云霄抽水蓄能电站高压隧洞衬砌形式选择及论证

万利台,黄立财

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

1 工程概况

福建云霄抽水蓄能电站(以下简称云霄蓄能)位于福建省漳州市云霄县火田镇境内，是全国首个“核蓄一体化开发运营”示范工程，也是目前福建省在建的最大抽水蓄能电站。站址距漳州市、厦门市、泉州市的直线距离分别为52 km、81 km、150 km。电站装机容量为1 800 MW，装设6台单机容量为300 MW的立轴单级混流可逆式水泵水轮机组，工程动态总投资约100亿元，是国家可再生能源发展“十三五”规划和水电发展“十三五”规划重点开工项目，项目建成后，将与漳州核电形成核蓄一体化运营，保障电网运行安全和清洁能源消纳，具有良好的经济效益和社会效益。

云霄蓄能枢纽工程主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房系统和开关站等建筑物组成。电站上水库位于平水洋盆地，下水库位于由NNW向展布的险桥和NWW向展布的乌珩2个较大的山间盆地。上、下水库间水平距离约为2.6 km，水头差为475 m，距高比为5.6。输水系统位于上水库南岸与下水库中部左岸的NW向山体内，上覆岩体厚度为45～450 m。由引水系统和尾水系统两部分组成，采用中部式开发方式，供水方式为2洞6机。引水系统纵剖面采用两级斜井方案，建筑物包括：上水库进出水口、上平洞、上游调压井、高压隧洞、引水岔管、引水支管。尾水系统纵剖面采用一坡到底布置，建筑物包括：尾水支管、尾水岔管、尾水调压室、尾水隧洞和下水库进出水口等。输水系统总长为2 831.4 m，其中：引水系统长为1 810.1 m，尾水系统长为1 021.3 m。高压隧洞最大静水头为575 m，设计水头约为753 m。

2 输水系统水文地质条件

2.1 围岩地质条件

云霄蓄能推荐方案输水系统沿线山体雄厚，下伏基岩主要为晶洞中粗粒钾长花岗岩，岩质坚硬，抗风化能力强。主要构造形迹以断层和裂隙为主，其中探洞揭示的断层以中等～陡倾角为主，多为Ⅲ级结构面、少量为Ⅳ级结构面。

输水隧洞多位于地下水位以下，岩体以弱～微透水性为主，地下水活动总体较弱，没有大的渗漏构造，局部张裂隙和小断层透水性好，连通性差。

根据工程区地质测绘、探洞、钻孔揭示的工程地质条件，按照围岩分类标准，输水系统围岩总体为Ⅱ～Ⅲ类，少量Ⅳ～Ⅴ类，输水系统围岩条件整体较好。

2.2 地表水系

工程区气候属东南沿海亚热带海洋性气候，几乎无冬，暖热湿润。多年平均气温为21.1 ℃左右，最冷的1月平均气温为14.1 ℃，最高的7月气温为28.6 ℃。年降水量1 725.4 mm左右，区内植被茂密。

工程区水系属漳江水系，为漳江一支流水源，工程区水力资源受季节性影响较大，春、夏季雨水较多。上库为工程区最高点，库周冲沟水汇流于平水洋盆地，经上库主坝、双坑冲沟流入下库，经下库坝址河道流入火田镇高田村，最终流入漳江。

2.3 地下水情况

1) 地下水类型

工程区地下水类型主要为基岩裂隙水，赋存于基岩裂隙、断层破碎带中，主要来自大气降水及孔隙性潜水的补给，含水性和透水性一般随深度增加而减弱。

根据地下水赋存情况，将岩层分为2个含水层：在山坡上部厚约20～50 m为裂隙性潜水含水层，50 m深度以下为相对不透水层。裂隙性潜水含水层有连续的自由地下水位，根据地下水长观资料，地下水位分布多在强风化带中、下部或弱风化带上部。

2) 地质钻孔揭露的地下水位及动态特征

可研阶段在输水系统沿线布置了地下水位长期观测孔，连续观测时间近1个水文年。观测显示高压隧洞地下水位最大埋深为51.0～96.2 m，最大变幅为45.2 m，地下水位较高，且变幅不大。

