创世界纪录的新泰因电站——无衬砌引水隧洞上1 030 m的高水头

挪威隧道协会

2004年之前，新泰因（New Tyin）水电站的升级改造工程在挪威是规模最大的。它替代了原电站，完全是一个新的电站，仅使用了一部分之前的水道。该项目包含了21 km长的新隧洞、电站和其他洞室的开挖等。无衬砌引水隧洞上承受1 030 m水头压力，这是世界之最。这是典型的挪威设计，利用岩石的力学性能来减小钢衬长度以优化电站站址。由于岩石张力超预期，电站还往外移了一段，减小了进口隧洞的长度。相比原预算，大大降低了成本。

图1 电站综合体示意图Fig.1 Power station complex

1 新电站的地形地质条件

新电站站址处地形崎岖，主水库位于高原上，高程约1 100 m。引水隧洞沿着泰因山谷（Tyin Valley）布置，一直到毕夏普湖的入口。从毕夏普湖开始，压力引水隧洞穿过Tya山谷和Rausdalen山谷间明显的断层块，一直到位于Øvre Årdal处、高程仅为几米的电站。Tya山谷和Rausdalen山谷在地形上都有很深的峡谷，一直延伸到Øvre Årdal峡谷处，其位于挪威西海岸最长的峡湾（索格涅峡湾）的末端。

该区域地质条件相对复杂，包含来自Jotunheim/Valdres高原复合体的前寒武纪和寒武纪-志留纪的岩石，其在Fortun/Vang复合体的千枚岩上形成折叠。叶理区轻微倾向于Årdal湖，这是Jotunheim/Valdres高原复合体的主要地下构造。

电站综合体的东部，从泰因水库到Fortun/Vang复合体内的Torolmen入口水库的输水隧洞，其主要地质组成为千枚岩。叶理走向为NNE，向东倾斜25°～30°。

朝向入口毕肖普湖，离进水口约2 km处，其地质组成为砂岩/石英岩转变岩，带有明显的水平裂缝分布。

之后的2.5 km是前寒武纪火山岩，主要表现为绿色片麻岩。

高压引水隧洞、电站区域和交通洞/尾水隧洞的下部主要为黑色辉长岩，并常见轻质花岗岩“奥长花岗岩”。岩体有少到中等程度的裂纹和裂缝，以及不明确、变化的叶理。一组NS/NE走向的陡峭裂缝，除叶理裂缝外，其局部变化是裂缝分布的主要方向。

图2 新泰因电站示意图，继续使用了旧的引水隧洞，结合进新电站中，用400 m长的竖井连接新旧隧洞系统，实为新旧引水隧洞的连接，还结合了输水隧洞、河道进水口和调压室Fig.2 Schematic outline of New Tyin,showing usage of old headrace,integrated into the new power plant,connection of old and new tunnel systems,with 400-meter vertical shaft working as connection between old and new headrace,combined with transfer tunnels,brook inlets and as surge chamber

三个明显的断层带穿过了电站综合体。形成拉斯达伦山谷的断裂带在出口上游2.1 km处穿过引水隧洞。其包含一组明显的裂缝，但未给隧洞开挖造成问题。拉尔达尔断裂带是一个区域断裂带，从巨墩海门高原一直延伸到沃斯（150～200 km）。该断裂带穿过了引水隧洞和调压井。断裂带中部约0.5～1 m宽，含膨胀粘土。沿断裂带的岩体破碎且变化，具有较高的粘土含量。

图3 隧洞系统沿线的地质构造Fig.3 Geology composition along tunnel system

2 初步调查

1997年进行了实地测绘，以确定岩体组成裂隙和弱区性态。

对拉斯达伦和Tya峡谷间的山体断层进行了三维有限元分析，分析了岩石的应力分布情况，评估了电站和锥体的可行性设计和初步位置（从裸露的岩石表面过渡到内衬区域）。

进行了两组钻孔取芯试验，以分析岩石、渗水和应力状况。第一个孔钻至535 m深，比初设的有压隧洞约深500 m。在300 m之后，该孔的应力降低。第二个孔钻至初设的电站区域。从这个孔进行的水力劈裂和断裂测试表明，该计划位置的安全系数在1.0～2.4之间。基于测量和试验具有一定的不确定性，因此，可行性研究建议在发电站的选址中纳入不确定因素，例如，为达到要求的安全系数，有可能需要对电站进行重新选址或延长钢衬。

