CCS水電站輸水隧洞設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)問題研究

謝遵黨 陳曉年

摘要：厄瓜多爾CCS水電站輸水隧洞洞徑大、距離長、埋深大，其合理的布置和設(shè)計對電站的造價、運行條件影響巨大。通過工程布置和施工方案的優(yōu)化論證，將輸水隧洞優(yōu)化為全線明流輸水，大大簡化了工程布置，改善了運行條件;采用通用型“B、D”兩種管片型式，大大簡化了施工，提高了TBM施工效率;采用國內(nèi)外不同的標(biāo)準(zhǔn)（中標(biāo)、美標(biāo)、歐標(biāo)）對管片襯砌結(jié)構(gòu)進行計算分析，對管片強度、配筋、灌漿孔、定位孔、螺栓連接孔、燕尾槽等進行了合理布置和設(shè)計，保證了管片制作、脫模、安裝時的施工質(zhì)量，為復(fù)雜地質(zhì)條件下長隧洞的設(shè)計、施工提供了可借鑒的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：輸水隧洞：方案布置;TBM管片;結(jié)構(gòu)設(shè)計;CCS水電站

中圖分類號：TV62

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j .issn。1000-1379.2019.06.019

厄瓜多爾科卡科多辛克雷（Coca Codo Sinclair，簡稱CCS）水電站位于厄瓜多爾共和國Napo省和Su-cumbios省，總裝機容量為1 500 MW[l]，為該國戰(zhàn)略性能源工程，是世界上規(guī)模最大的沖擊式水輪機組水電站，也是中國公司在海外獨立承擔(dān)設(shè)計的規(guī)模最大的水電工程之一。

厄瓜多爾CCS水電站主要包括首部樞紐、輸水隧洞、調(diào)蓄水庫、引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物。其中輸水隧洞設(shè)計引水流量為222.0 m/s，設(shè)計內(nèi)徑8.2 m，隧洞總長24.8 km，最大埋深722 m，是目前南美已建的最長的大埋深輸水隧洞[2]。隧洞采用全襯砌結(jié)構(gòu)形式，進口底板高程為1 266.90 m，出口底板高程為1 224.00m，縱坡坡降為0. 173%，隧洞出口設(shè)事故閘門，閘室段后設(shè)消力池，正常運行工況為明流，非常工況即機組甩負(fù)荷、隧洞出口閘門關(guān)閉時洞內(nèi)出現(xiàn)壓力流，設(shè)計采用2臺雙護盾TBM同時掘進，并輔以鉆爆法施工。

CCS水電站的概念優(yōu)化設(shè)計、基本設(shè)計及詳細(xì)設(shè)計是在國外某公司完成的概念設(shè)計基礎(chǔ)上進行的。由于國際工程的特殊性及隧洞沿線地質(zhì)條件的復(fù)雜性，為確保隧洞工程質(zhì)量可靠、技術(shù)合理、工期合規(guī)和降低投資，針對長距離大深埋隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題進行了專題研究。從CCS輸水隧洞布置、TBM管片結(jié)構(gòu)設(shè)計、基于不同標(biāo)準(zhǔn)的管片結(jié)構(gòu)分析等多角度、全方面出發(fā)，利用成熟的設(shè)計理念，并采用先進的結(jié)構(gòu)設(shè)計手段和方法，探討一套適合長距離大埋深TBM輸水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)方法。

1 布置方案優(yōu)化

CCS水電站正常運行工況下隧洞末端存在明滿流過渡現(xiàn)象，對工程安全運行威脅很大，雖采取了渦流豎井、壩內(nèi)虹吸管及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)措施，但明滿流過渡現(xiàn)象對工程安全的影響仍不容小覷，且通氣豎井施工難度大，出口檢修時需要放空調(diào)蓄水庫?？傮w而言，該方案技術(shù)復(fù)雜、投資高且工程安全運行隱患大。

在基本設(shè)計階段進行了布置方案優(yōu)化和水工模型試驗研究，結(jié)合首部樞紐布置調(diào)整，抬高了隧洞進、出口高程，成功地將輸水隧洞優(yōu)化為全線明流，隧洞結(jié)構(gòu)大大簡化，安全度大大提高，并取消了渦流豎井、壩內(nèi)虹吸管等復(fù)雜建筑物，節(jié)省了約2 300萬美元的工程投資。同時簡化了施工條件，保證2臺TBM均可逆坡掘進，施工期全程自流排水，在節(jié)約抽排費用的同時，完全避免了被淹的風(fēng)險。

