拉气水电站深埋长输水隧洞设计

梁 坚

(云南省昆明市水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650231)

云南省文山州马关县拉气水电站位于中越界河大梁子河下游峡谷河段，为流域规划的第七级，也是最后一级。大梁子河与右岸支流咪糊河交口处为大梁子电站(第六级)厂区，经坝址比选后，确定拉气水电站的取水枢纽布置于两河交汇口以下约0.6km处，其下游约0.7km后大梁子河为中越界河，河左岸为中国，右岸为越南；厂址位于大梁子河与斋河交口处，距取水枢纽直线距离约10km，交汇口以下斋河完全进入越南境内。拉气水电站为输水式径流电站，输水隧洞长度10.2km，建设任务为单一的水力发电，无综合利用功能。电站装机规模50MW，保证出力10.34MW，多年平均发电量27518万kW·h，年利用小时数为5504h。机组台数为2台，单机容量25MW，设计流量26.2m3/s，额定水头231m。拉气水电站枢纽建筑物主要由拦河坝、泄洪冲砂建筑物、取水口、有压输水隧洞、调压井、压力管道、厂房及尾水渠、升压站等组成。工程区场地地震动峰值加速度为0.05g，对应的地震基本烈度为Ⅵ度，工程按Ⅵ度设防。

1 输水隧洞设计

1.1 输水方式选择及线路布置

由于特殊的地理条件，输水建筑物只能布置于大梁子河的左岸中国境内，工程区位于峡谷地带，地形切割深，山高坡陡，若采用明渠输水方案，一是施工难度大，二是会对地表环境造成破坏，产生新的水土流失，爆破开挖等易引起与越南的外事纠纷。经分析比较，采用隧洞输水方案。考虑到厂区地形较陡，无设置压力前池的条件，同时为充分利用取水枢纽壅高形成的水头，隧洞形式采用有压洞，在厂区设置地下调压井后接入压力管道。

隧洞线路选择原则为最大限度缩短主洞和施工支洞长度，以及尽量避开不良地质条件对隧洞、调压井的影响。经综合比较和优化，最终确定洞线由6段直线及5段转弯段组成，两段直线间用圆弧连接。隧洞从进口至调压井全长10.2km，最大埋深895m，根据交通和地质条件共设5个施工支洞，两支洞间最小控制洞长1.021km，最大控制洞长3.812km，支洞总长约2.5km。

1.2 洞径选择及底坡确定

在满足规范对隧洞内流速、压力升高等的要求下，为减少水头损失提高电能指标，并节省工程投资，确定经济合理的洞径，对3.2m、3.4m及3.6m 3种洞径进行了水能、效益和投资等计算比较。根据比较结果，隧洞洞径3.6m为最优方案。

根据进水口布置条件，隧洞进口底板高程确定为442.20m，经计算隧洞过设计流量26.2m3/s时，糙率取最小值对应水头损失为11.9m，糙率取平均值对应水头损失为15.66m，糙率取最大值对应水头损失为19.34m。调压井最低波动水位为411.713m，为保证压力管道进口淹没水深，计算出调压井底板高程为397.00m，此时，压力管道首端管顶以上水深为12.113m，由此推出隧洞平均底坡为i=4.25‰。隧洞始末两端高差43.2m，隧洞过设计流量时最大水头损失为19.34m，满足规范对隧洞内流速、压坡线及发电要求。

1.3 隧洞地质条件

隧洞沿线围岩为寒武系上统(ε3)歇场组(ε3X)和唐家坝组地层(ε3t)，岩性主要为白云岩夹白云质灰岩、泥质条带灰岩、白云岩、凝灰岩等。沿线地质构造复杂，共分布2条区域性断裂(F1、F2)和5条次级断裂(f1、f2、f3、f4、f5)，断裂走向基本与洞轴线正交或大角度斜交，倾角40°～80°，区域断裂宽度10～50m，次级断裂宽度1～10m。受断层和节理的影响，部分地段围岩较破碎。根据围岩的岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状等进行综合分析评价，初步将隧洞围岩分为Ⅱ～Ⅴ类，其中Ⅱ类围岩占11.2%；Ⅲ类围岩占63.2%；Ⅳ类围岩占14.6%；Ⅴ类围岩占11.0%。

