安徽省石台抽水蓄能电站高压隧洞衬砌型式分析与评价

李红星 白伟 吴晓华 王之正 耿赛垒

收稿日期：

2023-09-19

作者简介：

李红星，男，高级工程师，主要从事水利水电工程地质勘察方面的研究工作。E-mail：277165372@qq.com

引用格式：

李红星，白伟，吴晓华，等.安徽省石台抽水蓄能电站高压隧洞衬砌型式分析与评价

［J］.水利水电快报，2024，45（1）：39-43，57.

摘要：

为了准确选定安徽省石台抽水蓄能电站高压隧洞的衬砌型式，通过分析场区的工程地质条件，结合现场试验以及三维应力场回归分析结果，采用“三大准则”与外水压力对高压隧洞进行评价。结果表明：石台高压隧洞满足挪威准则与最小主应力准则，但围岩初始劈裂压力在引水隧洞上竖井下弯段以下局部洞段小于洞内静水压力，存在渗透变形破坏风险。提出在上竖井下弯段首部以下洞段采用钢板衬砌的地质建议。研究结果对确保引水隧洞围岩渗透稳定的前提下优化工程投资具有参考价值。

关键词：

抽水蓄能电站； 高压隧洞； 衬砌型式； 三大准则； 地应力

中图法分类号：TU42

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.007

文章编号：1006-0081（2024）01-0039-05

0  引  言

抽水蓄能电站上下水库天然落差大，引水隧洞内水压力大，围岩稳定性对电站运行至关重要。高压隧洞主要有钢筋混凝土衬砌和钢板衬砌两种型式，采用不同的衬砌型式对工程安全和工程造价有着较大的影响，因此，隧洞衬砌型式的选择尤为重要。根据已有工程的成功经验，若不衬砌或使用钢筋混凝土衬砌并使隧洞周围的围岩成为一个安全承载结构，则隧洞周围必须要有足够的岩体覆盖厚度和地应力量值来使隧洞围岩有安全承受隧洞内水压力的能力，在此基础上，围岩还不能产生过大的渗漏和发生渗透破坏［1］。

对抽水蓄能工程高压引水隧洞衬砌型式的分析与评价，大多采用挪威准则和最小主应力准则进行评判，往往忽视了渗透稳定准则。天然岩体内存在大量的节理裂隙，而裂隙中又往往有夹泥膜或碎屑物充填，当引水隧洞衬砌开裂时，在一定压力渗透水流的长期作用下，岩体有可能产生渗透变形破坏。因此，渗透准则的原理是检验岩体的渗透性是否满足渗透稳定要求，即内水外渗量不随时间的延长而持续增加或突然增加［2-3］。本文归纳总结了3个最常用的不衬砌或使用限裂结构的钢筋混凝土衬砌隧洞围岩承载设计准则，来对高压隧洞进行分析评价，即挪威准则、最小主应力准则和渗透稳定准则，最终提出衬砌型式地质建议。此外，针对高压压水与水力劈裂试验的局限性，创新性提出岩体初始劈裂压力的取值应综合考虑试验部位的岩体特性，并扩展到相似的地质单元内，不能只考虑试验部位（高程）。

1  工程概况

石台抽水蓄能电站位于安徽省池州市石台县，距离合肥市直线距离185 km。工程开发任务为承担电力系统调峰、填谷、储能、调频、调相和备用等。电站装机容量1 200 MW，属日调节抽水蓄能电站，连续满发小时数8 h。装设4台单机容量300 MW立轴单级混流可逆式水泵水轮发电机组，设计年发电量14.71亿kW·h，设计年抽水耗电量19.61亿kW·h，综合效率约为75%。初拟以500 kV电压等级接入涓桥变电站，出线2回。

上下水库天然落差约490 m，距高比约4.0。输水系统布置于上下水库之间的山体内，总长约2 453 m，输水发电系统采用两洞四机布置。引水隧洞平面上呈直线布置，方位角为NW39.5°；引水隧洞平面呈西南至东北走向布置，引水支管呈70°夹角进入厂房，立面采用二级竖井布置。

2  引水隧洞工程地质条件

引水隧洞由上平洞、引水调压井、上竖井、中平洞、下竖井、下平洞以及引水岔管及支管组成。

引水隧洞穿越的地层为震旦系下统休宁组（Zax），岩性为长石石英砂岩夹岩屑砂岩，根据层厚不同分为3个亚段，总体以中厚-厚层状为主。为确定各类结构岩体的类别，分别按GB/T 50218《工程岩体分级标准》、GB 50287《水力发电工程地质勘察规范》和國际通用的Q系统分类法3种方法对隧洞进行了围岩工程地质分类。对比分析表明，3种方法的围岩工程地质分类结果基本一致，局部个别洞段围岩类别略有差异，综合评价引水隧洞围岩类别以Ⅱ～Ⅲ类为主，占比约85%。通过勘探平洞、钻孔及物探解译，输水发电系统共揭露15条断层，规模均较小，属Ⅲ～Ⅳ级结构面。构造岩以断层角砾岩、碎裂岩为主，多数见断层光面及擦痕，断层走向NE～NEE者居多。较大的Ⅲ级结构面f3、f4分别从引水上平洞与中平洞大角度相交，断层破碎带围岩类别以Ⅳ类为主。

