九条岭水电站引水隧洞优化设计

庹世华

(甘肃省张掖市甘兰水利水电建筑设计院 甘肃张掖 734000)

1 工程概况

九条岭水电站位于甘肃省肃南裕固族自治县境内，石羊河一级支流西营河九条岭煤矿附近。厂房距武威市55km，为西营河上规划中的第4 座水电站，电站的主要任务是发电，采用引水式开发。

电站坝闸址处多年平均流量9.73m3/s，设计引水流量20m3/s，设计水头56m，装机3 台。为适应西营河峰贫流量变化大的特点，机组布置2台大机，1 台小机，总装机容量8.7MW，多年平均发电量3400万kW·h。

电站由首部枢纽、引水隧洞、调压井、高压管道、发电厂房及升压站等组成，属小(二)型五等工程。电站实际总工期24 个月，于2011年3月全部完工，4月首台机组发电，6月3 台机组全部投产发电并网运行。

2 初设阶段引水隧洞布置及设计的基本情况

根据电站总体布置，首部枢纽位于九条岭煤矿跨河大桥下游660m 处，枢纽有压进水口后设置6.4m 渐变段进入引水隧洞，引水隧洞布置在西营河右岸的山体里。引水隧洞长4458m，设计流量20m3/s，设计纵坡1/380，设计流速2.83m/s。设计断面为圆形，直径为3m，采用钢筋混凝土全衬砌方案。

根据引水隧洞的工程地质条件评价及围岩分类，该区域以Ⅲ类围岩为主，占总长度的74.7%，长为3330m。其次为Ⅳ类围岩，占总长度的25.3%，长度为1128m。根据各段岩性力学参数，按照结构力学方法计算结果，对于Ⅲ类围岩地段，采用厚度0.3m 的C20 现浇钢筋混凝土衬砌；对于Ⅳ类围岩地段，采用厚度0.4m 的C20现浇钢筋混凝土衬砌。隧洞衬砌的设计原则为限制裂缝宽度设计。对隧洞衬砌的顶部进行回填灌浆，灌浆范围为顶拱120°以内。对隧洞衬砌全部进行固结灌浆。

主洞沿线靠河侧布置3 条施工支洞，支洞总长约600m。电站计划工期30 个月，枢纽、厂房等为常规施工，隧洞施工期成为整个电站的控制工期。

3 引水隧洞优化设计缘由

初设阶段引水隧洞设计横断面为圆形，衬砌内径3m，开挖跨度和高度只有3.6～3.8m，均小于5m，规模属于最小的一类隧洞。为了便于洞内施工机械行走，隧洞开挖时通常采用的施工方法，一种是全断面开挖，底部填筑开挖料形成水平交通路面，混凝土浇筑时再将底部填筑料清除。另一种是采取部分断面开挖，底部部分岩石预留，形成水平交通路面。混凝土浇筑时再进行二次开挖，把底部预留岩石清除。两种方法底部填筑开挖料或预留岩石的最大厚度约50cm，底部形成的水平宽度约2.4～2.6m，两侧净高2.6m左右。经计算，这种断面洞内布置激光导向仪、供水管、高压电缆、低压电缆、照明灯具、通风排烟管、供风管等其他设施后，开挖出渣机械只能利用7YPJ-1450D2 农用自卸三轮汽车，外形尺寸为4.58m×1.6m×2m，而洞内混凝土浇筑也只能利用该车型的三轮罐车，每车只能装 0.5～0.8m3开挖料或0.8～1.2m3混凝土拌合物。出渣效率和运送混凝土拌合物效率均较低，严重影响隧洞施工工期，进而影响电站总工期的长短。隧洞的施工工期成为影响电站工期的主要制约因素。为此，在施工图设计阶段，对该隧洞断面进行了优化设计。

4 引水隧洞优化设计

4.1 初步方案

根据 SL279—2002《水工隧洞设计规范》4.2.2 条的规定，有压隧洞宜采用圆形断面，在围岩稳定性较好，内、外水压力不大时，可采用便于施工的其他断面形状。本隧洞为有压引水隧洞，结合隧洞工程的工程地质条件、内外水压力大小、洞径等因素，提出如下优化方案。

