尚不能完全繪制出來。新泰因工程非常具有挑戰(zhàn)性，若風險可以被準確解決的話，建成后，其擁有世界上最高的無襯砌有壓隧洞。滲漏微小到可以忽略不計，故灌漿費用很低，而電站往外移動120 m的最終設(shè)計方案也節(jié)省了費用，使該項目取得了成功，并證明了這種設(shè)計和執(zhí)行方法效果很好，降低了使用過多混凝土襯砌帶來的時間成本和資金成本。新泰因工程的設(shè)計方案可能尤其適合軟弱區(qū)，發(fā)電站區(qū)域的裂隙和裂縫非常有限，致使從原始的緊張預算中節(jié)約了資金，如果在設(shè)計方法上不采用確定的即時設(shè)計部分，則可能實現(xiàn)不了成本和時間的優(yōu)化。

7 無襯砌高壓引水隧洞的設(shè)計原則

挪威的地形條件有利于水電站的開發(fā)，而挪威每年99%的電力都來自于水力發(fā)電。1919年第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，人們就開始建造地下發(fā)電廠和無襯砌的隧洞。高壓無襯砌隧洞和豎井是水電工程建造節(jié)省造價和縮短工期的最佳選擇，因為可避免使用昂貴的鋼管和預埋混凝土襯砌。從挪威過去100年的隧洞設(shè)計、建造和運行中獲得了寶貴的經(jīng)驗，新泰因水電站項目中無襯砌的高壓隧洞的靜壓水頭為1 046 m，超過了1 000 m未支護、無襯砌的高壓隧洞，其高靜壓水頭創(chuàng)造了世界紀錄。圖7顯示了挪威高水頭無襯砌隧洞和豎井的發(fā)展情況。

修建無襯砌有壓隧洞和豎井的理念是基于巖石本身在輸水過程中能抵抗水壓的原則。巖體中的最小主應(yīng)力應(yīng)高于水壓，以保證抵抗水力劈裂和揚壓力的安全性，這是最基本的要求。施工安全與設(shè)計緊密相關(guān)，就巖體質(zhì)量而言，設(shè)計應(yīng)基于足夠的垂直巖體覆蓋層和側(cè)谷附近的邊坡蓋層。在引入無襯砌高壓豎井和隧洞的最初，采用了基于簡單的應(yīng)力平衡狀態(tài)的評價方法。這樣做的原則是，隧洞上方的巖石覆蓋層的重量應(yīng)該超過隧洞或豎井內(nèi)部的水壓，以避免液壓頂升和抬升。

圖7 挪威無襯砌高壓隧洞和豎井的發(fā)展Fig.7 Development of Norwegian unlined high-pressure tunnels and shafts

挪威經(jīng)驗設(shè)計方法法則被廣泛應(yīng)用于靠近山谷的隧洞案例中。同時考慮了覆蓋層和邊坡蓋層，避免了水力劈裂的風險。

就保證隧洞或豎井有必要的約束而言，因為發(fā)現(xiàn)邊坡蓋層沒有垂直巖石蓋層有效，因此，澳大利亞雪山項目的設(shè)計創(chuàng)新也被引進過來。

與經(jīng)驗法則的修正對應(yīng)，提出了一種新的更好的仿真模型，其基礎(chǔ)是采用已建立的基于有限元模型的標準設(shè)計圖表工具以及這樣一種概念，無襯砌有壓隧洞和豎井的沿線部分，其內(nèi)部水壓不應(yīng)超過圍巖的最小主應(yīng)力。

利用數(shù)值模型進行分析是現(xiàn)代設(shè)計方法之一，除了其在驗證上述確定性設(shè)計方法中的關(guān)鍵作用外，它目前還廣泛應(yīng)用于定性、穩(wěn)定性和支護分析中。本章對通常條件下開發(fā)超高水頭無襯砌隧洞的可能性進行評估，特別是基于經(jīng)驗、確定性和數(shù)值分析的結(jié)果，對案例工程更高靜壓水頭無襯砌隧洞的可能性進行了評估，并提出了得出進一步結(jié)論的建議。

新泰因水電站項目位于挪威的Ardal。靜壓水頭1 047 m，裝機容量380 MW，排水量為20 m3/s的2倍，年平均發(fā)電量1 398 GWh。

對有壓隧洞或豎井的首要要求是，必須有足夠的覆蓋層來提供比水壓更大的重量以避免滲漏。在經(jīng)驗方法法則被引入之前，該方法就在挪威有所應(yīng)用。文中，該方法就開發(fā)超高水頭無襯砌隧洞/豎井的可能性給出了令人驚訝的保守的結(jié)果，對作為案例的新泰因水電站工程，在靜壓水頭為1 137 m時，其安全系數(shù)為1.3。事實上，該方法未考慮約束對側(cè)谷覆蓋層要求、地形對應(yīng)力的影響以及相當大的構(gòu)造應(yīng)力的存在。

挪威的經(jīng)驗法則被廣泛應(yīng)用于位于山谷邊的隧洞和豎井中。它既考慮了垂直覆蓋層，又考慮了相鄰山谷邊坡的陡度。該方法假定，在任何時刻，現(xiàn)場最小主應(yīng)力應(yīng)超過水壓，以避免水力劈裂的風險。該方法的分析表明，靜壓水頭大于1 427 m，其安全系數(shù)為1.3，可用于新泰因水電站的開發(fā)。該方法只考慮了重力巖應(yīng)力，但在許多情況下，也存在較大的構(gòu)造和殘余應(yīng)力。因此，對正在進行構(gòu)造擴展的山谷，不用考慮要求增加的約束的作用。這種對于約束的條件方法仍然在預可行性研究中使用。