2 基于不同規(guī)范TBM管片結(jié)構(gòu)設(shè)計

CCS水電站EPC合同要求使用美國標(biāo)準(zhǔn)體系進行工程設(shè)計，因美國[3-5]、歐洲[6]、中國[7]標(biāo)準(zhǔn)不完全相同，為保證輸水隧洞的工程安全和經(jīng)濟合理，在TBM管片襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，分別采用上述3種標(biāo)準(zhǔn)體系進行研究，為今后國內(nèi)外相關(guān)工程設(shè)計提供了參考，也為今后相關(guān)規(guī)范的修訂提供了一定的理論依據(jù)。

2.1 基本地質(zhì)條件

CCS電站輸水隧洞位于安第斯山脈和亞馬遜平原結(jié)合帶，在結(jié)合帶有Coca大峽谷，受構(gòu)造運動影響，沿線斷層多沿溝谷及侵人體界限附近發(fā)育，開挖過程中遇到13條斷層。隧洞穿越的地層主要為安山巖、玄武巖、流紋巖、凝灰?guī)r、熔結(jié)凝灰?guī)r和角礫巖、頁巖、砂巖以及花崗閃長巖等，以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，隧洞沿線地層中的地下水主要為基巖裂隙水，施工中遇到的工程地質(zhì)問題主要有斷層破碎帶塌方、涌水等。

2.2 基于美國規(guī)范的結(jié)構(gòu)計算

管片襯砌結(jié)構(gòu)計算主要依據(jù)美國規(guī)范《Engineering and Design Tunnels and Shafts in Rock》（ EMII10-2-2901）[4]，采用國際隧道協(xié)會（ITA）推薦的修正慣用法，利用大型通用有限元程序ANSYS進行管片襯砌的內(nèi)力計算。

參照類似工程經(jīng)驗，管片襯砌厚度采用0.3 m，為降低工程投資，可將輸水隧洞TBM管片根據(jù)地質(zhì)條件分為A、B、C、D四種類型，但該分類方案管片種類較多，并不利于TBM掘進施工時管片的運輸和效率的發(fā)揮，通過與各參建單位共同研究后決定，在施工過程中將A、B型管片合并，即Ⅱ、Ⅲ類圍巖均采用B型管片，Ⅳ、V類圍巖采用D型管片。因B型管片約占全部管片的76%，用量最大，對工程安全、投資影響最大，故本文選擇B型管片進行對比分析。

根據(jù)輸水隧洞的施工及運行條件，當(dāng)發(fā)電機組突然甩負(fù)荷，需要關(guān)閉隧洞出口檢修閘門時，隧洞末端可能出現(xiàn)有壓運行工況，故計算時分別考慮了施工期軌道運輸、完建、無壓運行期、地震、非常時期的有壓運行期5種工況。

通過有限元計算，得到管片襯砌的內(nèi)力，然后根據(jù)美國規(guī)范《Srength Design for Reinforced Concrete Hy-draulic Structures》（EMlIIO -2 - 2104）[3]進行配筋計算，各工況下管片襯砌的內(nèi)力分布略有差異，最不利工況為完建工況，如圖1所示，管片彎矩最大值為187.1kN.m，軸力最大值為-4 548.8 kN，配筋設(shè)計后其含鋼量為115.8 kg/m3。

2.3 基于歐洲和中國規(guī)范的結(jié)構(gòu)計算

采用歐洲規(guī)范《Eurocode 2：Concrete structuresDesign - Part l.1： General rules and rules for build-ings》[6]對B型管片襯砌進行結(jié)構(gòu)計算。計算方法采用收斂一約束法、內(nèi)力求解方法和非線性求解方法。通過計算，各工況下管片襯砌的內(nèi)力分布情況與美國規(guī)范計算結(jié)果基本一致，但數(shù)值有差異，最不利工況為完建工況（如圖2所示），管片彎矩最大值為161.10kN.m，軸力最大值為一1 648.22 kN.配筋設(shè)計后其含鋼量為91.1 kg/m，與美國規(guī)范相比減少了24.7kg/m。

