某引水式电站引水洞线的选择

王冬生

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司 新疆 石河子 832000）

1 工程概况

某水电站是所处河道水电梯级干流规划的第二级，河流全长79.40km，流域面积1081.5km2，多年平均径流量5.36亿m3。引水渠首断面以上汇水面积530.3km2，多年平均径流量3.27亿m3。工程位于河道中上游，电站开发采用引水式，电站工程由引水枢纽、引水暗渠、引水隧洞、调压井、压力斜洞、厂房、升压站、尾水渠、防洪堤等组成。

2 工程引水线路左右岸布置比选

根据现场踏勘，工程布置在左岸主要缺点：①工程区左岸植被较差，树木砍伐量和地表植被破坏较大；②左岸山体破碎，冲沟发育，引水隧洞围岩破碎，Ⅳ类围岩比例较大；③左岸电站厂区附近山体坡度平缓，按两岸等水头布置，相应压力管道长度和厂房挖深均大于右岸。右岸布置有以下优点：①河道右岸引水隧洞沿线围岩完整性好，隧洞埋深40m～250m，Ⅱ、Ⅲ类围岩比例较大；②厂区山体坡度大，压力管道较短，右岸方案整个工程投资比左岸少。根据以上因素电站建筑物布置在河道右岸。

2.1 右岸洞线选择时考虑的主要原则

（1）根据地形条件尽可能缩短洞线，减少工程量；

（2）根据地质条件力求洞线与岩层、构造断裂面及软弱带具有较大的夹角。并尽量减小洞线与最大水平地应力方向的夹角；

（3）考虑施工支洞的布置，尽量缩小支洞长度；

（4）进、出口应选择地形、地质条件较好的部位，尽量避开高陡边坡和卸荷裂隙发育地段。

2.2 右岸洞线布置方案拟定

根据工程区山体岩性地质条件，隧洞引水形式采用有压和无压均可行。有压方案可分为低压引水隧洞和高压引水隧洞，采用阻抗式调压井的引水方式为低压隧洞方案；根据北欧挪威水电站使用的“一坡到底”的引水方式，采用气垫式调压室的为高压隧洞方案。根据三个方案隧洞对围岩要求进行了工程布置，三个方案工程布置简要说明如下：

①低压引水方案（调压井调压方案）：

隧洞洞线沿线围岩为石炭系下统大哈拉军山组砂岩、火山灰凝灰岩；洞线各类围岩所占比例：II类：43%、III类：37%、IV类：20%。

工程由引水渠首、引水暗渠、沉砂池、引水隧洞、调压井、压力斜洞、厂房组成。引水洞线与岩层、构造断裂面及软弱带走向宜有较大的交角。对整体块状结构岩体及厚层并胶结紧密、岩石坚硬完整的岩体，交角不宜小于30°。尽量满足洞线与岩层、构造断裂面及软弱带走向交角要求。布置的引水隧洞洞身埋深在40m～250m，引水道长6.51km，其中暗渠长0.15km，隧洞长6.36km，城门洞型，b×h=3.5m×4.3m；隧洞末端布置调压井，高50.45m，直径7m；调压井后接压力斜洞，采用混凝土衬砌+钢板衬砌，单管管径2.6m；厂房布设于河道右岸一级阶地，地形开阔平坦，电站装机容量24MW。

②高压引水方案（气垫式调压室方案）：

隧洞洞线沿线围岩为石炭系下统大哈拉军山组砂岩、火山灰凝灰岩；围岩类别分别包括II、III、IV类围岩。洞线各类围岩所占比例：II类：70%、III类：20%、IV类：10%。引水隧洞Ⅳ类围岩：主要为断层破碎带岩石、岩层的强风化层等围岩岩体。

工程由引水渠首、引水隧洞、气垫式调压室、压力斜洞、厂房、尾水渠、防洪堤、气垫式调压室检测设施组成。高压隧洞方案根据国外及国内设计经验，隧洞采用不衬砌形式，不衬砌隧洞围岩覆盖厚度参照挪威准则及雪山准则：

三个方案主要工程投资对比表

式中：CRM——计算点至地表最小距离，m；

β——河岸的最小坡角，°；

γw——水的容重；

γr——岩石的容重；

H——水头；

在满足挪威准则的情况下，引水道长7.21km，其中隧洞长6.88km；II类围岩采用D=4.4m圆洞，III、IV类围岩采用D=3.6m的混凝土衬砌圆洞；洞后接气垫式调压室，调压室断面为城门洞型，采用混凝土+钢板内衬结构，宽10m，高14m，长50m；调压室后接压力斜洞，采用混凝土衬砌+钢板衬砌，长度330m，管径2.6m；厂区布置与低压引水方案相同。