根据 SL279—2002《水工隧洞设计规范》6.1.10 规定，隧洞衬砌结构应该考虑隧洞的压力状态、围岩最小覆盖厚度、围岩分类、围岩承担内水压力的能力等4 项因素。进行岩洞衬砌型式的选择时，可按照表6.1.10 并通过工程类比研究决定。表中对于有压引水隧洞，按照限裂设计原则，并且最小覆岩体厚度和承担内水压力能力满足要求时，对于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩可以采用锚喷（锚喷宜在低压洞使用）、钢筋混凝土衬砌，对于Ⅳ类围岩采用钢筋混凝土衬砌。

通过对本电站隧洞沿线围岩情况的分析，本次优化，将Ⅳ类围岩的洞段衬砌断面型式，由初步设计阶段的圆形钢筋混凝土衬砌断面，优化为马蹄形钢筋混凝土衬砌断面。划分为Ⅲ类围岩的洞段，地质岩性和内水压力，上、下游不尽一致。经初步分析判定，距离引水枢纽较近，处于上半段的Ⅲ类围岩，岩性较好，大部分为砂岩，内水压力较小，最小为9m，最大为15m；Ⅲ类围岩的剩余段，岩性为含砾砂岩或者泥岩互层结构，内水压力相对较大，最小为15m，最大为31m。经计算，Ⅲ类围岩各段最小覆岩体厚度均满足规范要求，同时具备围岩承担内水压力的能力，符合SL279—2002《水工隧洞设计规范》规定的采用锚喷钢筋混凝土衬砌的基本条件。故本次对Ⅲ类围岩段的衬砌型式进行优化时，根据Ⅲ类围岩各段地质条件的差异，将初步设计阶段的圆形钢筋混凝土衬砌断面，优化为圆形锚喷断面和马蹄形钢筋混凝土衬砌断面。距离引水枢纽较近、内水压力较小、大部分为砂岩的洞段采用圆形锚喷断面；距离引水枢纽较远、内水压力较大、岩性为含砾砂岩或者泥岩互层结构的洞段采用马蹄形钢筋混凝土衬砌断面。Ⅲ类围岩段圆形钢筋混凝土断面优化为锚喷断面以后，充分发挥了隧洞围岩的自承和承载能力。

4.2 主要成果

根据引水隧洞优化设计初步方案，Ⅲ类围岩段和Ⅳ类围岩段圆形钢筋混凝土衬砌断面优化为马蹄形钢筋混凝土衬砌断面以后，其衬砌混凝土标号和衬砌厚度不变，即Ⅲ类围岩段采用C20钢筋混凝土衬砌，厚度30cm；Ⅳ类围岩段采用C20 钢筋混凝土衬砌，厚度40cm。衬砌断面内边尺寸，按照优化前等水头损失的原则确定。经计算，Ⅲ类围岩段和Ⅳ类围岩段断面均为高度2.94m，宽度2.9m 的马蹄形断面（相当于直径3m的圆形断面），顶拱、侧墙和底板均为圆弧，顶拱半径1.45m，侧墙半径2.9m，底板半径2.9m。设计糙率不变，为0.014。Ⅲ类围岩段圆形钢筋混凝土衬砌断面优化为圆形锚喷衬砌断面，其衬砌结构为，底部120°范围内采用C15 混凝土现浇，衬砌厚度20cm；其余240°范围内采用锚喷衬砌，喷混凝土厚度10cm，锚杆长为3m，直径22mm，锚杆纵横向间距1m。衬砌断面内边尺寸，同样按照和优化前等水头损失的原则确定。经计算，内径为 3.85m，喷混凝土部分设计糙率为0.033，现浇混凝土部分设计糙率为0.014，锚喷隧洞综合设计糙率为0.0267。

优化后引水隧洞设计纵坡为 1／380，圆形锚喷断面设计流速为 1.48m/s，隧洞长度为476.5m。马蹄形钢筋混凝土衬砌断面设计流速为2.83m/s，隧洞长度为3981.5m（其中：Ⅲ类围岩段长度为 2853.5m，Ⅳ类围岩段长度为1128m）。