3) 探洞开挖揭露的地下水情况

探洞开挖过程没有发现大的涌水构造，大部分洞身较干燥，局部断层和张裂隙存在渗水，渗流量大多小于5 L/min，流量稳定，探洞开挖过程中，后揭露的洞段对先揭露的洞段基本没影响。

在探洞中的地质深孔钻进过程中，部分钻孔揭露到贮水较丰富的断层和裂隙，孔口有喷涌水的现象，反应较明显几个钻孔实测的稳定流量q=18～78 L/min，孔口承压水压力P=1.1～1.8 MPa。根据探洞口三角堰实测，主探洞及支洞全长约1 807 m，地下水渗流总量为200～220 L/min(含钻孔承压水)。输水系统与地下厂房区没有大的渗漏构造，局部张裂隙和断层具有贮水性，透水性好。

根据目前已经查明的地质情况，输水系统沿线山体雄厚，高压隧洞深埋于微风化～新鲜岩体中，高压隧洞部位地下水埋藏较浅，且水位变幅不大，较稳定。隧洞围岩部分断层、裂隙储水丰富，具承压，但探洞开挖后，没有发现大的涌水构造，探洞开挖形成渗水通道后，周边山体地下水位的变化不明显，长观孔反应不明显，说明工程区节理裂隙以闭合为主，各断层之间水力联系不密切，地下水与地表水体及上库水系的水力联系弱。根据透水衬砌设计理念[1-3]，较高的地下水位能减小隧洞的内外水头差，对钢筋混凝土隧洞受力有利。与之相反的是较高地下水位不利于钢管衬砌的抗外压稳定。

3 衬砌形式比选

云霄蓄能可研阶段对高压隧洞采用钢筋混凝土衬砌方案和钢板衬砌方案进行了详细比选[4]。方案拟定遵行以下原则：① 输水系统的平面线路和布置相近，供水方式均为2洞6机，立面形式和厂房开发方式均相同；② 输水系统的水头损失和调保性能接近；③ 尾水系统布置相同。

混凝土衬砌方案引水系统除引水支管采用钢管外均采用混凝土衬砌，高压隧洞洞径为8.0 m，采用“卜”形混凝土岔管，支管直径为3 m，其平面布置如图1所示。

图1 混凝土衬砌方案输水系统平面布置示意

钢板衬砌方案引水系统压力管道自中平洞起点下游约120 m处开始采用钢板衬砌，上平洞、上斜井、中平洞首部180 m段采用混凝土衬砌，直径为8.0 m，中平洞、下斜井和下平洞钢管直径为6.8 m，在下平洞末端管径渐变为5.2 m后接2个“Y”形对称内加强月牙肋岔管钢岔管，其中1#岔管主管直径为5.2 m，支管管径为4.2 m，2#岔管主管直径为4.2 m，支管直径为3.0 m，其平面布置如图2所示。

图2 钢板衬砌方案输水系统平面布置示意

以下对两个方案从工程布置、施工条件、工程投资等方面进行了详细比较。

3.1 工程布置比较

2洞6机混凝土衬砌方案共布置两条隧洞，每条高压隧洞由2个“卜”形钢筋混凝土岔管分为3条支管。下平洞、引水岔主管之间净距约79.6 m，在引水混凝土岔支管末端处净距也有71.5 m，2个水力单元之间的水力梯度约为7.2～8.0，满足规范要求。

2洞6机钢管衬砌方案两条高压管道分别由2个对称“Y”型内加强月牙肋钢岔管分为3条支管。其中1#钢岔管HD值达到3 926 m2，2#钢岔管HD值为3 171 m2。目前，已建钢岔管HD值最大的电站为日本葛野川抽水蓄能电站[5]，其钢岔管HD值为4 720 m2，钢岔管主管管径为4.0m；国内HD值最大钢岔管为呼和浩特抽水蓄能[6]岔管HD值为4 140 m2，2洞6机方案的1#钢岔管HD值仅次于呼蓄。经初步计算，1#钢岔管尺寸约为7.2 m×8.4 m×6.9 m(长×宽×高)，最大厚度为74 mm(800 MPa级高强度钢)，肋板厚度为146 mm，单个重量为90.26 t，岔管尺寸较大，相应的施工运输洞室尺寸、整体加工制造及现场安装难度较大；若采用1000 MPa级高强度钢，岔管管壁厚度可减小，而国产1 000 MPa级高强度钢[7-8]还处于试验研究阶段，国内尚无水电工程应用实例。此外，根据可研阶段地质勘查资料，高压隧洞区域地下水比较丰富，地下水位较高，而断层、节理裂隙的连通性不密切，对钢管外的外排水设计十分不利，钢管的抗外压稳定风险较高。

