云霄抽水蓄能電站高壓隧洞襯砌形式選擇及論證

萬(wàn)利臺(tái),黃立財(cái)

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635)

1 工程概況

福建云霄抽水蓄能電站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)云霄蓄能)位于福建省漳州市云霄縣火田鎮(zhèn)境內(nèi)，是全國(guó)首個(gè)“核蓄一體化開(kāi)發(fā)運(yùn)營(yíng)”示范工程，也是目前福建省在建的最大抽水蓄能電站。站址距漳州市、廈門(mén)市、泉州市的直線距離分別為52 km、81 km、150 km。電站裝機(jī)容量為1 800 MW，裝設(shè)6臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的立軸單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組，工程動(dòng)態(tài)總投資約100億元，是國(guó)家可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃和水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃重點(diǎn)開(kāi)工項(xiàng)目，項(xiàng)目建成后，將與漳州核電形成核蓄一體化運(yùn)營(yíng)，保障電網(wǎng)運(yùn)行安全和清潔能源消納，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

云霄蓄能樞紐工程主要由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)站等建筑物組成。電站上水庫(kù)位于平水洋盆地，下水庫(kù)位于由NNW向展布的險(xiǎn)橋和NWW向展布的烏珩2個(gè)較大的山間盆地。上、下水庫(kù)間水平距離約為2.6 km，水頭差為475 m，距高比為5.6。輸水系統(tǒng)位于上水庫(kù)南岸與下水庫(kù)中部左岸的NW向山體內(nèi)，上覆巖體厚度為45～450 m。由引水系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)兩部分組成，采用中部式開(kāi)發(fā)方式，供水方式為2洞6機(jī)。引水系統(tǒng)縱剖面采用兩級(jí)斜井方案，建筑物包括：上水庫(kù)進(jìn)出水口、上平洞、上游調(diào)壓井、高壓隧洞、引水岔管、引水支管。尾水系統(tǒng)縱剖面采用一坡到底布置，建筑物包括：尾水支管、尾水岔管、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞和下水庫(kù)進(jìn)出水口等。輸水系統(tǒng)總長(zhǎng)為2 831.4 m，其中：引水系統(tǒng)長(zhǎng)為1 810.1 m，尾水系統(tǒng)長(zhǎng)為1 021.3 m。高壓隧洞最大靜水頭為575 m，設(shè)計(jì)水頭約為753 m。

2 輸水系統(tǒng)水文地質(zhì)條件

2.1 圍巖地質(zhì)條件

云霄蓄能推薦方案輸水系統(tǒng)沿線山體雄厚，下伏基巖主要為晶洞中粗粒鉀長(zhǎng)花崗巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，抗風(fēng)化能力強(qiáng)。主要構(gòu)造形跡以斷層和裂隙為主，其中探洞揭示的斷層以中等～陡傾角為主，多為Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面、少量為Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面。

輸水隧洞多位于地下水位以下，巖體以弱～微透水性為主，地下水活動(dòng)總體較弱，沒(méi)有大的滲漏構(gòu)造，局部張裂隙和小斷層透水性好，連通性差。

根據(jù)工程區(qū)地質(zhì)測(cè)繪、探洞、鉆孔揭示的工程地質(zhì)條件，按照圍巖分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，輸水系統(tǒng)圍巖總體為Ⅱ～Ⅲ類(lèi)，少量Ⅳ～Ⅴ類(lèi)，輸水系統(tǒng)圍巖條件整體較好。

2.2 地表水系

工程區(qū)氣候?qū)贃|南沿海亞熱帶海洋性氣候，幾乎無(wú)冬，暖熱濕潤(rùn)。多年平均氣溫為21.1 ℃左右，最冷的1月平均氣溫為14.1 ℃，最高的7月氣溫為28.6 ℃。年降水量1 725.4 mm左右，區(qū)內(nèi)植被茂密。

工程區(qū)水系屬漳江水系，為漳江一支流水源，工程區(qū)水力資源受季節(jié)性影響較大，春、夏季雨水較多。上庫(kù)為工程區(qū)最高點(diǎn)，庫(kù)周沖溝水匯流于平水洋盆地，經(jīng)上庫(kù)主壩、雙坑沖溝流入下庫(kù)，經(jīng)下庫(kù)壩址河道流入火田鎮(zhèn)高田村，最終流入漳江。

2.3 地下水情況

1) 地下水類(lèi)型

工程區(qū)地下水類(lèi)型主要為基巖裂隙水，賦存于基巖裂隙、斷層破碎帶中，主要來(lái)自大氣降水及孔隙性潛水的補(bǔ)給，含水性和透水性一般隨深度增加而減弱。