在澳大利亞雪山項目的開發(fā)過程中，人們認識到了雪山的約束要求。與垂直巖石蓋層相比，在確保隧洞/豎井具有所要求的約束方面，邊坡蓋層的效率更低。這種方法的結(jié)果與挪威經(jīng)驗方法法則得出的結(jié)果十分相似，且在邊坡蓋層上有更為保守的結(jié)果。基于該方法對新泰因水電站工程進行分析，最大水壓為16.77 MPa，可以安全抵抗水力劈裂，其靜力水頭為1 677 m，安全系數(shù)為1.3。雪山項目和挪威經(jīng)驗法則這兩種方法都強化了新泰因水電站工程的高壓隧洞和豎井，其橫向和縱向埋深都足夠深。因此，兩種方法實際上都沒有考慮構(gòu)造水平應(yīng)力和地形條件對應(yīng)力狀態(tài)的影響。就最小覆蓋層厚度的比較，用垂直向厚度來說明的話，雪山項目和挪威經(jīng)驗法則與結(jié)果吻合較好，相比于數(shù)值分析，垂直法則未達到安全要求。對于最低要求的初步布置，挪威和雪山項目的標準似乎是非常有用的工具。

基于數(shù)值有限元模型（FEM）的二維標準設(shè)計圖表給出了一個解決方案，以補償完全被忽略的構(gòu)造水平應(yīng)力和地形條件對上述確定性方法的影響。該應(yīng)用中，有限元法的基本原則是找到位置，對豎井的每個部位，保證無襯砌壓力隧洞或豎井沿線上，內(nèi)部水壓力不超過圍巖的現(xiàn)場最小主應(yīng)力。該方法在工程可行性研究階段是一種有用的工具，可以初步確定壓力隧洞和豎井的位置，許多情況下，該位置就是最終位置。基于該方法的分析表明，新泰因工程現(xiàn)有的無襯砌高壓隧洞和豎井最大能承受的靜壓水頭為1 140 m，安全系數(shù)為1.3，相比于上述確定性方法，這是一個保守的結(jié)果。然而，在選擇有關(guān)領(lǐng)域的邊界條件時，其結(jié)果往往與網(wǎng)格有關(guān)，并且會產(chǎn)生誤差。此外，使用這種分析方法會導致誤差，因為在模型中使用的地形條件非常簡化和理想化。

最后，利用階段2進行了綜合二維有限元計算，其目的是分析高壓隧洞附近巖體的最小主應(yīng)力情況，并將其與隧洞和豎井內(nèi)的感應(yīng)水壓進行比較。新泰因水電站現(xiàn)有無襯砌高壓隧洞和豎井可利用的最大靜力水頭為1 097 m，安全系數(shù)為1.3。分析表明，仿真結(jié)果與現(xiàn)有無襯砌隧洞現(xiàn)場情況間具有較好的相關(guān)性。作者認為，結(jié)合對該地區(qū)地質(zhì)條件的深刻認知，使用數(shù)值分析，可以得到關(guān)于超高水頭無襯砌隧洞和豎井設(shè)計的最好結(jié)果，但其缺點是需要巖體參數(shù)，比如現(xiàn)場應(yīng)力比率，如何獲取這些參數(shù)是個問題，特別是設(shè)計階段，沒有現(xiàn)場測量過巖體應(yīng)力。該分析的優(yōu)點是，可以確定側(cè)谷傾斜度、主要連續(xù)性和巖石的不同屬性對應(yīng)力分布的影響。表2總結(jié)了不同設(shè)計方法得到的最大靜壓水頭的結(jié)果，其抵抗水力劈裂和隆起的安全系數(shù)都大于1.3。

表2 分析結(jié)果及其比較Table 2 Comparisons and results of analysis

地質(zhì)條件的限制是開發(fā)超高水頭無襯砌隧洞和豎井的主要挑戰(zhàn)。了解沿隧洞走向的地質(zhì)條件，關(guān)聯(lián)上運行過程中將要施加的水壓力，這是非常重要的。一般情況下，要使用無襯砌的高壓隧洞和豎井，巖體要堅固、體積大、抗拉強度高、滲透性低。

無襯砌壓力隧洞和豎井的設(shè)計標準的制定證明了需要更合理、更全面的設(shè)計方法；開發(fā)了經(jīng)驗分析和確定性分析方法，并編制了用于初步可行性研究的設(shè)計圖表；提出了一種數(shù)值設(shè)計方法進行定性、全面的設(shè)計分析。

基于這些設(shè)計方法的結(jié)果，開發(fā)超高水頭無襯砌隧洞和豎井是可能的，甚至是新泰因水電站中更高靜力水頭或一般的無襯砌隧洞，都是可能的。所有無襯砌的部分都應(yīng)滿足約束條件，以避免水壓頂起，除非水壓頂起的后果被認為是可接受的。無襯砌段應(yīng)僅位于巖體中，彼處巖體具有足夠的耐久性和堅固性，以滿足長期的要求。

需要強調(diào)的是，文章只涵蓋了一般的約束要求，用以開發(fā)安全的超高水頭無襯砌隧洞和豎井，以防止案例工程新泰因水電站發(fā)生主要失事模式——水力劈裂導致地面隆起。盡管已成功采用各種設(shè)計方法對開發(fā)超高水頭無襯砌隧洞的可能性進行了全面評估，但對于其他的基本失事模式，尚未對包括局部裂縫效應(yīng)在內(nèi)的詳細分析進行評估。由于水頭變得超高，情況可能是接縫或不連續(xù)處的水力劈裂、接縫處的水力剪切、對隧洞或豎井墻體的局部破碎或爆破效應(yīng)等。