采用中國規(guī)范[7]進行計算，各工況下管片襯砌的內(nèi)力分布情況與歐洲規(guī)范計算結(jié)果基本一致，數(shù)值略有差異，其配筋計算結(jié)果與歐洲規(guī)范計算結(jié)果一致。通過進一步比較分析可知：歐洲標(biāo)準(zhǔn)和中國標(biāo)準(zhǔn)基本一致，美國標(biāo)準(zhǔn)與歐洲、中國標(biāo)準(zhǔn)的荷載與荷載組合均存在線性關(guān)系，但荷載組合中的具體分項系數(shù)不同。美國標(biāo)準(zhǔn)直接采用荷載分項系數(shù)，歐洲及中國標(biāo)準(zhǔn)則不僅采用荷載分項系數(shù)，而且采用了設(shè)計狀況系數(shù)、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)等。在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計時，美國標(biāo)準(zhǔn)修正的ACI318[5]引入了一個水力作用系數(shù)1.3[8]，這在中國和歐洲規(guī)范中是沒有的。

2.4 透水管片襯砌設(shè)計新理念

對于大埋深輸水隧洞而言，地下水位經(jīng)常在洞頂幾百米以上，影響隧洞安全的荷載主要為外水壓力，按照傳統(tǒng)的設(shè)計方法，襯砌在地下水豐富的洞段要承擔(dān)全部外水壓力，管片襯砌本身往往不足以承受如此高的壓力，在隧洞貫通后需要增加很多現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌共同承擔(dān)外水壓力，對投資和工期影響巨大。CCS電站輸水隧洞設(shè)計中采用了透水襯砌設(shè)計理念，對于Ⅱ～Ⅳ類圍巖，根據(jù)隧洞開挖后揭示的地下水情況，在隧洞頂拱部位、水面以上滲水處均設(shè)置了排水孔，無滲水時根據(jù)現(xiàn)場情況取消排水孔：V類圍巖洞段則全部設(shè)置排水孔。經(jīng)過研究分析和現(xiàn)場檢測證明，采取上述排水措施可有效降低外水壓力。CCS電站輸水隧洞采用的設(shè)計最大外水壓力水頭為3倍洞徑，不僅全洞（包括各種不良地質(zhì)洞段）沒有進行二次襯砌，而且管片本身的配筋較傳統(tǒng)方法的顯著減少。

3 TBM管片的細(xì)部設(shè)計

3.1 TBM管片型式

TBM管片型式可從管片的形狀、制作的材料等方面進行劃分，按照制作的材料一般可分為鋼管片、鋼筋混凝土管片、復(fù)合材料管片等，按照管片的形狀一般可分為六邊形管片、左右環(huán)通用型管片、平行四邊形管片3種型式[9]，不同的管片形狀對應(yīng)的管片細(xì)部構(gòu)造、施工安裝、襯砌環(huán)受力等是不同的。

六邊形管片相互交錯咬合，環(huán)向傳力方式是一個管片向相接的兩個管片傳力，理論上受力較為均勻，管片結(jié)構(gòu)整體性較好，但六邊形管片對制造及安裝的要求較高。工程實踐表明，在實際生產(chǎn)和施工時，由于存在不可避免的誤差，因此相鄰兩管片很難保證同時均勻受力。另外，六邊形管片、平行四邊形管片在掘進過程中不能依靠管片本身來實現(xiàn)隧洞轉(zhuǎn)彎及糾偏，需要糾偏及轉(zhuǎn)彎的地方要依靠墊片（墊塊）進行。

左右環(huán)通用型管片與平行四邊形管片一樣，型式相對簡單，管片之間的縱向連接為一個平面，連接面之間受力相對更均勻，管片之間止水安裝較易滿足密封的要求，但是與平行四邊形管片相比，左右環(huán)通用型管片每環(huán)在縱向設(shè)計了一定的楔形量，在TBM施工過程中可通過調(diào)整各管片位置和角度實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎和糾偏¨]。綜合考慮施工、結(jié)構(gòu)、造價等因素后，輸水隧洞選擇“B、D”兩種通用型管片型式，大大簡化了施工，提高了TBM掘進速度，其中TBM2創(chuàng)造了單月進尺1 000.8 m的速度，達到了同規(guī)模洞徑TBM掘進速度世界第三。

3.2 管片細(xì)部設(shè)計

根據(jù)TBM管片結(jié)構(gòu)計算分析及管片選型，管片設(shè)計內(nèi)徑8.2 m、厚0.3 m，中心環(huán)寬1.8 m，最大和最小環(huán)寬分別為1.82 m和1.78 m，每環(huán)由7塊組成，分別由4塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊和1個封頂塊組成。管片細(xì)部如封頂塊、止水系統(tǒng)、灌漿孑L、螺栓手孔和接觸面結(jié)構(gòu)等細(xì)部的成功設(shè)計有效保障了隧洞襯砌的質(zhì)量。