根據(jù)地下水賦存情況，將巖層分為2個(gè)含水層：在山坡上部厚約20～50 m為裂隙性潛水含水層，50 m深度以下為相對(duì)不透水層。裂隙性潛水含水層有連續(xù)的自由地下水位，根據(jù)地下水長(zhǎng)觀資料，地下水位分布多在強(qiáng)風(fēng)化帶中、下部或弱風(fēng)化帶上部。

2) 地質(zhì)鉆孔揭露的地下水位及動(dòng)態(tài)特征

可研階段在輸水系統(tǒng)沿線布置了地下水位長(zhǎng)期觀測(cè)孔，連續(xù)觀測(cè)時(shí)間近1個(gè)水文年。觀測(cè)顯示高壓隧洞地下水位最大埋深為51.0～96.2 m，最大變幅為45.2 m，地下水位較高，且變幅不大。

3) 探洞開(kāi)挖揭露的地下水情況

探洞開(kāi)挖過(guò)程沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大的涌水構(gòu)造，大部分洞身較干燥，局部斷層和張裂隙存在滲水，滲流量大多小于5 L/min，流量穩(wěn)定，探洞開(kāi)挖過(guò)程中，后揭露的洞段對(duì)先揭露的洞段基本沒(méi)影響。

在探洞中的地質(zhì)深孔鉆進(jìn)過(guò)程中，部分鉆孔揭露到貯水較豐富的斷層和裂隙，孔口有噴涌水的現(xiàn)象，反應(yīng)較明顯幾個(gè)鉆孔實(shí)測(cè)的穩(wěn)定流量q=18～78 L/min，孔口承壓水壓力P=1.1～1.8 MPa。根據(jù)探洞口三角堰實(shí)測(cè)，主探洞及支洞全長(zhǎng)約1 807 m，地下水滲流總量為200～220 L/min(含鉆孔承壓水)。輸水系統(tǒng)與地下廠房區(qū)沒(méi)有大的滲漏構(gòu)造，局部張裂隙和斷層具有貯水性，透水性好。

根據(jù)目前已經(jīng)查明的地質(zhì)情況，輸水系統(tǒng)沿線山體雄厚，高壓隧洞深埋于微風(fēng)化～新鮮巖體中，高壓隧洞部位地下水埋藏較淺，且水位變幅不大，較穩(wěn)定。隧洞圍巖部分?jǐn)鄬印⒘严秲?chǔ)水豐富，具承壓，但探洞開(kāi)挖后，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大的涌水構(gòu)造，探洞開(kāi)挖形成滲水通道后，周邊山體地下水位的變化不明顯，長(zhǎng)觀孔反應(yīng)不明顯，說(shuō)明工程區(qū)節(jié)理裂隙以閉合為主，各斷層之間水力聯(lián)系不密切，地下水與地表水體及上庫(kù)水系的水力聯(lián)系弱。根據(jù)透水襯砌設(shè)計(jì)理念[1-3]，較高的地下水位能減小隧洞的內(nèi)外水頭差，對(duì)鋼筋混凝土隧洞受力有利。與之相反的是較高地下水位不利于鋼管襯砌的抗外壓穩(wěn)定。

3 襯砌形式比選

云霄蓄能可研階段對(duì)高壓隧洞采用鋼筋混凝土襯砌方案和鋼板襯砌方案進(jìn)行了詳細(xì)比選[4]。方案擬定遵行以下原則：① 輸水系統(tǒng)的平面線路和布置相近，供水方式均為2洞6機(jī)，立面形式和廠房開(kāi)發(fā)方式均相同；② 輸水系統(tǒng)的水頭損失和調(diào)保性能接近；③ 尾水系統(tǒng)布置相同。

混凝土襯砌方案引水系統(tǒng)除引水支管采用鋼管外均采用混凝土襯砌，高壓隧洞洞徑為8.0 m，采用“卜”形混凝土岔管，支管直徑為3 m，其平面布置如圖1所示。

圖1 混凝土襯砌方案輸水系統(tǒng)平面布置示意

鋼板襯砌方案引水系統(tǒng)壓力管道自中平洞起點(diǎn)下游約120 m處開(kāi)始采用鋼板襯砌，上平洞、上斜井、中平洞首部180 m段采用混凝土襯砌，直徑為8.0 m，中平洞、下斜井和下平洞鋼管直徑為6.8 m，在下平洞末端管徑漸變?yōu)?.2 m后接2個(gè)“Y”形對(duì)稱(chēng)內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管鋼岔管，其中1#岔管主管直徑為5.2 m，支管管徑為4.2 m，2#岔管主管直徑為4.2 m，支管直徑為3.0 m，其平面布置如圖2所示。

