抽蓄电站输水系统衬砌型式比选

摘要：在抽水蓄能电站输水发电系统的设计过程中，较长的引水隧洞采用不同的隧洞衬砌型式输水系统对造价有着较大的影响，因此隧洞衬砌型式的选择尤为重要。以某抽蓄电站输水发电系统为例，基于“挪威经验”准则、最小地应力准则和渗透稳定准则，阐述了抽蓄电站输水系统衬砌型式比选的设计思路。

关键词：抽蓄电站;输水系统;隧洞衬砌

1 概述

本文介绍的抽蓄电站输水线路总长度为3 178 m，距高比为6.00。引水隧洞采用“一管两机”布置型式为4台机供水。1#、2#引水隧洞主洞主要包括上库进/出口、上平段、上游调压室、上斜井段、中平段、下斜井段及下平段，主洞总长（至岔管）为2 184.53 m，中心间距为27.5～47.95 m，上平段设计纵坡4.47%。引水隧洞主洞初拟采用变径的型式，洞径随内水压力的增大逐级缩小，初拟洞径为6.8 m→6.4 m→6.0 m→4.8 m，经钢岔管分为4条引水支洞，洞径均为3.4 m。

2 工程地质条件

引水隧洞上平段进口底板高程2 202 m，末端高程2 140.41 m。上覆岩体厚度50～276 m，基岩岩性为花岗岩，局部夹有砂岩捕掳体，成条带状，岩石坚硬完整，上平段起始260 m为弱风化岩体，其后为微新岩体。断层不发育，但裂隙发育3组：①组走向NE60°～80°，倾向SW或NE，倾角75°～82°;②组走向NW300°～325°，倾向SW，倾角5°～35°;③组走向NW300°～330°，倾向SW，倾角75°～81°。其中①组、②组较发育，③组发育较少，裂隙特征同上水库东库址坝址，多为硬性结构面。未见地下水出露，岩体透水性为弱至中等。围岩类别在弱风化段以Ⅲ类为主，裂隙密集带见少量Ⅳ类，围岩稳定性较差，而微新岩体段则有Ⅱ类，主要为Ⅲ类，围岩稳定性较好。

上斜井段高程2 141.41～1 899 m，斜角60°，应为低至中等压力洞段。上覆岩体厚度190～407 m，基岩为花岗岩。推测断裂构造主要以小断层及裂隙节理为主，断层一般宽度小于20 cm，裂隙、节理一般成组发育，发育间距10～50 cm。岩体呈块状，局部呈次块状至碎裂状。主要的不利结构面组合为②组与其他中陡倾角结构面切割组成，主要的不稳定块体分布在洞顶部位及右壁，形成局部掉块或小面积的塌块。该洞段后段位于地下水位以上，一般呈滴水或脉状。围岩类别以Ⅲ类为主，还有少量Ⅱ类和Ⅳ类围岩。

中平段高程1 899 m，应为中等压力洞段。上覆岩体厚度416～420 m，基岩为花岗岩。断裂构造主要也以小断层及裂隙节理为主，断层一般宽度小于20 cm，裂隙、节理一般成组发育，发育间距10～50 cm。岩体呈块状，局部呈次块状。主要的不利结构面组合为②组与其他中陡倾角结构面切割组成，主要的不稳定块体分布在洞顶部位及右壁，形成局部掉块或小面积的塌块。该洞段可能位于地下水位以下，地下水位高于洞顶10～20 m，地下水为基岩裂隙水，主要赋存在断层带及裂隙密集带中，一般呈滴水或脉状，局部断层带可能存在集中性涌水现象，推测流量达10～52 L/min。围岩类别以Ⅲ类为主，还有少量Ⅱ类和Ⅳ类围岩。

下斜井段高程1 899～1 655 m，斜角60°，应为中至高等压力洞段。基岩为花岗岩。断裂构造主要以小断层及裂隙节理为主，断层一般宽度小于20 cm，裂隙、节理一般成组发育，发育间距10～50 cm。岩体呈厚层状，局部呈次块状。主要的不利结构面组合为②组与其他中陡倾角结构面切割组成，主要的不稳定块体分布在洞顶部位及右壁，形成局部掉块或小面积的塌块。该洞段位于地下水位以下，地下水位高于洞顶10～210 m，地下水为基岩裂隙水，主要赋存在断层带及裂隙密集带中，一般呈滴水或脉状，局部断层带可能存在集中性涌水现象，推测流量达10～20 L/min。围岩类别以Ⅲ类为主，还有少量Ⅱ类和Ⅳ类围岩。

下平段及岔管段上覆岩体厚度595～646 m，基岩为花岗岩。未见大的斷层发育，断裂构造主要以小断层及裂隙节理为主，断层一般宽度小于20 cm，裂隙、节理一般成组发育，发育间距10～50 cm。岩体呈厚层状，局部呈次块状。主要的不利结构面组合为②组与其他中陡倾角结构面切割组成，主要的不稳定块体分布在洞顶部位及右壁，形成局部掉块或小面积的塌块。该洞段位于地下水位以下，地下水位高于洞顶180～210 m，地下水为基岩裂隙水，主要赋存在断层带及裂隙密集带部位。地下水活动可能较强，集中性涌水现象也可能较多，推测流量达30～60 L/min。围岩类别以Ⅲ类为主，还有少量Ⅳ类围岩，围岩成洞条件较好，稳定性较好。