挪威典型的做法是将这种风险作为偶然事件包括在基础设计和投标设计中，其中包括在交通洞开挖同时进行应力和水力劈裂试验，根据试验结果最终确定准确的、最佳的选址。

3 交通洞岩体应力测量

在交通洞开挖过程中，在几个点进行三维岩体应力测量和水力劈裂试验。

测量结果如图4所示。

基于初步阶段的钻孔取芯，第一次在距离为1 000 m处的测量结果比预期值低，但与第一个钻孔测得的应力降低非常一致。该孔与交通洞通过的区域基本是同一区域。总之，这引发了专家小组的讨论（任务是明确和决定电站综合体的位置和方向），关于电站在最初设计中的位置——可能需要将电站综合体移到地块更深处。因此，交通洞的倾斜度略有改变，使之在后续测量延续相同趋势的情况下，也可能往更深的400 m迁移。

表1 现场应力测量Table 1 In-situ stress measurements

图4 引水隧洞不同距离处的现场应力测量Fig.4 In-situ stress measurements along chainage numbers in the head race tunnel

后续的测量得出了更乐观的结果。在距离1 086 m、1 292 m和1 440 m处进行的水力阶撑试验以及在距离1 400 m处进行的新应力测量，其结果显示强度比最初预期要高。

讨论的焦点转向了将电站向后移动（交通洞更短，所有设备都比引水隧洞便宜得多）。图4显示了安全系数为1.0、1.2和1.3时对锥体位置的限制。锥体位置说明：（1）保守位置，锥体位于距离2 000 m处；（2）交通洞短120 m的锥体位置（电站综合体向后移动）。可以观察到的是，有两次测量低于安全限值，从而引发了激烈的讨论，但最后得出了结论，其中一次测量接近局部软弱区域，可能影响了结果，另一次测量质量存在不确定性。

最后，决定将电站比原规划往后移120 m，在最终决定位置之前，对锥体区域除进行水力劈裂试验外，再进行最后的三维测量。若测量结果不满意，保留延长衬砌的可能性。然而，锥体区域测量结果显示为高强度，并确认了安全系数大于1.3的各个位置。

4 钢衬段灌浆

锥体区域的岩体，其特点是裂缝和裂纹有限。灌浆遵循以下流程：

（1）深帷幕灌浆。如图5所示，包含4道帷幕。其中2道深帷幕钻孔34 m，2道17 m。帷幕与隧洞成45°角。每一道帷幕包含8个钻孔。失水试验表明岩体不透水，决定直接采用环氧灌浆法，避免了计划中第一轮的水泥/微水泥灌浆。

图5 深帷幕灌浆示意图Fig.5 Illustration deep grout curtains

（2）岩体和混凝土间的接触灌浆。对整个长度进行了接触灌浆，通过灌浆软管完成。起初在衬砌上游和下游侧形成了屏障，主要为聚氨酯。之后，灌注了11圈环氧树脂，以保证岩石与混凝土的充分接触。

（3）钢衬和混凝土间的接触灌浆。通过灌浆软管完成。起初在外层软管环路上游和下游形成了聚氨酯屏障，之后在内层3个软管环路中形成了环氧屏障。

（4）控制灌浆。4道8孔帷幕从压力管道/钢衬内部钻出，穿过混凝土，深入岩体10 m。所有钻孔直接采用环氧树脂灌浆。

深帷幕灌浆仅需要1 979 kg环氧材料，接触灌浆和控制灌浆则需要9 000 kg。

图6 岩体/混凝土和混凝土/钢衬间的接触灌浆示意图Fig.6 Illustration contact grouting between rock/concrete,concrete/steel

灌浆非常成功，第一次注浆后，分叉前的腔室内，渗水量为0.3 L/min。2002年，灌浆的总成本约为50万美元。

5 岩爆-稳定支持

承包商在隧洞/洞穴的深处经历了严重的岩爆。电站区域的张力高达50 MPa。

开挖交通洞和尾水隧洞时，很早就发生了岩爆，迅速建立了有效的临时支护系统。在墙体和顶部使用纤维增强喷射混凝土配合无碱速凝剂以及系统的中心间距为3 m的1.25～2 m的聚酯端岩石锚定螺栓。在两个方向都取决于岩爆强度。以此早早控制住了岩爆的发展，保证了后续隧洞施工的安全。

岩爆问题很严重，特别是在似辉长岩的片麻岩和轻质花岗岩入侵的区域。

电站厂房处的岩体虽然张力很大，但整体工况良好。临时支护包括5～10 cm的纤维增强喷射混凝土、在顶部和墙上进行中心间距为2 m的系统锚固，因张力和墙体高度，主要采用6 m长的锚杆。作为临时支护的补充，另外的永久支护，包括喷射混凝土、厚为10 cm（包括之前的层厚）以及在顶部和墙体内系统的1.5 m×1.5 m的锚固，其长度为4 m和5 m。