圖2 鋼板襯砌方案輸水系統(tǒng)平面布置示意

以下對(duì)兩個(gè)方案從工程布置、施工條件、工程投資等方面進(jìn)行了詳細(xì)比較。

3.1 工程布置比較

2洞6機(jī)混凝土襯砌方案共布置兩條隧洞，每條高壓隧洞由2個(gè)“卜”形鋼筋混凝土岔管分為3條支管。下平洞、引水岔主管之間凈距約79.6 m，在引水混凝土岔支管末端處凈距也有71.5 m，2個(gè)水力單元之間的水力梯度約為7.2～8.0，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2洞6機(jī)鋼管襯砌方案兩條高壓管道分別由2個(gè)對(duì)稱(chēng)“Y”型內(nèi)加強(qiáng)月牙肋鋼岔管分為3條支管。其中1#鋼岔管HD值達(dá)到3 926 m2，2#鋼岔管HD值為3 171 m2。目前，已建鋼岔管HD值最大的電站為日本葛野川抽水蓄能電站[5]，其鋼岔管HD值為4 720 m2，鋼岔管主管管徑為4.0m；國(guó)內(nèi)HD值最大鋼岔管為呼和浩特抽水蓄能[6]岔管HD值為4 140 m2，2洞6機(jī)方案的1#鋼岔管HD值僅次于呼蓄。經(jīng)初步計(jì)算，1#鋼岔管尺寸約為7.2 m×8.4 m×6.9 m(長(zhǎng)×寬×高)，最大厚度為74 mm(800 MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼)，肋板厚度為146 mm，單個(gè)重量為90.26 t，岔管尺寸較大，相應(yīng)的施工運(yùn)輸洞室尺寸、整體加工制造及現(xiàn)場(chǎng)安裝難度較大；若采用1000 MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼，岔管管壁厚度可減小，而國(guó)產(chǎn)1 000 MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼[7-8]還處于試驗(yàn)研究階段，國(guó)內(nèi)尚無(wú)水電工程應(yīng)用實(shí)例。此外，根據(jù)可研階段地質(zhì)勘查資料，高壓隧洞區(qū)域地下水比較豐富，地下水位較高，而斷層、節(jié)理裂隙的連通性不密切，對(duì)鋼管外的外排水設(shè)計(jì)十分不利，鋼管的抗外壓穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)較高。

3.2 施工條件比較

混凝土襯砌方案與鋼板襯砌方案的施工支洞布置方式相同，主要差別在于中平洞和下平洞的施工支洞尺寸不同，其中混凝土襯砌方案施工支洞的尺寸均為7.5 m×6.5 m，鋼板襯砌方案由于從中平洞后半段開(kāi)始采用鋼板襯砌，考慮到鋼管和鋼岔管的運(yùn)輸和安裝，中平洞支洞斷面尺寸需增加到8.6 m×7.6 m，下平洞支洞斷面尺寸需增加到9.0 m×8.2 m，施工支洞斷面尺寸較大。

從施工工期進(jìn)行比較，混凝土襯砌方案施工方便，相對(duì)簡(jiǎn)單，而鋼板襯砌鋼板采用的運(yùn)輸、鋼管的焊接相對(duì)復(fù)雜，其施工工期更長(zhǎng)。

從施工難度進(jìn)行比較，鋼板襯砌方案采用800 MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼時(shí)，由于壓力鋼管管徑和鋼岔管規(guī)模較大，鋼管的運(yùn)輸、拼裝焊接要求進(jìn)一步提高[9-10]；若采用1 000 MPa級(jí)鋼材，國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用實(shí)例較少，施工經(jīng)驗(yàn)相對(duì)缺乏。

3.3 工程投資比較

混凝土襯砌方案和鋼板襯砌方案的可比投資對(duì)比，鋼板襯砌方案要多約2.9億元，因此，混凝土襯砌方案投資更省。

3.4 比較結(jié)論

綜合多個(gè)方面的比較，混凝土襯砌方案布置合理，施工方便，投資更省，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)更低，因此推薦采用混凝土襯砌方案。

4 鋼筋混凝土襯砌形式論證

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 10391—2020)[11]及國(guó)內(nèi)外已建工程經(jīng)驗(yàn)，高壓隧洞采用混凝土襯砌必須滿(mǎn)足下面幾個(gè)準(zhǔn)則要求：