3 引水隧洞衬砌型式分析

由于本工程引水隧洞较长，采用不同的隧洞衬砌型式输水系统对造价有着较大的影响，因此隧洞衬砌型式的选择尤为重要。

从经济角度来讲，深埋隧洞充分利用围岩的弹性抗力，不衬或采用钢筋混凝土衬砌是比较经济的，但是不衬砌隧洞的前提条件是隧洞围岩地质条件较好，同时满足“挪威经验”准则、最小地应力准则和渗透稳定准则。下面根据三大准则分析论证隧洞衬砌的必要性。

3.1    隧洞围岩覆盖厚度计算

根据《水工隧洞设计规范》（DL/T 5195—2004）规定，有压隧洞的洞身部位岩体最小覆盖厚度，按洞内静水压力小于洞顶以上岩体重力的要求确定。按下式计算：

式中，CRM为岩体最小覆盖厚度（不包括全、强风化厚度）;hs为洞内静水压力水头;γw为水的重度;γR为岩体的重度;α为河谷岸边边坡倾角，α>60°时，取α=60°;F为经验系数，一般取1.3～1.5。

1#～2#高压管道洞身岩石覆盖厚度计算结果如表1、表2所示。

3.2    相邻隧洞考虑一条检修、一条运行时的静水头与渗径比值

两条引水道上平段、中平段及下平段考虑一条隧洞检修另外一条运行时的静水头与渗径比值如表3所示。

根据计算结果，1#、2#引水隧洞从中平段、后半段开始，洞身岩体最小覆盖厚度已不能满足规范要求的不衬砌隧洞K（经验参数）=1.3～1.5的要求。

3.3    应用最小主应力准则分析

最小主应力准则是建立在“岩体在地应力场中存在预应力”的概念基础上，其原理是要求不衬砌高压隧洞沿线任一点的围岩最小主应力σ3应大于该点洞内静水压力，并有一定的安全系数，防止发生围岩水力劈裂破坏。该准则是在提出和修改“挪威经验”准则的同时，为了求得更合理、更通用的设计准则，由挪威提出的：

式中，σmin为隧洞周边围岩初始应力场最小主应力;γ为水的容重;hi为最大静水头;Kf为安全系数。

目前国内已建、在建和待建的高水头电站中最小主应力与最大静水头的比值均大于1.2。

3.4    应用围岩渗透准则分析

无论是“挪威经验”准则，还是最小地应力准则，都是从受力角度考虑问题，而未考虑围岩的抗渗性。虽然最小地应力水平与围岩的抗渗性关系密切，但不够全面。围岩的稳定临界压力大小、允许的渗透梯度、渗漏量大小和渗漏量随时间的变化是确定能否采用钢筋混凝土衬砌的关键。

围岩渗透准则：由于岩体内存在节理裂隙，而裂隙中又往往有夹泥或碎屑物填充，当隧洞衬砌开裂，在一定压力的渗透水长期作用下，岩体有可能会产生渗透变形冲蚀破坏，因此渗透准则的原理是要求检验岩体及裂隙的渗透性能否满足渗透稳定要求。我国规范尚未制定出对高压隧洞围岩渗透性的判别准则。法国EDF公司一般以透水率2Lu作为界限。当围岩的透水率大于2Lu时，必须采用钢衬;反之，可以采用钢筋混凝土衬砌并辅以固结灌浆等工程措施。

根据试验结果，中等透水段3段，占11.1%;弱透水段15段，占55.6%;微透水段9段，占33.3%。曲线类型主要为缓变型，即流量随压力增大而逐渐增大，仅两段为急变型，表明岔管段岩体结构面较发育，总体完整性相对较差，以弱至微透水岩体为主，局部断裂破碎带为中等透水。管道若采用砼衬砌，在一条高压管道充水，另一条高压管道放空的工况下，在高压力水作用下，两条高压管道之间的岩体存在沿断层带、节理、裂隙等结构面渗透稳定问题，可能沿断层带、节理、裂隙等结构面产生高压劈裂现象，渗透量显著增大，对高压管道的稳定不利，岔管与厂房之间的岩体断层和节理、裂隙也存在同样的渗透稳定问题，对厂房的渗漏量影响较大。

綜上所述，1#引水隧洞、2#引水隧洞上平段至中平段中部洞身岩体最小覆盖厚度满足规范要求的不衬砌隧洞K（经验参数）=1.3～1.5的要求，但根据地应力测试成果及类比分析判断，引水中平洞段的最小地应力局部已不能满足大于1.2倍的最大静水头准则要求。输水发电隧洞围岩类别以Ⅲ类为主，断层裂隙较发育，根据高压压水试验成果，完整岩体呈弱至微透水性，但断层、裂隙较发育段透水性显著增大。因此，综合考虑高压管道水力劈裂以及渗漏问题，从上斜井末端后高压段采用钢板衬砌。

4 结语

本文综合考虑实际地质条件，基于“挪威经验”准则、最小地应力准则和渗透稳定准则，结合水工布置条件，阐述了某抽蓄电站输水系统衬砌型式比选的设计思路。根据进一步钢衬起点位置比选，本工程引水管道衬砌方式采用钢筋混凝土衬砌+钢板衬砌的方案，钢衬起点为上斜井末端，即引水隧洞上平洞及上斜井采用钢筋混凝土衬砌，上斜井末端至厂房采用钢板衬砌的组合衬砌方案。

收稿日期：2020-06-02

作者简介：刘寅（1987—），男，陕西西安人，硕士，工程师，研究方向：水工结构。