錦屏二級水電站引水隧洞檢修通道設計

鮑世虎，張 洋，陳曉江

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

1 工程概況

錦屏二級水電站位于四川省涼山州雅礱江上，主要利用錦屏山附近約150 km 的大河灣，采用引水隧洞穿越錦屏山截彎取直引水發(fā)電。電站總裝機4 800 MW（600 MW×8）。電站多年平均發(fā)電量約242億kW，年利用小時數(shù)約5 048 h，保證出力約1 972 MW。電站引水隧洞線路長、裝機容量大，永久建筑物主要包括首部攔河閘壩、引水系統(tǒng)、地下發(fā)電廠房和尾水系統(tǒng)等。

引水隧洞共4 條，平行布置，每條隧洞長約16.7 km，隧洞軸線間距為60 m，洞軸線走向為N58°W。隧洞采用鉆爆法和TBM 法開挖，典型斷面為圓形或馬蹄形，開挖洞徑12.4～14.6 m，襯砌后直徑為11.2～11.6 m。隧洞沿線埋深一般為1 500～2 000 m，最大約2 525 m。引水隧洞埋深大、洞線長、斷面大，是目前世界上規(guī)模最大的水工隧洞洞室群。

2 檢修通道布置設計

2.1 檢修通道總體布置

為方便引水隧洞投入運行后的日常工程管理、放空檢修等工作，在設計過程中，應根據(jù)工程維修、管理的需要，結合樞紐工程布置特點，設置檢修通道、進人孔和爬梯等[1]。本工程中引水隧洞東、西向跨越錦屏山，山體雄厚，沿線施工支洞數(shù)量較少，檢修條件較差。結合首部樞紐布置和引水隧洞沿線的施工支洞布置，通往引水隧洞的檢修通道主要包括進水口事故閘門檢修豎井和引水隧洞施工支洞檢修進人門。引水隧洞檢修通道設計見圖1。

圖1 引水隧洞檢修通道設計Fig.1 Design of maintenance channels of diversion tunnels

2.1.1 進水口事故閘門檢修豎井

引水隧洞線路特長且斷面巨大，只有具備中、大型機械設備進入的條件，才能進行常規(guī)的檢修、清渣等處理工作。錦屏二級水電站進水口為洞內(nèi)豎井式，即洞外攔污柵墩+引水隧洞進口段+洞內(nèi)事故閘門室（豎井）。進水口事故閘門下游設置有檢修豎井，豎井頂部平臺設置有預制鋼筋混凝土蓋板。豎井斷面為矩形，混凝土襯砌后的斷面尺寸為9.5 m×6.5 m（長×寬）。

電站運行期間，預制蓋板被擱置在孔口，形成完整的路面，作為日常巡視檢查的通道。電站檢修期間，直接利用現(xiàn)有的閘門啟閉機吊移預制蓋板后，將豎井作為吊運中、大型機械設備的通道。除此之外，進水口事故閘門豎井還作為閘門通氣孔和施工期最后的撤離通道。

2.1.2 引水隧洞支洞檢修進人門

為了進一步方便電站運行期間引水隧洞的放空檢修工作，根據(jù)引水隧洞沿線施工支洞的布置和施工支洞后期封堵要求，沿線共布置6個永久的施工支洞檢修進人門。引水隧洞首端施工支洞內(nèi)共布置2 個檢修進人門，可分別通往1號、2號引水隧洞；引水隧洞末端施工支洞內(nèi)共布置4個檢修進人門，可分別通往4 條引水隧洞。引水隧洞首端、末端的施工支洞與引水隧洞的軸線呈大角度相交，與山體外公路形成交通環(huán)線。1 號、4 號引水隧洞位于外側，檢修人員可以直接經(jīng)施工支洞和進人門進入，交通條件較好；2號、3號引水隧洞位于1號、4號引水隧洞中間，檢修人員可經(jīng)檢修排水廊道、連接斜洞、施工支洞和進人門進入。其中，檢修排水廊道位于引水隧洞正下方，洞軸線與引水隧洞垂直相交，通過連接斜洞與施工支洞連接（斜洞與施工支洞連接點位于2號、3號引水隧洞之間）。引水隧洞支洞檢修進人門斷面尺寸為2.4 m×2.0 m（寬×高）。