① 高壓隧洞上覆巖體最小厚度應(yīng)足以抵抗內(nèi)水壓力，即滿(mǎn)足挪威準(zhǔn)則的要求；

② 圍巖中的最小主應(yīng)力應(yīng)大于內(nèi)水壓力，保證在運(yùn)行水頭下不會(huì)產(chǎn)生水力劈裂，以免引起嚴(yán)重滲漏；

③ 高壓隧洞圍巖屬弱至微透水性，滲透梯度滿(mǎn)足滲透穩(wěn)定要求，以保證圍巖具有足夠的抗?jié)B性。岔管應(yīng)布置在地質(zhì)條件較好、透水性較弱的巖體中。

以下分別從這三大準(zhǔn)則對(duì)云霄蓄能襯砌形式進(jìn)行分析論證。

4.1 應(yīng)用挪威準(zhǔn)則分析

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于不襯砌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力的要求，可按挪威準(zhǔn)則計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，挪威準(zhǔn)則圍巖覆蓋厚度示意見(jiàn)圖3。

圖3 壓力隧洞圍巖覆蓋厚度示意

根據(jù)工程區(qū)地形及輸水系統(tǒng)布置情況，沿2#輸水隧洞(由于1#和2#隧洞布置及覆蓋情況相似，僅列舉2#隧洞計(jì)算結(jié)果)選取幾個(gè)代表性部位作為計(jì)算點(diǎn)驗(yàn)算引水高壓隧洞沿線各點(diǎn)的最小覆蓋厚度，引水系統(tǒng)縱剖面布置如圖4所示，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖4 引水系統(tǒng)縱剖面示意

由表1可知，輸水系統(tǒng)沿線最小覆蓋厚度安全系數(shù)均在1.3～3.1之間，均滿(mǎn)足挪威準(zhǔn)則要求。另外根據(jù)輸水系統(tǒng)沿線地形情況，高壓隧洞側(cè)向范圍地形變化平緩，無(wú)突跌式的陡崖，側(cè)向覆蓋厚度滿(mǎn)足要求。

表1 2#輸水隧洞最小覆蓋厚度計(jì)算成果

4.2 應(yīng)用最小主應(yīng)力準(zhǔn)則分析

最小地應(yīng)力準(zhǔn)則是建立在“巖體在地應(yīng)力場(chǎng)中存在預(yù)應(yīng)力”的概念基礎(chǔ)上，其原理是要求不襯砌高壓隧洞沿線任一點(diǎn)的圍巖最小主應(yīng)力σ3應(yīng)大于該點(diǎn)洞內(nèi)靜水壓力，并有1.2～1.3倍的安全系數(shù)，防止圍巖發(fā)生水力劈裂破壞。

為了解輸水系統(tǒng)高壓隧洞沿線圍巖地應(yīng)力情況，可研階段在輸水發(fā)電系統(tǒng)沿線的地質(zhì)鉆孔分別進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試、高壓壓水試驗(yàn)、水力劈裂試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)，還利用地應(yīng)力實(shí)測(cè)成果對(duì)工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了回歸分析。各種地應(yīng)力測(cè)試方法成果及分析如下：

1) 水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試成果

選取對(duì)應(yīng)引水系統(tǒng)建筑物部位高程的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果列于表2，從表2中可以看出，引水系統(tǒng)沿線隧洞圍巖的最小主應(yīng)力均大于洞內(nèi)靜水壓力，并有1.27倍以上的安全系數(shù)。

表2 地應(yīng)力測(cè)試成果

2) 水力劈裂試驗(yàn)成果

水力劈裂試驗(yàn)的劈裂壓力反映了裂隙方向上的最小正應(yīng)力，高壓隧洞附近鉆孔測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 高壓岔管部位鉆孔劈裂壓力結(jié)果 MPa

從表3中可以看出，高壓岔管附近的最小劈裂壓力均在6.1 MPa以上，均大于洞內(nèi)最大靜水壓力，滿(mǎn)足圍巖抗劈裂要求。

3) 地應(yīng)力回歸成果

結(jié)合地質(zhì)資料，基于鉆孔的地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果及三維有限元反演結(jié)果，用最小二乘法對(duì)工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了多元回歸分析。圖5為2#輸水隧洞沿線的最小主應(yīng)力σ3等值線云圖，表4為2#輸水隧洞沿線關(guān)鍵部位插值結(jié)果。

表4 2#輸水隧洞地應(yīng)力回歸插值成果 MPa

圖5 2#輸水隧洞線路沿線剖面最小主應(yīng)力σ3等值線云示意

從地應(yīng)力回歸分析的成果來(lái)看，輸水隧洞沿線圍巖最小主應(yīng)力均大于洞內(nèi)靜水壓力，且有1.3倍以上的安全系數(shù)。

綜合原位地應(yīng)力測(cè)試成果及地應(yīng)力回歸分析的結(jié)果，輸水系統(tǒng)沿線圍巖地應(yīng)力條件都能夠滿(mǎn)足最小主應(yīng)力準(zhǔn)則的要求。