1.4 隧洞结构设计

1.4.1 隧洞衬砌型式

隧洞大部为洞身段基本稳定和稳定性差段，围岩类别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类，断层破碎带及其影响带为洞身不稳定段，围岩类别为Ⅴ类。对Ⅱ类为主，间夹少量Ⅲ类围岩的衬砌型式经对素混凝土与喷混凝土进行技术经济综合比较后，采用喷锚支护；Ⅲ～Ⅴ类围岩在初期支护的基础上采用钢筋混凝土衬砌，其中Ⅲ类围岩为单层钢筋，衬砌厚度40cm，Ⅳ～Ⅴ类围岩为双层钢筋，其中，Ⅳ类围岩衬砌厚度40cm，Ⅴ类围岩衬砌厚度50cm。推荐的支护及衬砌形式见表1。

表1 隧洞支护和衬砌型式参数

1.4.2 隧洞混凝土衬砌结构设计

隧洞结构设计，遵循下列原则和基本假定：

(1)视支护、衬砌和围岩为统一的复合体，即考虑支护、衬砌和围岩共同作用。

(2)为了最大限度地利用围岩抵抗内水压力，同时考虑减少渗漏，衬砌结构按限裂设计，限裂宽度为0.25mm。

采用DL/T5195-2004《水工隧洞设计规范》[1]附录G“圆形有压隧洞衬砌计算”，将隧洞视为无限单性介质中的厚壁圆筒。经计算初步得出各类围岩在各种工况下的结构或限裂配筋。

由于深埋长隧洞受资金条件限制，地勘工作以区域和地表测绘及推测为主，得出的结论不一定与实际情况完全吻合，因此，加强施工阶段地质工作非常关键。根据开挖揭露的实际地质条件多数洞段与前期勘探结论基本一致，但也有部分地段存在较大差异，如里程3+077～3+700围岩为凝灰岩，地下水丰富，岩体遇水易软化，强度低，稳定性极差，其中里程3+330～3+500段钢支撑变形严重；再如里程9+500附近岩溶较发育，规模较大的有2处，直径约1.0m，并赋有地下水，稳定流量约5L/s。除此之外，其他洞段开挖时未发现地下水，前期预测可能存在的高地下水位和深埋段可能出现的岩爆等问题均未出现。

根据开挖揭露的实际地质条件对隧洞结构重新进行复核计算，最终确定的支护和衬砌型式如下。

(1)Ⅱ类围岩。底板浇筑20cm厚素混凝土，边墙和顶拱采用喷锚支护，喷护型式根据围岩完整情况分3类：喷A1型：围岩完整段素喷混凝土厚10cm；喷A2型：围岩裂隙较发育段挂网锚喷，喷混凝土厚15cm；喷A3型：Ⅱ类围岩中间夹少部分Ⅲ类围岩采用10号工字钢形成间距1m的拱架，并挂网锚喷，喷混凝土厚15cm。

(2)Ⅲ类围岩。在初期支护的基础上采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度40cm，单层筋，钢筋直径16mm为主，部分20mm，间距200mm。衬砌类型B型。

(3)Ⅳ类围岩。在初期支护的基础上采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度40cm，双层筋，钢筋直径18mm为主，部分16和22mm，间距200mm。衬砌类型C型。

(4)Ⅴ类围岩。在初期支护的基础上采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度50cm，双层筋，钢筋直径25mm，间距200mm。衬砌类型D型。

分布钢筋直径以12mm为主，特殊地段为14和16mm。全洞喷混凝土段长4673m，占46%，钢筋混凝土衬砌段长5485.1m，占54%，其中：混凝土衬砌B型段长2612m，C型段长2703.1m，D型段长170m。

1.4.3 特殊情况处理

对隧洞施工中出现的主要特殊地质情况和处理的方法如下。

(1)凝灰岩段地下水丰富，遇水软化和风化速度快，围岩稳定性差，采用钢支撑和管棚作初期支护，部分钢支撑变形弯曲严重，已侵占了永久衬砌断面，必须拆除钢支撑后对隧洞进行扩挖。为保证隧洞自身及施工安全，对该段的处理提出如下措施：

提前对钢支撑变形段的围岩进行固结灌浆，灌浆孔排距为3m，每排6孔，对称布置。深入围岩的深度按1.5倍隧洞开挖半径确定。灌浆按环间分序、环内加密的原则进行，环间分为2个次序。灌浆压力根据围岩变形情况由小到大逐渐加压，待围岩稳定后再拆除钢支撑。并对永久衬砌钢筋进行调整：环向受力钢筋直径25mm，纵向分布钢筋直径16mm，衬砌分段长15.4m。

