旭龍水電站引水隧洞布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳捷平 吳秋波 朱奎旭

摘要：為合理設(shè)計旭龍水電站引水隧洞布置線路與結(jié)構(gòu)，根據(jù)工程總體樞紐布置，結(jié)合地形地質(zhì)條件，開展了隧洞線路布置和洞徑比選工作。通過計算引水隧洞結(jié)構(gòu)內(nèi)力，設(shè)計進口漸變段、洞身段與鋼襯段結(jié)構(gòu)，確定了合適的立面型式及隧洞洞徑，優(yōu)化了引水發(fā)電系統(tǒng)流道布置，避免了上游調(diào)壓室的設(shè)置。運用彈性力學有限元法，計算了引水隧洞不同工況下的整體穩(wěn)定性。結(jié)果表明：旭龍水電站引水隧洞洞室滿足穩(wěn)定性要求，研究成果可為類似引水發(fā)電流道設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：引水隧洞； 流道布置； 圍巖穩(wěn)定； 支護設(shè)計； 結(jié)構(gòu)設(shè)計；旭龍水電站

中圖法分類號：TV732.3

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.010

文章編號：1006-0081（2024）05-0056-04

0 引言

旭龍水電站共安裝4臺單機容量為600 MW的混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量2 400 MW。電站額定水頭為144 m，單機引用流量為466.6 m3/s。水電站工程壩址區(qū)河谷深切，為典型的“V”形谷，河谷的寬高比為1.82，河道總體順直，兩岸邊坡總體平順，對稱性較好。旭龍水電站廠房采用引水式地下廠房，布置在主河床右岸。本文綜合考慮工程區(qū)的地形地質(zhì)條件、樞紐工程建筑物布置的總體情況、洞室的圍巖穩(wěn)定條件以及機組運行要求等多方面因素開展引水隧洞的布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 引水隧洞線路布置

1.1 地形地質(zhì)條件

引水隧洞圍巖主要為混合巖、花崗巖等，巖體總體以次塊狀-塊狀構(gòu)造為主。花崗巖巖質(zhì)新鮮、堅硬，單軸飽和抗壓強度90～110 MPa，變形模量25～30 GPa，巖體聲波測試Vp均值為5.29 km/s；混合巖巖質(zhì)新鮮、堅硬，單軸飽和抗壓強度80～100 MPa，變形模量20～25 GPa，巖體聲波測試Vp均值為5.32 km/s。斷層不發(fā)育，f10斷層與引水洞下平段軸線大角度相交。

引水隧洞圍巖以Ⅱ類為主，約占隧洞總長的87%；少部分為Ⅲ類與Ⅳ類圍巖，分別約占隧洞總長的8%、5%。Ⅲ類圍巖主要分布于混合巖與花崗巖交界一帶以及斷層帶附近；Ⅳ類圍巖主要分布于f10斷層帶附近及局部云母富集帶。

1.2 進水口及地下廠房布置原則

電站進水口位置及軸線方向選擇主要遵循的原則［1-4］：① 盡可能位于水流平穩(wěn)地段，便于大壩布置、避免壩身泄洪影響電站進流條件；② 進水口宜盡可能靠近大壩，以減小流道系統(tǒng)長度、減少水頭損失；③ 進水塔盡量遠離云母富集帶，并置于微新巖體；④ 進水口縱軸線方向盡可能順沿等高線布置，以減小邊坡開挖高度；⑤ 不影響施工纜機平臺的布置，滿足纜機運行空間要求；⑥ 樞紐區(qū)地震烈度較高，進水口及基礎(chǔ)設(shè)施應避開不利地質(zhì)段，并應有較好的抗震性及地基承載力。