③无压引水方案：

隧洞洞线沿线围岩类别与低压引水方案围岩类别基本相同。

洞线在第一条洪沟前基本与方案二洞线相同，在过沟处洞线采用填方暗渠过沟。为了减少施工支洞的长度，缩短工期，在满足隧洞最小侧覆盖、上覆盖厚度的前提下，将洞线尽量向岸边布置，地质条件与低压引水方案基本相同。引水道长6.31km，其中暗渠长0.15km，隧洞长6.16km，跨沟处最大填高9.0m，前池布设于半山坡处，压力管道管线部分基岩裂隙较发育。泄水陡坡长360m，陡坡在基岩上开凿一个宽3.8m、高3.0m的梯形槽，岩石开挖断面混凝土衬砌，厚度40cm；压力前池后接压力钢管，压力钢管根据地形情况采用明钢管+管棚型式组合型式，单管管径2.6m；厂区布置与低压引水方案相同。

2.3 方案比较

对上述三个方案从地形、地质条件、隧洞长度、施工条件、工程投资等方面进行综合比较。

（1）地形、地质条件

从地形上看，低压引水隧洞进口基岩裸露，进洞条件较好，发电引水隧洞由南向北穿过河道右岸中低山区，沿线山势陡峻，基岩多裸露，河谷狭窄，谷坡陡峻，地形总趋势东高西低，沿线共穿越4条冲沟，洞线最小覆盖厚度为46.46m，满足围岩成洞要求。

高压引水方案根据挪威准则及雪山准则，围岩垂直覆盖厚度与水平厚度随着水头增加而增加，洞线相对于递延引水方案洞线更偏向山体里面。洞线沿线共经过4条冲沟，最小上覆围岩厚度为159.46m。

无压引水方案洞线与低压引水线路前段2.6km基本相同。洞线地质条件基本相同，沿线穿过4条冲沟，洞顶最小覆盖厚度3.72m，满足冻深及防冲要求。

（2）洞线的长短

三条洞线水道长度分别为：6.82km（其中暗渠长0.15km、压力斜洞0.303km）、7.21km（压力斜井 0.33km）、6.64km（其中暗渠长0.15km、压力钢管 0.23km）。

无压引水方案洞线最短，低压引水方案洞线次之，高压引水方案洞线最长。

（3）施工条件

从已建道路布设来看，大部分路段位于左岸，所布设的洞线都在河道右岸，低压引水线路和无压引水线路方案施工条件基本相同，需建临时桥梁通过，并修建上山施工道路及施工支洞；高压引水线路需要修建临时桥梁及施工支洞，无需上山施工道路；低压引水方案、无压引水方案施工道路较长、施工支洞较短。

（4）电能指标

在尽可能利用水能的基础上，三个方案的利用落差相同，电站的装机相同，小流量下的引水道水头损失有压方案较小。年发电量：低压与高压方案：9520万kW·h，无压方案935万 kW·h。

（5）主要工程量及投资对比表

根据引水线路沿线工程地质情况，所采用的衬砌形式也各不相同，各方案主要工程量及工程投资对比如下：

有压与无压方案对比分析：①无压方案投资相对较大；②厂区建筑物均采用明挖形式破坏地表面积较大，水土保持费用及环境保护费用较高。③有压方案减少植被破坏，减少了对环境的影响，既开发利用了水能，又达到了人与自然和谐相处的目的。④有压方案年发电量较多。

在有压方案对比中：高压方案与低压方案工程直接投资基本相当；高压方案在支洞后期封堵、气垫式调压室封闭等方面施工难度相对较高；有压洞线沿线经过地质断层，为石炭系下统大哈拉军山组砂岩、火山灰凝灰岩，岩体节理裂隙较发育，岩体完整性较差断层处的高压水流防渗难度相对突出；通过以上因素综合考虑，水电站开发形式采用低压引水方式开发。

3 结论

（1）引水隧洞由于运行方式不同，隧洞受力形式的不同，使得洞线走向不同。本文根据运行方式采用无压、低压、高压三种方案进行的洞线的布置及对比。根据工程的地形地质条件，通过施工、环保、运行维护及经济性等方面考虑，最终选择了低压引水方案。

（2）高压引水形式适用于洞线沿程围岩条件好、上山道路难以修建的工程，本工程洞线沿程存在断层，高压引水隧洞穿过，需采取特殊防渗处理措施。施工道路可利用已有道路和沿程沟壑改建为临时施工道路。气垫式调压室施工期需做好调压室围岩的“闭气”措施。运行期根据调压室的需要进行充气及补气，运行管理较为繁琐。对装机较小的电站来讲，运行成本较为突出。陕西水利

[1]中华人民共和国水利行业标准.水工隧洞设计规范（S L279-2002）[S].

[2]陈其伟等主编.新型引水式水电站的理论与实践[M].中国水利水电出版社，2008