支护基于数值有限元分析和对电站综合体的观察方法。

6 电站站址和性态总结

对高水头地下电站的设计方案，挪威独特的方法和《即时设计》是基于利用岩体本身的特性，将其用作建筑材料的优化后的成本/时间，以及清楚的风险分布来管理变量，其可能随着地质性态的变化而出现，但在最初阶段尚不能完全绘制出来。新泰因工程非常具有挑战性，若风险可以被准确解决的话，建成后，其拥有世界上最高的无衬砌有压隧洞。渗漏微小到可以忽略不计，故灌浆费用很低，而电站往外移动120 m的最终设计方案也节省了费用，使该项目取得了成功，并证明了这种设计和执行方法效果很好，降低了使用过多混凝土衬砌带来的时间成本和资金成本。新泰因工程的设计方案可能尤其适合软弱区，发电站区域的裂隙和裂缝非常有限，致使从原始的紧张预算中节约了资金，如果在设计方法上不采用确定的即时设计部分，则可能实现不了成本和时间的优化。

7 无衬砌高压引水隧洞的设计原则

挪威的地形条件有利于水电站的开发，而挪威每年99%的电力都来自于水力发电。1919年第一次世界大战结束后，人们就开始建造地下发电厂和无衬砌的隧洞。高压无衬砌隧洞和竖井是水电工程建造节省造价和缩短工期的最佳选择，因为可避免使用昂贵的钢管和预埋混凝土衬砌。从挪威过去100年的隧洞设计、建造和运行中获得了宝贵的经验，新泰因水电站项目中无衬砌的高压隧洞的静压水头为1 046 m，超过了1 000 m未支护、无衬砌的高压隧洞，其高静压水头创造了世界纪录。图7显示了挪威高水头无衬砌隧洞和竖井的发展情况。

修建无衬砌有压隧洞和竖井的理念是基于岩石本身在输水过程中能抵抗水压的原则。岩体中的最小主应力应高于水压，以保证抵抗水力劈裂和扬压力的安全性，这是最基本的要求。施工安全与设计紧密相关，就岩体质量而言，设计应基于足够的垂直岩体覆盖层和侧谷附近的边坡盖层。在引入无衬砌高压竖井和隧洞的最初，采用了基于简单的应力平衡状态的评价方法。这样做的原则是，隧洞上方的岩石覆盖层的重量应该超过隧洞或竖井内部的水压，以避免液压顶升和抬升。

图7 挪威无衬砌高压隧洞和竖井的发展Fig.7 Development of Norwegian unlined high-pressure tunnels and shafts

挪威经验设计方法法则被广泛应用于靠近山谷的隧洞案例中。同时考虑了覆盖层和边坡盖层，避免了水力劈裂的风险。

就保证隧洞或竖井有必要的约束而言，因为发现边坡盖层没有垂直岩石盖层有效，因此，澳大利亚雪山项目的设计创新也被引进过来。

与经验法则的修正对应，提出了一种新的更好的仿真模型，其基础是采用已建立的基于有限元模型的标准设计图表工具以及这样一种概念，无衬砌有压隧洞和竖井的沿线部分，其内部水压不应超过围岩的最小主应力。

利用数值模型进行分析是现代设计方法之一，除了其在验证上述确定性设计方法中的关键作用外，它目前还广泛应用于定性、稳定性和支护分析中。本章对通常条件下开发超高水头无衬砌隧洞的可能性进行评估，特别是基于经验、确定性和数值分析的结果，对案例工程更高静压水头无衬砌隧洞的可能性进行了评估，并提出了得出进一步结论的建议。

新泰因水电站项目位于挪威的Ardal。静压水头1 047 m，装机容量380 MW，排水量为20 m3/s的2倍，年平均发电量1 398 GWh。

对有压隧洞或竖井的首要要求是，必须有足够的覆盖层来提供比水压更大的重量以避免渗漏。在经验方法法则被引入之前，该方法就在挪威有所应用。文中，该方法就开发超高水头无衬砌隧洞/竖井的可能性给出了令人惊讶的保守的结果，对作为案例的新泰因水电站工程，在静压水头为1 137 m时，其安全系数为1.3。事实上，该方法未考虑约束对侧谷覆盖层要求、地形对应力的影响以及相当大的构造应力的存在。

挪威的经验法则被广泛应用于位于山谷边的隧洞和竖井中。它既考虑了垂直覆盖层，又考虑了相邻山谷边坡的陡度。该方法假定，在任何时刻，现场最小主应力应超过水压，以避免水力劈裂的风险。该方法的分析表明，静压水头大于1 427 m，其安全系数为1.3，可用于新泰因水电站的开发。该方法只考虑了重力岩应力，但在许多情况下，也存在较大的构造和残余应力。因此，对正在进行构造扩展的山谷，不用考虑要求增加的约束的作用。这种对于约束的条件方法仍然在预可行性研究中使用。