地下廠房位置及軸線方向選擇主要遵循的原則［5-8］：① 主廠房盡可能置于花崗巖地層，主洞室盡量遠離下游高地應力測點區(qū)域及F1斷層，并盡可能與規(guī)模相對較小的f3、f10斷層有一定安全距離；② 主廠房縱軸線方向應盡量與最大水平主應力方向呈小夾角相交，并應兼顧斷層與長、大結(jié)構(gòu)面對洞室穩(wěn)定的不利影響；③ 地下廠房洞室群洞間巖柱厚度及河床側(cè)洞室?guī)r體厚度需滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求；④ 滿足防滲排水布置需要；⑤ 保證地下廠房洞室群與拱壩拱座有一定安全距離；⑥ 利于輸水線路布置。

1.3 引水隧洞線路布置

引水線路布置主要取決于主廠房和進水口的位置及其軸線方向?？紤]到旭龍水電站單機引用流量較大、引水線路短，綜合考慮電站運維并參考同類工程，確定采用單機單洞方案，線路共4條，平面布置如圖1所示。

引水隧洞平面上采用直線接弧線轉(zhuǎn)彎再接直線的布置方式，各隧洞軸線近平行。隧洞上平段軸線間距為30 m，斜井及下平段軸線間距為32 m。入口軸線垂直于進水塔，出口軸線垂直于主廠房，1～4號引水隧洞平面弧段半徑分別為60.0，90.0，120.0，150.0 m。

立面上，上平段中心高程2 274.40 m，下平高壓段中心高程同裝機高程，為2 132.00 m，高程差為142 m，具備采用一級斜井或豎井連接的條件。綜合考慮地質(zhì)條件、水頭損失、開挖支護及施工等因素，選擇較經(jīng)濟、水頭損失較小的斜井作為立面連接方式。斜井傾角為60°，上彎段及下彎段轉(zhuǎn)彎半徑均為30 m。

2 引水隧洞洞徑選擇

國內(nèi)外已建電站（表1）［7-10］，類似水頭電站引水壓力管道流速一般在5～7 m/s。中國水工設(shè)計手冊推薦的管道經(jīng)濟流速為4～6 m/s，初步確定引水隧洞洞徑范圍為10.5～11.2 m，經(jīng)水力過渡過程復核，以不設(shè)置上游調(diào)壓室為基本條件，確定引水隧洞洞徑為10.8 m，洞內(nèi)流速為5.1 m/s，現(xiàn)有施工技術(shù)水平可滿足施工要求。

3 引水隧洞支護設(shè)計

引水隧洞所在地層圍巖為雄松群第三段深灰色混合巖與印支期灰白色花崗巖，其中上平段巖性以混合巖為主，斜井段混合巖與花崗巖各占一半，下平段巖性均為花崗巖。隧洞巖體巖質(zhì)堅硬、新鮮，巖體中主要發(fā)育近南北向為主的裂隙，混合巖巖體中短小裂隙相對較發(fā)育，花崗巖巖體以中長裂隙為主，巖體完整性均較好，斷層不發(fā)育。

引水隧洞最大開挖洞徑為12.6 m。隧洞進口漸變段采取噴15 cm厚C25混凝土，采用Φ32 mm，L=9 m@1.0 m×1.0 m系統(tǒng)錨桿，所有錨桿均伸至距離流道面5 cm，并彎折10 cm，錨桿在巖體襯砌交匯處設(shè)自由段，襯砌澆筑時，錨桿伸入襯砌結(jié)構(gòu)中與其內(nèi)層（靠流道側(cè)）鋼筋焊接。

隧洞洞身段，參考同類工程經(jīng)驗，全洞段噴素混凝土10 cm，Ⅱ類圍巖洞段系統(tǒng)錨桿規(guī)格為Φ28 mm，L=6 m@2.0 m×2.0 m系統(tǒng)錨桿；Ⅲ類圍巖系統(tǒng)錨桿規(guī)格為Φ28 mm，L=6 m@1.5 m×1.5 m系統(tǒng)錨桿；Ⅳ類圍巖洞段根據(jù)實際情況采用工字鋼I20a@1.0 m及超前錨桿進行加固后，再布置Φ28 mm，L=6 m@1.0 m×1.0 m系統(tǒng)錨桿。