檢修進人門為立軸鋼閘門。在電站運行期間，鋼閘門擋水。在電站檢修期間，鋼閘門被平推開啟后，檢修人員和小型車輛均可進入。

2.2 進水口事故閘門檢修豎井結構布置

進水口事故閘門室位于山體內(nèi)，上游為引水隧洞進口段和洞外攔污柵墩，其中引水隧洞進口段長約100 m。事故閘門室內(nèi)共布置4個閘門井、4個閘門檢修平臺、4個檢修豎井和啟閉機室等。其中，啟閉機室垂直引水隧洞軸線通長布置，室內(nèi)分別布置有閘門啟閉橋機和交通通道。

引水隧洞檢修豎井布置在事故閘門井下游側，襯后斷面尺寸為9.5 m×6.5 m（長×寬）。為了綜合利用空間，檢修豎井頂部1 660.00 m 高程井口布置有預制鋼筋混凝土蓋板，形成閘門室內(nèi)的交通通道。預制蓋板下方為混凝土排架，高程為1 649.00～1 660.00 m。

事故閘門檢修平臺（1 649.00 m高程）以下為閘門井和閘門室，閘門室底板高程1 618.00 m，孔口尺寸9.5 m×11.8 m（寬×高），閘室段順水流向長度為15 m，底板襯砌厚2.0 m，閘室段上、下游側分別通過漸變段與引水隧洞相連接。事故閘門檢修平臺以下閘門井壁均采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度1.0 m，襯砌結構內(nèi)布置有檢修進人通道，將閘室與閘門井檢修平臺連接起來，以供檢修人員通行。

進水口事故閘門檢修豎井結構如圖2～3所示。

圖2 檢修豎井縱剖面Fig.2 Longitudinal profile of the maintenance shaft

圖3 檢修豎井典型斷面Fig.3 Typical section of the maintenance shaft

2.3 引水隧洞施工支洞進人門結構布置

施工支洞檢修進人門設置在施工支洞封堵體內(nèi)，從引水隧洞至封堵體方向依次為進人門上游段、進人門鋼襯段、進人門下游段和封堵體空心段，如圖4所示。

圖4 引水隧洞末端施工支洞進人門縱剖面（單位：m）Fig.4 Longitudinal profile of the access door of construction adit at the end of diversion tunnel

進人門上游段為封堵體同引水隧洞襯砌結合段，矩形斷面，鋼筋混凝土結構，斷面尺寸4.0 m×3.2 m（寬×高），長度1.50～7.59 m。

為了防止電站運行期間引水隧洞內(nèi)水外滲，進人門及其通道采用鋼板襯砌，鋼襯長度主要依據(jù)水力梯度（5～10）來確定。首端、末端施工支洞進人門鋼襯長度分別為7.5 m 和10 m，通道斷面尺寸同進人門上游段一致。鋼襯材質(zhì)為Q345R，鋼板厚16 mm，單個管節(jié)長度2.5 m，每個管節(jié)設置3 道環(huán)向加勁肋，矩形斷面每邊各設3 道縱向加勁肋（長跨方向間距1.0 m，短跨方向間距0.8 m），加勁肋高30 cm。加勁肋板上設竄漿孔，為確保混凝土澆搗質(zhì)量，鋼襯段底板設置振搗孔和排氣孔，根據(jù)混凝土澆筑后的底板敲擊脫空情況進行補充接縫灌漿，灌漿壓力0.2 MPa。進人門鋼襯段同上游段之間設施工縫，縫內(nèi)設止水銅片。

進人門下游段安裝手推式立軸鋼閘門，閘門尺寸2.4 m×2.0 m（寬×高），下游段通道尺寸同閘門尺寸一致，通道長度根據(jù)閘門傳力和通道布置需要設置，為4.0～9.2 m。進人門下游段為鋼筋混凝土結構，為防止內(nèi)水通過閘門和襯砌繞滲，進人門下游段同鋼襯段相接端面采用全鋼襯封閉，并沿相接端面向鋼襯段方向布置兩環(huán)錐形固結灌漿孔，每環(huán)12 孔，灌漿孔深入巖石5.0 m，灌漿壓力3.0 MPa。