在澳大利亚雪山项目的开发过程中，人们认识到了雪山的约束要求。与垂直岩石盖层相比，在确保隧洞/竖井具有所要求的约束方面，边坡盖层的效率更低。这种方法的结果与挪威经验方法法则得出的结果十分相似，且在边坡盖层上有更为保守的结果。基于该方法对新泰因水电站工程进行分析，最大水压为16.77 MPa，可以安全抵抗水力劈裂，其静力水头为1 677 m，安全系数为1.3。雪山项目和挪威经验法则这两种方法都强化了新泰因水电站工程的高压隧洞和竖井，其横向和纵向埋深都足够深。因此，两种方法实际上都没有考虑构造水平应力和地形条件对应力状态的影响。就最小覆盖层厚度的比较，用垂直向厚度来说明的话，雪山项目和挪威经验法则与结果吻合较好，相比于数值分析，垂直法则未达到安全要求。对于最低要求的初步布置，挪威和雪山项目的标准似乎是非常有用的工具。

基于数值有限元模型（FEM）的二维标准设计图表给出了一个解决方案，以补偿完全被忽略的构造水平应力和地形条件对上述确定性方法的影响。该应用中，有限元法的基本原则是找到位置，对竖井的每个部位，保证无衬砌压力隧洞或竖井沿线上，内部水压力不超过围岩的现场最小主应力。该方法在工程可行性研究阶段是一种有用的工具，可以初步确定压力隧洞和竖井的位置，许多情况下，该位置就是最终位置。基于该方法的分析表明，新泰因工程现有的无衬砌高压隧洞和竖井最大能承受的静压水头为1 140 m，安全系数为1.3，相比于上述确定性方法，这是一个保守的结果。然而，在选择有关领域的边界条件时，其结果往往与网格有关，并且会产生误差。此外，使用这种分析方法会导致误差，因为在模型中使用的地形条件非常简化和理想化。

最后，利用阶段2进行了综合二维有限元计算，其目的是分析高压隧洞附近岩体的最小主应力情况，并将其与隧洞和竖井内的感应水压进行比较。新泰因水电站现有无衬砌高压隧洞和竖井可利用的最大静力水头为1 097 m，安全系数为1.3。分析表明，仿真结果与现有无衬砌隧洞现场情况间具有较好的相关性。作者认为，结合对该地区地质条件的深刻认知，使用数值分析，可以得到关于超高水头无衬砌隧洞和竖井设计的最好结果，但其缺点是需要岩体参数，比如现场应力比率，如何获取这些参数是个问题，特别是设计阶段，没有现场测量过岩体应力。该分析的优点是，可以确定侧谷倾斜度、主要连续性和岩石的不同属性对应力分布的影响。表2总结了不同设计方法得到的最大静压水头的结果，其抵抗水力劈裂和隆起的安全系数都大于1.3。

表2 分析结果及其比较Table 2 Comparisons and results of analysis

地质条件的限制是开发超高水头无衬砌隧洞和竖井的主要挑战。了解沿隧洞走向的地质条件，关联上运行过程中将要施加的水压力，这是非常重要的。一般情况下，要使用无衬砌的高压隧洞和竖井，岩体要坚固、体积大、抗拉强度高、渗透性低。

无衬砌压力隧洞和竖井的设计标准的制定证明了需要更合理、更全面的设计方法；开发了经验分析和确定性分析方法，并编制了用于初步可行性研究的设计图表；提出了一种数值设计方法进行定性、全面的设计分析。

基于这些设计方法的结果，开发超高水头无衬砌隧洞和竖井是可能的，甚至是新泰因水电站中更高静力水头或一般的无衬砌隧洞，都是可能的。所有无衬砌的部分都应满足约束条件，以避免水压顶起，除非水压顶起的后果被认为是可接受的。无衬砌段应仅位于岩体中，彼处岩体具有足够的耐久性和坚固性，以满足长期的要求。

需要强调的是，文章只涵盖了一般的约束要求，用以开发安全的超高水头无衬砌隧洞和竖井，以防止案例工程新泰因水电站发生主要失事模式——水力劈裂导致地面隆起。尽管已成功采用各种设计方法对开发超高水头无衬砌隧洞的可能性进行了全面评估，但对于其他的基本失事模式，尚未对包括局部裂缝效应在内的详细分析进行评估。由于水头变得超高，情况可能是接缝或不连续处的水力劈裂、接缝处的水力剪切、对隧洞或竖井墙体的局部破碎或爆破效应等。