（1）關(guān)鍵塊設(shè)計。管片封頂塊又稱為“關(guān)鍵塊”，對管片拼裝的精度和質(zhì)量有重要的影響，考慮到CCS輸水隧洞有較大的洞徑，以及運輸和拼裝便利等因素，采用較小的封頂塊，中心角約為標(biāo)準(zhǔn)塊或鄰接塊的1/3，封頂塊與鄰接塊的接觸面與徑向面約成120角，封頂塊的非徑向分割避免了滑落，同時方便了拼裝。

（2）止水設(shè)計。CCS輸水隧洞為無壓隧洞，為防止外水內(nèi)滲及施工期止?jié){，止水槽設(shè)置在管片外側(cè)，槽內(nèi)布置遇水膨脹橡膠止水條，從而達到止水、止?jié){目的，同時在管片內(nèi)側(cè)連接縫處設(shè)置燕尾槽，在管片拼裝完成并回填灌漿后，向燕尾槽中填充無收縮水泥砂漿，降低隧洞過水糙率，增強了管片內(nèi)側(cè)的密封性。

（3）灌漿孔設(shè)計。管片上的灌漿孔軸線通常垂直于隧洞軸線，受空間限制，在豆粒石回填灌漿時，豆粒石不能完全充滿，從而影響豆粒石回填灌漿的密實性，不利于工程安全。通過分析研究，將灌漿孔傾斜開設(shè)，傾斜方向為掘進的反方向，傾斜角度為30°，傾斜后開設(shè)的灌漿孔有效減小了圍巖對豆粒石流動的阻礙，使豆粒石吹填較均勻、密實，進一步保障了工程的安全。

4 無門封閉檢修通道

在大、中型水利水電工程輸水隧洞（明流洞）建設(shè)過程中，特別是長距離、大直徑、深埋輸水隧洞，通常將施工期臨時施工支洞改建為檢修支洞，以達到縮短工期、降低投資的目的。改建中，通常在施工支洞與輸水隧洞主洞交叉連接段內(nèi)設(shè)置金屬檢修閘門，通過控制金屬檢修閘門啟閉達到輸水隧洞主洞的運行和檢修目的。此方法有兩個弊端：一是增加金屬檢修閘門等相關(guān)結(jié)構(gòu)，增大了工程投資：二是金屬檢修閘門本身存在維護及檢修問題，當(dāng)金屬檢修閘門因故障需要檢修或定期維修時，必須放空整個輸水隧洞主洞內(nèi)的水。因此，通常的施工支洞改建檢修支洞的方法，不僅增大工程投資，而且影響輸水隧洞的正常運行，存在一定的安全隱患。

如圖3所示，該工程施工支洞改建檢修支洞采用了無門封閉的新方法，首先對施工支洞與輸水隧洞主洞連接處進行混凝土封堵，在封堵混凝土上預(yù)留3.5 mx7.7 m（寬×高）的檢修通道;然后在靠近封堵段施工支洞內(nèi)的洞底用塊石混凝土回填成沿施工支洞縱向呈“凸”字形曲線的檢修通道，“凸”字形曲線的洞底最高處為圓弧段，圓弧段洞底的兩側(cè)縱坡均為10%，圓弧段洞底最高點的高程高于輸水隧洞主洞的正常運行水位：最后在檢修通道的洞底表面鋪設(shè)0.5 m厚的常態(tài)混凝土，作為混凝土防滲路面。檢修支洞既可以在運行期擋水，又可以在檢修期放空輸水隧洞主洞的情況下通車進行檢修。

這種封堵方法優(yōu)點在于：避免增設(shè)檢修閘門，降低了施工難度和工程投資，經(jīng)濟易行且縮短了工期，尤其適用于長距離、大直徑、深埋輸水隧洞（明流洞）的施工支洞回填改建檢修支洞，這種檢修支洞還可兼作明流輸水隧洞的通氣洞。

5 結(jié)語

厄瓜多爾CCS水電站2010年7月開工建設(shè)，于2016年11月建成竣工。CCS電站輸水隧洞在整個CCS水電站項目中起到承上啟下的關(guān)鍵作用，隧洞總長24.8 km，最大埋深722 m，設(shè)計過程中結(jié)合地下洞室結(jié)構(gòu)特點及工程總體布置、地質(zhì)條件、施工進度、減少施工干擾等要求對輸水隧洞進行總體規(guī)劃布置，通過對其工程布置、輸水方式、施工方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計等關(guān)鍵問題的研究和優(yōu)化，有效地解決了投資、工期、安全、協(xié)調(diào)等問題，確保了總工期，目前輸水隧洞運行良好。輸水隧洞的設(shè)計為復(fù)雜地質(zhì)條件下長隧洞的設(shè)計、施工提供了借鑒經(jīng)驗。