3.2 施工条件比较

混凝土衬砌方案与钢板衬砌方案的施工支洞布置方式相同，主要差别在于中平洞和下平洞的施工支洞尺寸不同，其中混凝土衬砌方案施工支洞的尺寸均为7.5 m×6.5 m，钢板衬砌方案由于从中平洞后半段开始采用钢板衬砌，考虑到钢管和钢岔管的运输和安装，中平洞支洞断面尺寸需增加到8.6 m×7.6 m，下平洞支洞断面尺寸需增加到9.0 m×8.2 m，施工支洞断面尺寸较大。

从施工工期进行比较，混凝土衬砌方案施工方便，相对简单，而钢板衬砌钢板采用的运输、钢管的焊接相对复杂，其施工工期更长。

从施工难度进行比较，钢板衬砌方案采用800 MPa级高强度钢时，由于压力钢管管径和钢岔管规模较大，钢管的运输、拼装焊接要求进一步提高[9-10]；若采用1 000 MPa级钢材，国内工程应用实例较少，施工经验相对缺乏。

3.3 工程投资比较

混凝土衬砌方案和钢板衬砌方案的可比投资对比，钢板衬砌方案要多约2.9亿元，因此，混凝土衬砌方案投资更省。

3.4 比较结论

综合多个方面的比较，混凝土衬砌方案布置合理，施工方便，投资更省，技术风险相对更低，因此推荐采用混凝土衬砌方案。

4 钢筋混凝土衬砌形式论证

根据《水工隧洞设计规范》(NB/T 10391—2020)[11]及国内外已建工程经验，高压隧洞采用混凝土衬砌必须满足下面几个准则要求：

① 高压隧洞上覆岩体最小厚度应足以抵抗内水压力，即满足挪威准则的要求；

② 围岩中的最小主应力应大于内水压力，保证在运行水头下不会产生水力劈裂，以免引起严重渗漏；

③ 高压隧洞围岩属弱至微透水性，渗透梯度满足渗透稳定要求，以保证围岩具有足够的抗渗性。岔管应布置在地质条件较好、透水性较弱的岩体中。

以下分别从这三大准则对云霄蓄能衬砌形式进行分析论证。

4.1 应用挪威准则分析

根据《水工隧洞设计规范》，对于不衬砌有压隧洞，洞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，可按挪威准则计算公式进行计算，挪威准则围岩覆盖厚度示意见图3。

图3 压力隧洞围岩覆盖厚度示意

根据工程区地形及输水系统布置情况，沿2#输水隧洞(由于1#和2#隧洞布置及覆盖情况相似，仅列举2#隧洞计算结果)选取几个代表性部位作为计算点验算引水高压隧洞沿线各点的最小覆盖厚度，引水系统纵剖面布置如图4所示，计算结果见表1。

图4 引水系统纵剖面示意

由表1可知，输水系统沿线最小覆盖厚度安全系数均在1.3～3.1之间，均满足挪威准则要求。另外根据输水系统沿线地形情况，高压隧洞侧向范围地形变化平缓，无突跌式的陡崖，侧向覆盖厚度满足要求。

表1 2#输水隧洞最小覆盖厚度计算成果

4.2 应用最小主应力准则分析

最小地应力准则是建立在“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1.2～1.3倍的安全系数，防止围岩发生水力劈裂破坏。

为了解输水系统高压隧洞沿线围岩地应力情况，可研阶段在输水发电系统沿线的地质钻孔分别进行了地应力测试、高压压水试验、水力劈裂试验等一系列试验，还利用地应力实测成果对工程区地应力场进行了回归分析。各种地应力测试方法成果及分析如下：