下平段高程較低，與最大水平主應力方向夾角79°～94°，開挖過程中可能會遇到局部高地應力情況，會存在輕微片幫、剝離等現(xiàn)象，視超前預探地質(zhì)情況，決定是否需要先導洞釋放預應力，再將腰部兩側(cè)各90°范圍內(nèi)系統(tǒng)普通砂漿錨桿換為100 kN預應力錨桿。

隧洞局部穿越云母富集帶、斷層軟弱帶等部位，依據(jù)現(xiàn)場實際情況隨機增設(shè)鋼支撐進行加強支護，局部采用強度等級為C20混凝土置換，并根據(jù)圍巖與斷層之間的相對關(guān)系，增設(shè)隨機錨桿等措施進行加固。混凝土置換后固結(jié)灌漿需穿過混凝土區(qū)域伸入原始圍巖。隧洞開挖過程中揭露的塊體將依據(jù)塊體規(guī)模、失穩(wěn)模式等采取普通錨桿或預應力錨桿、錨筋樁等加固措施。

引水隧洞除下平段壓力鋼管段外，均采用鋼筋混凝土襯砌。參照表1同類工程經(jīng)驗，以及本工程內(nèi)外水水頭，襯砌厚度分部位如下：進口漸變段（加固段）厚度1.5～2.0 m；洞身段Ⅱ、Ⅲ類圍巖部位0.8 m，Ⅳ類圍巖部位主要位于下平段，考慮到可能位于局部高地應力區(qū)，襯砌厚度為1.2 m（除回填置換部分）。下平段中自距廠房上游邊墻64.7 m處起采用壓力鋼管，壓力鋼管起點位于灌漿帷幕上游3.60 m處，鋼管與巖壁間回填素混凝土厚0.8 m，帷幕段增加50 cm厚混凝土壓漿板及高壓固結(jié)灌漿。在廠前15 m加固段及Ⅳ類圍巖范圍采用1.2 m厚鋼筋混凝土襯砌。

引水隧洞襯砌及回填混凝土實施后對頂部100°～120°范圍進行回填灌漿，隧洞圍巖全斷面進行固結(jié)灌漿，灌漿孔間、排距均為2.5 m，孔深6.0 m，鋼襯段灌漿壓力0.4～0.5 MPa，其他部位灌漿壓力取1.2～1.5倍內(nèi)水水頭。鋼襯段底部120°范圍內(nèi)進行接觸灌漿。

4 引水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算條件

采用彈性力學有限元法對引水隧洞進行施工期、正常運行、檢修及校核工況下整體穩(wěn)定計算，計算荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、內(nèi)水壓力、外水壓力、水擊壓力、圍巖壓力、灌漿壓力等。本工程引水隧洞為I級非壅水建筑物。沿洞長方向選取進口漸變段始末端、上平段中部、上平段末端、斜井段始端、斜井段中部、斜井段末端、下平段與壓力鋼管連接處建立模型，如圖2所示。除進口漸變段以外，其余部位的襯砌在檢修工況外水作用時在襯砌與圍巖間設(shè)置一層0.1 m厚的“軟”墊層單元，其變形模量為0.001 GPa，泊松比0.35，材料參數(shù)取值見表2。模型如圖3所示。

