雅康高速二郎山隧道斜井引水發(fā)電可行性淺析

鄭建國(guó) 林國(guó)進(jìn) 李玉文 陳行

【摘要】二郎山隧道長(zhǎng)13.4 km，是雅安至康定高速公路的控制性工程之一。隧道運(yùn)營(yíng)能耗高，結(jié)合二郎山隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)方案，充分利用隧址區(qū)地形、水文、氣象等條件，運(yùn)用開(kāi)拓性思維，奇思妙想，在公路交通行業(yè)創(chuàng)造性的首次提出了利用康定端斜井引水發(fā)電進(jìn)行節(jié)能減排的新舉措，有效降低隧道運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，具有較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】二郎山特長(zhǎng)隧道; 節(jié)能減排; 引水發(fā)電; 斜井

【中國(guó)分類號(hào)】TV74【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

1 二郎山隧道

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，中西部及少數(shù)民族地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展差距縮小的需求，帶動(dòng)了我國(guó)西部地區(qū)大型工程項(xiàng)目的蓬勃發(fā)展[1-3]，然而極其復(fù)雜和脆弱的地質(zhì)環(huán)境致使我國(guó)西部交通工程橋隧比高、運(yùn)營(yíng)耗能大、供電困難，對(duì)交通、新能源、環(huán)保提出了新課題和發(fā)展機(jī)遇[4-5]。同時(shí)，我國(guó)西部水資源十分豐富，水能是一種取之不盡、用之不竭、可再生的清潔能源[6-7]。水力發(fā)電對(duì)環(huán)境影響較小，且有利于改善交通、電力供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，促進(jìn)節(jié)能減排[8]。為此，充分利用建設(shè)工程地形地貌、水文、氣象條件，合理開(kāi)發(fā)工程區(qū)水能進(jìn)行引水發(fā)電成為推進(jìn)西部地區(qū)綠色發(fā)展的重要途徑[9]。本文以雅康高速公路二郎山隧道為例，探討“隧道斜井引水發(fā)電”實(shí)現(xiàn)其節(jié)能減排的可行性。

雅安至康定高速公路通往我國(guó)及四川省西部藏族地區(qū)，是《國(guó)家公路網(wǎng)規(guī)劃》高速公路G42橫線“上海—成都”及G4218聯(lián)絡(luò)線“雅安—葉城”的重要組成部分，是連接成都至康定的重要通道，是通往藏區(qū)的重要國(guó)防線和生命線，在區(qū)域路網(wǎng)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要的地位和作用。

二郎山隧道是雅安至康定高速公路重大控制性工程之一，長(zhǎng)約13.4 km，埋深超過(guò)1 500 m，具有極其復(fù)雜的地形條件、極其復(fù)雜的地質(zhì)條件、極其敏感的環(huán)境條件等特點(diǎn)。

二郎山隧道通風(fēng)采用三區(qū)段送排式通風(fēng)方案，分段長(zhǎng)度為（3 680+5 320+4 406） m，雅安端風(fēng)井：右線為平導(dǎo)（2 153 m/-0.33 %）+斜井（885 m/+14.67 %），左線為斜井（2 280 m/+13.37 %）;康定端斜井：右線斜井（1 710 m/+10.56 %），左線斜井（1 734 m/+11.09 %）。

2 二郎山隧道運(yùn)營(yíng)能耗分析

二郎山隧道運(yùn)營(yíng)能耗較大，主要為隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)和照明系統(tǒng)，設(shè)備功率8 600 kW，每年耗電量約1 400×104 kW/h，電費(fèi)約98 070元，因此運(yùn)用新能源、新技術(shù)進(jìn)行節(jié)能減排意義重大（表1）。

根據(jù)交通部《公路水路交通運(yùn)輸節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》，“在公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)領(lǐng)域，積極組織開(kāi)展先進(jìn)適

用節(jié)能減排技術(shù)的推廣應(yīng)用工作，降低能耗與排放水平”，“公路隧道節(jié)能減排技術(shù)改造與應(yīng)用，大力推進(jìn)太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源應(yīng)用”。切實(shí)響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策，二郎山隧道利用康定端斜井進(jìn)行引水發(fā)電，有效降低隧道運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，具有較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