优化前后各类断面的具体尺寸详见图1。

4.3 隧洞线型进一步修改完善

马蹄形断面的特点是顶拱、侧墙及底板均为圆弧形，由于该隧洞马蹄形断面尺寸较小，尤其是侧墙、底板圆弧施工放样控制及架设模板难度较大。为此，对优化后的马蹄形断面线型又进行了修改，将马蹄形断面左、右侧墙由圆弧形修改为1:0.2 的直线形，底板由圆弧形修改为水平直线形，并在侧墙与底板拐角处设置1:2 的坡脚，以增大拐角局部断面尺寸以解决拐角应力集中的问题。衬砌厚度及混凝土标号不变。

马蹄形断面占隧洞总长度的89.3%左右，圆形锚喷断面占隧洞总长度的10.7%左右。马蹄形断面线型修改以后，为了便于圆形锚喷断面与修改后的马蹄形断面的衔接，同时也便于圆形锚喷断面施工，对圆形锚喷断面线型也进行了修改，将圆形锚喷断面两侧由圆弧修改为1∶0.2 的直 线形，底部由圆弧修改为水平直线型，锚喷厚度及底板衬砌厚度及混凝土标号不变。断面线型修改前后具体尺寸详见图1。

5 引水隧洞优化后总体效果分析

图1 隧洞断面优化前后及线型修改前后附图

马蹄形断面是圆拱直墙形断面的一种改进型式。圆形钢筋混凝土衬砌断面优化为马蹄形钢筋混凝土衬砌断面和马蹄型锚喷衬砌断面以后，减少了开挖清底的二次工序，底部填筑料或者底部预留岩石的工程量由原来的0.87m3/s 减少到0。增大了施工利用空间，底部形成的水平宽度增大到 2.9～3.3m，两侧净高也增大到 2.9～3.3m。经计算，考虑洞内激光导向仪、供水管、高压电缆、低压电缆、照明灯具、通风排烟管、供风管等其他设施的布置后，开挖出渣机械可以利用 LT5820CD 农用自卸六轮汽车，外形尺寸5.58m×2.0m×2.38m，洞内混凝土浇筑利用该车型的六轮罐车，每车可以装1～1.3m3开挖料或1.5～1.8m3混凝土拌合物，出渣效率和运送混凝土拌合物效率大大提高。这两项优化措施对缩短工期起到了至关重要的作用。

优化前后及线型修改后各断面每延米主要工程量、投资对比情况详见表1、表2。

通过对隧洞断面优化和线型修改，工程量和工程投资均有所增加，投资增加约150万元。但减少了开挖清底的二次工序，减少投资约40万元，提高了隧洞开挖和混凝土浇筑的效率。实际工期24 个月，比计划工期缩短6 个月。提前6个月发电，直接增加发电效益385万元，增加综合效益275万元。

根据施工期对围岩的进一步判断和地质编录情况，划分为Ⅲ类围岩和Ⅳ类围岩段马蹄形钢筋混凝土衬砌段长度、岩性，基本与施工图吻合，而划分为Ⅲ类围岩锚喷衬砌的段落，长度与施工图吻合，岩性比预测的要好，可以判定为Ⅱ类围岩，这样锚喷方案更加可靠。通过有限元法计算，优化前后和线型修改后的衬砌应力、顶拱、侧墙和底板中间变化不大。侧墙和底板拐角处应力较大，设计中通过增大拐角处混凝土衬砌厚度的办法加以解决。混凝土衬砌配筋直径、间距优化前后不变，取得了较好的效果。

附表1 隧洞断面优化前后每延米主要工程量、投资对比情况表

表2 隧洞断面线型修改前后每延米主要工程量、投资对比情况表

6 结语

在西营河九条岭电站引水隧洞设计中，为了解决该隧洞断面施工空间狭窄，而造成出渣效率和运送混凝土拌合物效率均较低，严重制约隧洞施工工期的难题，通过对隧洞横断面的优化设计，将圆形钢筋混凝土衬砌断面优化为马蹄型钢筋混凝土衬砌断面，部分围岩较好的洞段，充分利用围岩的自承和承载能力，优化为马蹄形锚喷断面。虽然工程量和工程投资均有所增加，但减少了开挖清底的二次工序，增大了施工空间，大大提高了隧洞施工效率，缩短了工期，综合效益显著。

该电站工程已建成运行近一年，效果较好，达到了预期的目的。该电站隧洞的优化设计，对类似小洞径隧洞的设计，具有较好的借鉴价值。