4.3 應(yīng)用滲透準(zhǔn)則分析

天然巖體內(nèi)存在大量的節(jié)理裂隙，而裂隙中又往往有夾泥或碎屑物充填，當(dāng)隧洞襯砌開(kāi)裂，在一定壓力滲透水長(zhǎng)期作用下，巖體有可能發(fā)生滲透變形破壞，使圍巖承載力大大降低，進(jìn)而影響隧洞結(jié)構(gòu)安全。滲透準(zhǔn)則是為了檢驗(yàn)巖體滲透性是否滿(mǎn)足滲透穩(wěn)定的要求，即隧洞內(nèi)水外滲量不隨時(shí)間延長(zhǎng)而持續(xù)增加或突然增加。為保證圍巖滲透穩(wěn)定，根據(jù)水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范以及常用準(zhǔn)則，在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用下隧洞沿線圍巖的平均透水率應(yīng)不大于2.0 Lu，經(jīng)灌漿后的圍巖透水率q應(yīng)不大于1.0 Lu。根據(jù)地質(zhì)鉆孔高壓壓水試驗(yàn)成果，將隧洞圍巖試驗(yàn)結(jié)果列于表5，應(yīng)用滲透準(zhǔn)則對(duì)引水系統(tǒng)沿線圍巖的滲透穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

根據(jù)可研階段地質(zhì)勘查成果，輸水系統(tǒng)沿線巖性以晶洞中粗粒鉀長(zhǎng)花崗巖為主，引水系統(tǒng)弱～微風(fēng)化巖體的透水率一般在0.3～3.3 Lu之間，屬弱～微透水性；深部微風(fēng)化～新鮮巖體透水率多小于1 Lu，屬微透水性，局部弱透水性；局部裂隙密集帶、斷層破碎帶透水率大于1 Lu。從表4～表5中可以看出，高壓隧洞段圍巖透水率均小于1 Lu，屬于微透水性，可滿(mǎn)足滲透穩(wěn)定準(zhǔn)則要求。

表5 高壓隧洞圍巖高壓壓水試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4.4 滲漏量估算

根據(jù)《水工隧洞和調(diào)壓室》[12]和目前有壓隧洞滲漏量計(jì)算的研究成果中推薦的滲漏量計(jì)算公式，并類(lèi)比已建成鋼筋混凝土襯砌隧洞運(yùn)行過(guò)程中滲漏量實(shí)測(cè)結(jié)果(如已建清蓄和深蓄水道充水前后排水廊道、施工支洞堵頭等部位量水堰監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù))，本工程輸水系統(tǒng)采用混凝土襯砌年滲漏量約為32萬(wàn)m3，滲漏量不大。本工程區(qū)位于我國(guó)東南地區(qū)，天然徑流補(bǔ)給相對(duì)豐富，水道的少量滲漏不會(huì)影響工程正常運(yùn)行。

4.5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)高壓隧洞沿線圍巖進(jìn)行最小覆蓋厚度、最小主應(yīng)力和滲透穩(wěn)定分析，云霄蓄能高壓隧洞具備采用鋼筋混凝土襯砌的地形地質(zhì)條件。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)云霄蓄能2種襯砌形式的比選和論證，推薦采用鋼筋混凝土襯砌方案。與鋼板襯砌方案相比，混凝土襯砌[13]方案具有施工方便，經(jīng)濟(jì)性好，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)更低等優(yōu)勢(shì)，但是混凝土襯砌方案也有一些技術(shù)難點(diǎn)。雖然高壓隧洞圍巖地質(zhì)條件較好，但難免存在一些斷層等地質(zhì)缺陷，這些地質(zhì)缺陷是造成隧洞滲漏的主要原因；此外云霄蓄能2條高壓隧洞之間的距離較近，當(dāng)后期1條洞充水運(yùn)行，另1條洞在施工期或者放空檢修時(shí)，高壓地下水對(duì)放空的隧洞和壓力鋼管威脅大。因此，在工程實(shí)施階段，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)隧洞圍巖的灌漿及不良地質(zhì)缺陷的處理，提高圍巖的承載能力，減少滲漏損失；做好高壓隧洞的防滲排水設(shè)計(jì)，科學(xué)合理的安排隧洞的充排水方案，確保高壓隧洞的安全運(yùn)行。