3 利用康定端斜井引水發(fā)電

3.1 建設(shè)條件

二郎山呈南北走向，為大渡河和青衣江的分水嶺。東、西坡分屬青衣江和大渡河流域。二郎山隧道進(jìn)出口分別位于東坡的長(zhǎng)河壩和西坡的五里溝。

五里溝為大渡河支流，受大氣降水（雨、雪）及冰雪融化水、地下水補(bǔ)給，其中主要為大氣降水補(bǔ)給。本流域降水量主要集中在5～10月，占年降雨量的75 %～80 %，其中又以6～9月最多，降雨日達(dá)180 d以上。

二郎山隧道出口位于五里溝溝口，康定端斜井位于五里溝上游支溝，支溝流域面積19 km2。支溝坡降大，兩岸陡峭，切割較深，呈“V”字型，因此具有“易漲易落”的特點(diǎn)，雨季流量大于0.8 m3/s;平水期流量較穩(wěn)定，約0.5 m3/s。旱季枯水期水量小于0.5 m3/s。

瀘定地處四川盆地到青藏高原過(guò)渡帶上，受東南、西南季風(fēng)和青藏高原冷空氣雙重影響，氣候垂直差異明顯，海拔1 800 m以下地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，為有名的干熱河谷地區(qū)。瀘定氣候冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑，冬季干燥溫暖，季均溫度7.5 ℃;夏季溫涼濕潤(rùn)，季均溫度22.7 ℃;年平均氣溫16.5 ℃，年平均無(wú)霜期279 d，年均降雨量664.4 mm。

3.2 裝機(jī)容量測(cè)算

根據(jù)五里溝支溝徑流情況以及徑流式小型水電站特點(diǎn)[10-13]，利用斜井可修建徑流式小型水電站，水頭高差H=192 m。采用直徑500 mm的引水管，引水管坡度11 %，水管水流速5.55 m/s，滿管流量Q=1.09 m3/s。

理論裝機(jī)容量：

N=AQH

A：出力系數(shù)A=0.6～8.5，取7.5，

則N=7.5×1.2×245=1570 kW。

此為滿管發(fā)電裝機(jī)容量，根據(jù)支溝雨季流量流量大于0.8 m3/s計(jì)算，因此實(shí)際裝機(jī)容量可確定為1 100 kW。

3.3 年發(fā)電量測(cè)算

五里溝主要接受大氣降雨補(bǔ)給，降雨主要集中在5～10月，占年降雨量的75 %～80 %，降雨日達(dá)180 d以上，年均降雨量664.4 mm。斜井口支溝處流域面積19 km2，年降雨量1 262×104 m3。雨季支溝流量大于0.8 m3/s。滿負(fù)荷發(fā)電天數(shù)150 d，年發(fā)電量：

E=N×T=1100×24×150=396×104 kWh。

隧道運(yùn)營(yíng)期間，隧道照明系統(tǒng)設(shè)備功率為600 kW，因此利用斜井引水發(fā)電可全部滿足隧道照明用電和部分滿足隧道通風(fēng)用電。

3.4 投資估算

同類型小型水電站投資為1.0萬(wàn)元/kW，其中土建費(fèi)用0.6萬(wàn)元/kW，機(jī)電費(fèi)用0.4萬(wàn)元/kW。本水電站為利用斜井進(jìn)行引水發(fā)電，土建費(fèi)用僅為地下發(fā)電廠房和變電廠房土建費(fèi)用，因此本水電站應(yīng)比同類型水電站工程規(guī)模要大大降低，按0.5萬(wàn)元/kW進(jìn)行估算，需投資550萬(wàn)元。

發(fā)電為自用電，省去上網(wǎng)審批等程序及相關(guān)費(fèi)用，暫按用電0.7元/kWh計(jì)算，每年隧道運(yùn)營(yíng)可減少電費(fèi)277萬(wàn)元，2.5年即可收回投資。

根據(jù)《交通運(yùn)輸節(jié)能減排專項(xiàng)資金管理暫行辦法》，根據(jù)項(xiàng)目性質(zhì)、投資總額、實(shí)際節(jié)能減排量以及產(chǎn)生的社會(huì)效益等綜合測(cè)算確定補(bǔ)助額度。本項(xiàng)目爭(zhēng)取申請(qǐng)交通運(yùn)輸節(jié)能減排專項(xiàng)資金。