（1）方案布置。概念設(shè)計方案存在明滿流過渡且流態(tài)轉(zhuǎn)換頻繁、轉(zhuǎn)換點位置不固定、通氣豎井施工難度大、需放空調(diào)蓄水庫才能對隧洞出口段檢修等缺點，經(jīng)研究優(yōu)化后采用明流洞方案，取消了渦流豎井、壩內(nèi)虹吸管及兩個通氣豎井，簡化了工程布置及施工，節(jié)約了大量投資。

（2）管片選型。隧洞設(shè)計內(nèi)徑為8.2 m，襯砌管片厚度只有0.3 m。設(shè)計采用了通用型管片“B、D”兩種型式，管片類型少，不同地質(zhì)條件下及轉(zhuǎn)彎、糾偏時不需頻繁更換管片類型，大大簡化了施工，提高了TBM掘進速度，其中TBM2創(chuàng)造了單月進尺1 000.8 m（同規(guī)模洞徑TBM掘進速度世界第三的紀(jì)錄）的速度。

（3）管片的細(xì)部設(shè)計。CCS電站輸水隧洞管片強度、配筋、灌漿孔、定位孔、螺栓連接孔、燕尾槽等設(shè)置合理，保證了管片制作、脫模、安裝時的施工質(zhì)量。

（4）管片結(jié)構(gòu)設(shè)計。輸水隧洞管片設(shè)計采用了透水襯砌設(shè)計理念，通過有效的排水措施降低了外水壓力，保證了工程安全，只考慮3倍洞徑的外水壓力水頭是安全可靠的，全洞沒有進行二次襯砌。

（5）無門封閉檢修通道。利用2A施工支洞回填封堵，留設(shè)檢修通道，將其改建成檢修支洞，避免了增設(shè)檢修閘門，降低了施工難度和工程投資，縮短了工期，該檢修支洞還可兼作明流輸水隧洞的通氣洞，檢修支洞既可以在運行期擋水，又可以在檢修期放空輸水隧洞主洞的情況下對輸水隧洞主洞進行檢修。該方法尤其適用于長距離、大直徑、深埋輸水隧洞（明流洞）的施工支洞回填改建檢修支洞。

參考文獻：

[l] 王美齋，肖豫，陳曉年，等.厄瓜多爾CCS水電站TBM引水隧洞左右通用型管片的設(shè)計與實踐[J].資源環(huán)境與工程，2017，31（5）：606-609.

[2] 劉增強，史玉龍，梁春光.厄瓜多爾CCS水電站BIM綜合應(yīng)用[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2018，2（3）：14-18.

[3] US Army Corps of Engineers. Srength Design for ReinforcedConcrete Hydraulic Structures： EMIII0-2-2104[S].Wash-ington： Department of the Army， 1992： 1-9.

[4] US Army Corps of Engineers.Tunnels and Shafts in Rock：EMIIIO-2 - 2901[S].Washington： Department of the Army， 1997：1-9.

[5] ACI Committee 318. Building Code Requirements for Struc-tural Concrete and Commentary： ACI 318-08[S].Michigan：American Concrete Institute， 2008： 66.

[6] British Standards. Eurocode 2：Concrete structures Desi～-Partl.1： Ceneral rules and rules for buildings： BS EN 1992-1-1：2004[S].London： British Standards Institution， 2004：1.

[7]鈕新強，汪基偉，吳德緒，等.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：SL 191-2008[S].北京：中國水利水電出版社，2008：9.

[8] 張智敏，蘇凱，伍鶴皋.中美水工混凝土結(jié)構(gòu)配筋方法在隧洞設(shè)計中的應(yīng)用比較[C]∥水電站壓力管道：第八屆全國水電站壓力管道學(xué)術(shù)會議論文集，北京：中國水利水電出版社，2014：624-633.

[9] 王美齋，董甲甲.TBM輸水隧洞管片襯砌型式的設(shè)計研究與應(yīng)用[J].水電與新能源，2017（7）：20-22.

【責(zé)任編輯張華巖】