3 引水隧洞檢修進人門鋼襯結構計算分析

電站運行期間，引水隧洞取水發(fā)電，鋼襯主要承擔較高的內(nèi)水壓力；電站檢修期間，引水隧洞被放空，鋼襯承擔較高的外水壓力。鋼襯承受的作用力復雜，采用三維有限元法進行分析，選取承受水頭最高的引水隧洞末端進人門進行結構計算分析。

3.1 計算參數(shù)及計算模型

本工程中，鋼襯帶加勁環(huán)，結構較復雜，拉壓應力主要由管壁中的彎矩引起，由于膜單元模擬彎矩的精度問題，可能導致較大的數(shù)值模擬誤差，因此，鋼襯采用二次實體單元劃分。

鋼板材料Q345R，厚16 mm，彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，抗拉強度設計值f=315 MPa。經(jīng)計算，在持久狀況、短暫狀況和偶然狀況下，Q345R鋼材的抗力限值分別為260.3 MPa、289.3 MPa 和325.4 MPa。

鋼襯外回填混凝土的強度等級為C25，厚度1.6 m，彈性模量E= 28 GPa，泊松比μ=0.167，軸心抗壓強度fc=12.5 MPa，軸心抗拉強度ft=1.27 MPa。

鋼襯三維模型如圖5所示。

圖5 鋼襯三維模型細節(jié)Fig.5 3D model details of steel lining

3.2 計算工況

計算中采用的荷載取值如表1所示。

表1 主要荷載值Table 1 Main load values

3.3 計算結果分析

經(jīng)計算分析，在正常運行工況下，混凝土抗力分擔了較大比例的內(nèi)水荷載，鋼襯中最大Mises應力為154.65 MPa，小于260.3 MPa 的鋼板容許應力。在特殊運行工況下，鋼襯的結構內(nèi)力分布規(guī)律與正常運行工況一致，鋼襯中最大Mises 應力為183.1 MPa，小于325.4 MPa的鋼板容許應力。

本工程中，檢修工況為控制性工況，矩形鋼襯結構承受外水壓力的能力較弱，需通過在鋼襯外設橫向加勁環(huán)和縱向加勁肋來提升整體抗外水壓力能力。鋼襯中最大Mises 應力為191.3 MPa，小于289.3 MPa的鋼板容許應力。檢修工況下鋼襯應力和位移結果如表2所示。

表2 檢修工況下鋼襯應力和位移結果Table 2 Stress and displacement of steel lining under maintenance condition

綜上所述，鋼襯結構在正常運行工況、檢修工況和特殊運行工況下，結構計算結果均滿足相關規(guī)范的要求。

4 檢修通道運行評價

錦屏二級水電站已在2012年12月底實現(xiàn)首批機組發(fā)電，并在2015年9月底全部完工。至今，電站已穩(wěn)定安全運行多年，引水隧洞經(jīng)歷了多次充排水試驗和放空檢修。每次檢修工作均能在計劃日期內(nèi)完成，如襯砌修復、集渣坑清理等，便利的檢修條件起到了至關重要的作用。在日常巡視檢查過程中，均未發(fā)現(xiàn)明顯的滲漏現(xiàn)象和鋼襯變形破壞現(xiàn)象[3]。因此，檢修通道的布置和結構設計是合理的。

5 結論與建議

（1）錦屏二級引水隧洞洞線長、斷面大，且沿線地質(zhì)條件復雜，為確保電站長久安全運行，定期開展檢修工作非常必要。在工程設計中，根據(jù)工程特點開展檢修通道的布置研究，使大型機械設備、檢修人員和小型車輛等具備進入長大引水隧洞的條件，可極大提高檢修效率，縮短檢修時間，顯著提升工程效益。

（2）施工支洞檢修進人門及其通道采用矩形斷面和鋼板襯砌結構，應充分重視對鋼襯承受外水壓力能力的復核分析，采用三維有限元數(shù)值模擬計算，必要時采取橫向加勁環(huán)和縱向加勁肋等措施。■