3.5 引水發(fā)電建筑物布置

二郎山隧道供電項(xiàng)目壩址在高速公路通風(fēng)斜井出口，位于白沙溝匯入五里溝的匯合點(diǎn)下游150 m處。首部樞紐建筑物主要由攔河取水建筑物、暗涵、沉礫池組成。攔河壩由進(jìn)水閘、沖沙閘、溢流壩建筑物組成。進(jìn)水閘采用寬頂堰取水，進(jìn)口寬1.5 m，設(shè)有攔污柵與進(jìn)水閘門各一扇。進(jìn)水閘末端后緊接暗涵，長(zhǎng)20.0 m，為矩形箱涵結(jié)構(gòu)，底坡i=1/200，斷面尺寸b×h=1.0 m×1.5 m，采用30 cm厚的C20鋼筋混凝土襯砌。沉砂池位于箱涵末端，布置在壩址下游左岸階地上，沉砂池總長(zhǎng)60 m，寬5 m（圖3）。

廠址定于二郎山隧洞已開(kāi)挖的洞內(nèi)，為洞內(nèi)廠房。廠區(qū)建筑物主要有主廠房、高壓開(kāi)關(guān)室、二次設(shè)備室、尾水渠等?？紤]到進(jìn)廠公路與二郎山隧洞通風(fēng)斜井、壓力管道，從通風(fēng)斜井（壓力管道）進(jìn)入廠區(qū)，并從端部進(jìn)入主廠房，安裝間布于主廠房左部，高壓開(kāi)關(guān)室、二次設(shè)備室布置在主廠房右側(cè)。

4 風(fēng)險(xiǎn)控制

4.1 尾水排放

發(fā)電站尾水流量最大流量0.8 m3/s（約6.9×104 m3/d），經(jīng)隧道主洞中央排水溝排出隧道。隧道縱坡0.5 %，中央水溝尺寸120×0.75 cm，單洞水溝最大流量1.69 m3/s（約14.6×104 m3/d），雙洞水溝最大流量3.04 m3/s（約29.2×104 m3/d），出口段隧道最大涌水量約0.61 m3/s（5.3×104 m3/d）。隧道中央排水溝排水能力約29.2×104 m3/d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大涌水量和引水發(fā)電尾水量（共約12.2×104 m3/d）。

為方便緊急情況下或洞內(nèi)某段維修左右洞交通轉(zhuǎn)換，二郎山隧道設(shè)置了2處大斷面洞內(nèi)聯(lián)絡(luò)道，聯(lián)絡(luò)道也設(shè)置了中央水溝。聯(lián)絡(luò)道中央水溝將左、右洞中央水溝連接起來(lái)，可調(diào)節(jié)左、右洞中央水溝流量，使左、右洞中央水溝流量更均衡，最大限度的發(fā)揮中央水溝的排泄能力。

4.2 爆管風(fēng)險(xiǎn)控制

為了有效避免引水管爆管，影響行車安全。在斜井底部設(shè)置蓄水池和導(dǎo)流洞，爆管水流進(jìn)入蓄水池，經(jīng)導(dǎo)流洞直接排入中央排水溝，不會(huì)導(dǎo)致爆管水流進(jìn)入地下風(fēng)機(jī)房和隧道主洞路面。

4.3 運(yùn)營(yíng)管理風(fēng)險(xiǎn)

目前水電站發(fā)電、變電技術(shù)成熟，設(shè)備先進(jìn)，不存在較大運(yùn)營(yíng)管理風(fēng)險(xiǎn)。引水發(fā)電不會(huì)對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策，利用康定端斜井引水發(fā)電工程可行，初步測(cè)算裝機(jī)容量1 100 kW，年發(fā)電量396×104 kWh，投資約550萬(wàn)元，預(yù)計(jì)2.5年收回投資。引水發(fā)電可完全滿足隧道營(yíng)運(yùn)照明用電和部分通風(fēng)用電，具有較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

利用斜井引水發(fā)電，運(yùn)用開(kāi)拓性思維，奇思妙想，在公路交通行業(yè)創(chuàng)造性的首次提出了利用康定端斜井引水發(fā)電進(jìn)行節(jié)能減排的新舉措，將水電和公路交通建設(shè)聯(lián)系起來(lái)，有效降低隧道運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，具有較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)為公路交通行業(yè)節(jié)能減排提供了新思路、新舉措。

依此為鑒，打破常規(guī)，開(kāi)拓思維，希望能提出更多、更好的隧道建設(shè)新技術(shù)、新工藝。所有這一切都賦予了小水電新的歷史使命，為小水電的發(fā)展提供了廣闊的空間。

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