4.2 計算結(jié)果

（1） 進口漸變段。進口漸變段襯砌結(jié)構(gòu)由矩形斷面漸變?yōu)閳A形斷面，圓形斷面襯砌配筋控制工況為內(nèi)水壓力作用的運行工況，矩形斷面襯砌配筋則受外水壓力作用的檢修工況控制，且所需配筋過多。因此，將漸變段圍巖支護錨桿外露伸入襯砌中，給襯砌以拉拔作用。在襯砌與圍巖交界處，錨桿桿體上40 cm長段做噴鋅、涂瀝青、加橡膠套管處理，形成自由段，使各部位錨桿受力均勻。漸變段襯砌拉拔錨桿在頂拱、邊墻和底板部位布置為Φ32 mm@1 m×1 m。在檢修工況下，頂拱部位錨桿最大拉力為97.56 kN，邊墻部位錨桿最大拉力為219.52 kN，底板部位錨桿最大拉力為121.95 kN，錨桿拉力大小均符合要求。由于錨桿的拉拔作用，漸變段襯砌配筋由運行工況控制。由于進口漸變段均為Ⅱ類圍巖，計算襯砌內(nèi)外側(cè)各2層28@20 cm鋼筋，裂縫寬度驗算均滿足規(guī)范要求。

（2） 洞身段。正常運行工況和校核水位工況下，襯砌為受拉狀態(tài)；施工期和檢修工況下襯砌為受壓狀態(tài)。正常運行工況和校核水位工況拉應力值相差不大。由于隧洞上平段中部、平段末端、斜井段始端均為Ⅱ類圍巖，計算襯砌內(nèi)外側(cè)各單層Φ25@20 cm；斜井段中部、斜井段末端、下平段與壓力鋼管連接處均為Ⅲ類圍巖，計算得到斜井段中部襯砌內(nèi)外側(cè)各單層32@15 cm；斜井段末端襯砌內(nèi)外側(cè)各2層32@20 cm；下平段與壓力鋼管連接處襯砌內(nèi)外側(cè)各2層32@15 cm，裂縫寬度驗算均滿足規(guī)范要求。

（3） 鋼襯段。下平段鋼管段穿f10斷層，斷層前后約25 m影響帶范圍內(nèi)屬Ⅳ類圍巖，考慮到鋼管按地下埋管設(shè)計，鋼管連接段及其后鋼襯按照明管設(shè)計，外包混凝土除鋼管進出口段配置鋼筋外，中間洞段不配筋。

5 結(jié)語

旭龍水電站引水隧洞采用單機單洞布置方案，引水隧洞內(nèi)徑10.8 m，下平段經(jīng)漸變段減小至徑8.4 m（鋼管段），單洞長度402.90～544.65 m。根據(jù)工程總體樞紐布置，選取合適的水電站進水口、地面廠房位置；結(jié)合地形地質(zhì)條件，確定合理的引水隧洞布置線路；選擇合適的隧洞洞徑，避免設(shè)置上游調(diào)壓室，優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)布置；針對隧洞圍巖地質(zhì)條件，開展針對性支護系統(tǒng)設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計。優(yōu)化后引水隧洞洞室穩(wěn)定，支護系統(tǒng)安全穩(wěn)定性可以得到保證。

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編輯：張爽

Layout and structural design of headrace tunnel for Xulong Hydropower Station

CHEN Jieping，WU Qiubo，ZHU Kuixu

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to reasonably design the route and structure of the headrace tunnel of Xulong Hydropower Station，based on the overall layout of the project and the topographic and geological conditions，through calculating internal force of the headrace tunnel structure and design of transition section at the entrance，tunnel body and steel lining section，the tunnel route layout and tunnel diameter comparison were carried out，the appropriate elevation type and tunnel diameter were determined，the flow path layout of the diversion and power generation system was optimized，and the setting of the upstream surge chamber was avoided.The stability of the headrace tunnel under different cases was carried out by using elastic FEM.The results showed that the headrace tunnel chamber of Xulong Hydropower Station can meet the stability requirements.

Key words：

headrace tunnel； layout of flow tunnel； stability of surrounding rock； support design； structural design； Xulong Hydropower Station

收稿日期：2023-10-30

基金項目：武漢市科技計劃項目武漢英才（2021WHYCQH-01）

作者簡介：陳捷平，女，工程師，碩士，主要從事水電站設(shè)計工作。E-mail：chenjp 090102@163.com