(2)溶洞发育段处理。①处于隧洞底部和两侧的溶洞，深部采用洞渣回填并进行充填灌浆封堵，距隧洞设计衬砌断面外侧1m范围采用混凝土浇筑，形成混凝土塞。混凝土浇筑前，将溶洞凸出的尖角、软弱层、泥土等清除，保证混凝土与岩体的有效结合，并视情况在岩壁上加设锚杆。②处于隧洞顶部的溶洞，浇筑混凝土前预先埋设混凝土输送管，深入溶洞高度不小于1m，即混凝土堵头厚度不小于1m。③过溶洞处的洞身衬砌混凝土厚度不小于0.5m。环向受力钢筋调整为φ25@167(每米6根)，纵向分布钢筋为φ20@200。

(3)岩溶地下水处理。为降低隧洞外水压力，在隧洞底板下埋设钢管引至厂区用于生活和机组循环冷却用水。

2 经验及体会

拉气水电站于2006年9月29日开工，2008年8月和11月2台机组相继投入发电运行，总工期26个月，其中作为关键线路的10.2km输水隧洞和2.5km施工支洞贯通用时仅12个月，速度之快在同类工程建设中实属罕见。工程进展如此顺利，除参建各方的高度重视和努力外，主要得益于隧洞布置和设计的合理性与科学性。目前为止，拉气水电站已运行9a，运行正常，取得了较好的经济和社会效益。根据拉气水电站深埋长输水隧洞的设计得出如下经验和体会，供类似工程的设计者参考。

(1)深埋长隧洞往往受资金和设计周期等条件限制，无法大量开展深部地质勘探工作，多以区域和地表测绘及推测为主，得出的结论不一定与实际情况完全吻合，因此，应加强施工阶段地质工作，对围岩的岩性、强度、完整性、产状、节理裂隙以及地下水发育程度等情况进行认真编录和分析，对设计参数及时进行分析调整，对初期支护措施的合理性进行论证和调整，确保支护措施安全有效。为保证施工安全，防止岩爆、地下暗河和不良地质对施工人员和设备造成危害，可采取地质雷达等措施超前预报，发现问题应提前采用相应防范措施。设计或监理单位应以周报或旬报的方式对掘进面前方50～100m距离的围岩类别、不良地质因素等情况进行预测，及时向施工单位传达。

(2)隧洞结构计算时应根据地质条件和初期支护型式，合理考虑初期支护的作用，少计和不计山岩压力作用，降低工程投资。

(3)在满足过流能力和水头损失的条件下，对于较完整的硬质围岩采取锚喷支护措施可降低工程投资和节省工期，而非一定要采用混凝土衬砌。

(4)除不良地质条件外，影响长隧洞施工进度的主要因素是出渣和通风排烟的速度，合理确定隧洞断面尺寸和施工支洞布置尤为关键。为加快出渣速度，小断面长隧洞一般都采用有轨电瓶车出渣，开挖断面必须满足电瓶车、通风管、电缆、排水管等设施的布置要求，并适当留出通行人员的避让宽度，距离较长时，应在洞内增设错车道。因设计断面尺寸不足，造成施工进度缓慢、投资无限增加的工程实例并不少见。本人负责的某水利工程灌区输水隧洞长3.955km，为横穿山脉隧洞，无设置施工支洞的条件，通风排烟十分困难，严重影响工程进度，最终采用冲击钻从地面造孔120m深，孔径800mm，有效的解决了排烟问题。

(5)影响长隧洞投资的不可预见因素较多，如不良地质造成的塌方、抽排水、排烟及长距离供电等，很多工程因前期设计时考虑不周，未列或少列了施工措施费，最终导致投资超概算。建议设计和审批单位根据工程具体情况，预列适当的施工措施费用。

3 结语

长距离输水工程应结合当地的地形、地质、环境、占地、施工等条件及工程投资进行充分的方案比较论证，选择合理、安全、经济的输水方式。当采用长隧洞输水方案时，应结合地质构造、围岩的岩性、产状和地下水活动等情况合理选择洞轴线走向，当地质条件较差时，应使洞轴线与断层破碎带、岩层走向呈较大角度相交，选择合理的洞轴线，尽可能避开不良地质条件的影响，是确保长隧洞安全和顺利施工的先决保证。根据围岩地质条件采取合理的支护方式是节约投资的最佳途径。