1) 水压致裂法地应力测试成果

选取对应引水系统建筑物部位高程的地应力测试结果列于表2，从表2中可以看出，引水系统沿线隧洞围岩的最小主应力均大于洞内静水压力，并有1.27倍以上的安全系数。

表2 地应力测试成果

2) 水力劈裂试验成果

水力劈裂试验的劈裂压力反映了裂隙方向上的最小正应力，高压隧洞附近钻孔测试结果见表3。

表3 高压岔管部位钻孔劈裂压力结果 MPa

从表3中可以看出，高压岔管附近的最小劈裂压力均在6.1 MPa以上，均大于洞内最大静水压力，满足围岩抗劈裂要求。

3) 地应力回归成果

结合地质资料，基于钻孔的地应力实测结果及三维有限元反演结果，用最小二乘法对工程区地应力场进行了多元回归分析。图5为2#输水隧洞沿线的最小主应力σ3等值线云图，表4为2#输水隧洞沿线关键部位插值结果。

表4 2#输水隧洞地应力回归插值成果 MPa

图5 2#输水隧洞线路沿线剖面最小主应力σ3等值线云示意

从地应力回归分析的成果来看，输水隧洞沿线围岩最小主应力均大于洞内静水压力，且有1.3倍以上的安全系数。

综合原位地应力测试成果及地应力回归分析的结果，输水系统沿线围岩地应力条件都能够满足最小主应力准则的要求。

4.3 应用渗透准则分析

天然岩体内存在大量的节理裂隙，而裂隙中又往往有夹泥或碎屑物充填，当隧洞衬砌开裂，在一定压力渗透水长期作用下，岩体有可能发生渗透变形破坏，使围岩承载力大大降低，进而影响隧洞结构安全。渗透准则是为了检验岩体渗透性是否满足渗透稳定的要求，即隧洞内水外渗量不随时间延长而持续增加或突然增加。为保证围岩渗透稳定，根据水工隧洞设计规范以及常用准则，在设计内水压力作用下隧洞沿线围岩的平均透水率应不大于2.0 Lu，经灌浆后的围岩透水率q应不大于1.0 Lu。根据地质钻孔高压压水试验成果，将隧洞围岩试验结果列于表5，应用渗透准则对引水系统沿线围岩的渗透稳定性进行分析。

根据可研阶段地质勘查成果，输水系统沿线岩性以晶洞中粗粒钾长花岗岩为主，引水系统弱～微风化岩体的透水率一般在0.3～3.3 Lu之间，属弱～微透水性；深部微风化～新鲜岩体透水率多小于1 Lu，属微透水性，局部弱透水性；局部裂隙密集带、断层破碎带透水率大于1 Lu。从表4～表5中可以看出，高压隧洞段围岩透水率均小于1 Lu，属于微透水性，可满足渗透稳定准则要求。

表5 高压隧洞围岩高压压水试验结果统计

4.4 渗漏量估算

根据《水工隧洞和调压室》[12]和目前有压隧洞渗漏量计算的研究成果中推荐的渗漏量计算公式，并类比已建成钢筋混凝土衬砌隧洞运行过程中渗漏量实测结果(如已建清蓄和深蓄水道充水前后排水廊道、施工支洞堵头等部位量水堰监测数据)，本工程输水系统采用混凝土衬砌年渗漏量约为32万m3，渗漏量不大。本工程区位于我国东南地区，天然径流补给相对丰富，水道的少量渗漏不会影响工程正常运行。

4.5 结论

通过对高压隧洞沿线围岩进行最小覆盖厚度、最小主应力和渗透稳定分析，云霄蓄能高压隧洞具备采用钢筋混凝土衬砌的地形地质条件。

5 结语

通过对云霄蓄能2种衬砌形式的比选和论证，推荐采用钢筋混凝土衬砌方案。与钢板衬砌方案相比，混凝土衬砌[13]方案具有施工方便，经济性好，技术风险相对更低等优势，但是混凝土衬砌方案也有一些技术难点。虽然高压隧洞围岩地质条件较好，但难免存在一些断层等地质缺陷，这些地质缺陷是造成隧洞渗漏的主要原因；此外云霄蓄能2条高压隧洞之间的距离较近，当后期1条洞充水运行，另1条洞在施工期或者放空检修时，高压地下水对放空的隧洞和压力钢管威胁大。因此，在工程实施阶段，应加强对隧洞围岩的灌浆及不良地质缺陷的处理，提高围岩的承载能力，减少渗漏损失；做好高压隧洞的防渗排水设计，科学合理的安排隧洞的充排水方案，确保高压隧洞的安全运行。