引水隧洞位于上下水库之间的分水岭山体内，山脊两侧地形陡峻，沟谷发育，地表径流条件好。沿线山体完整，地下水主要为孔隙水与基岩裂隙水。孔隙水主要赋存于第四系覆盖层中，直接接受大气降水补给，埋藏深浅不一，部分补给下部基岩裂隙水；基岩裂隙水主要赋存于风化带、构造破碎带、岩体裂隙中，分布与含水程度主要受控于风化深度和程度、构造破碎带发育部位和规模、地形、地表水和大气降水等。地表水主要通过地表斜坡或冲沟排泄至水库沟道内，地下水主要受大气降水补给，以裂隙水形式向沟道内排泄。引水隧洞部位弱风化岩体透水率0.87～1.76 Lu，以弱透水性为主，占比75.00%，微透水性占比25.00%；微风化岩体透水率0.43～1.23 Lu，总体以微透水性为主，占比88.89%，弱透水性占比11.11%［4］。

3  引水隧洞衬砌型式分析与评价

抽水蓄能电站高压隧洞主要有钢筋混凝土衬砌和钢板衬砌两种型式，如采用钢板衬砌，投资较大，而且制作安装也较为困难。若采用钢筋混凝土衬砌，则可降低施工难度，缩短工期，达到节省投资的目的。根据已有工程的成功经验，若不衬砌或使用钢筋混凝土衬砌并使隧洞周围的围岩成为一个安全承载结构，则隧洞周围必须要有足够的岩体覆盖厚度和地应力量值，来使隧洞围岩有安全承受隧洞内水压力的能力，在此基础上，围岩还不能产生过大的渗漏和发生渗透破坏［5］。以下归纳总结3个常用的不衬砌或使用钢筋混凝土衬砌隧洞围岩承载设计准则，即挪威准则、最小主应力准则和渗透稳定准则。

3.1  挪威准则

岩体覆盖厚度是影响引水隧洞安全的一个主要因素，输水系统除上、下进水口处围岩厚度稍薄外，一般隧洞的上覆岩体厚度为48～520 m。上水庫正常蓄水位755.00 m，下水库正常蓄水位为268.00 m，机组安装高程162 m，最大静内水头为593 m。

挪威准则是经验准则，其原理是要求不衬砌引水隧洞最小上覆岩体重量不小于引水隧洞的内水压力，再考虑1.3～1.5的安全系数，保证围岩在最大内水压力作用下，不发生上抬。根据挪威准则，引水隧洞若采用钢筋混凝土衬砌，上覆岩体的厚度应满足公式计算出的最小覆盖岩体厚度CRM，即要求引水隧洞上任意一点的上覆岩体厚度应大于CRM。

根据NB/T 10073-2018《抽水蓄能电站工程地质勘察规范》，按下式进行计算判断：

CRM=hs·γw·F/γr·cosα（1）

式中：γr为岩体的重度，取27.0 kN/m3；CRM为最小覆盖岩体厚度（不包括强风化带岩体厚），m；α为河谷岸边谷坡坡角，当α≥60°时，取60°；F为经验系数，取1.5；γw为水的重度，取10 kN/m3；hs为洞内静水压力水头，m。

引水隧洞各构筑物上覆岩体最小覆盖厚度计算成果见表1。由计算结果表明，各洞段围岩上覆岩体最小覆盖厚度均符合挪威准则。

3.2  最小主应力准则

最小主应力准则建立在“岩体预应力”概念基础上，要求围岩最小主应力σ3大于洞内静水压力强度P0，即σ3＞P0，并取适当的安全系数，以保证内水压力不会使围岩产生劈裂。考虑到该工程水头高，局部洞段断层较发育，取安全系数F＞1.5为满足最小主应力准则，1.3≤F≤1.5为基本满足，F＜1.3为不满足［6］。根据地应力测试及应力回归分析获得隧洞沿线地应力分布，分别选取上平洞、上竖井、中平洞、下竖井、下平洞和引水支管及岔管等关键部位进行安全系数复核计算，各部位最小主应力状态和安全系数复核结果见表2，图1～2。可见最小主应力大于洞内静水压力强度，满足最小主应力准则［7］。

3.3  渗透稳定准则

天然岩体内存在大量的节理裂隙，而裂隙中又往往有夹泥膜或碎屑物充填，当引水隧洞衬砌开裂时，在一定压力渗透水流的长期作用下，岩体有可能产生渗透变形破坏。因此，渗透准则的原理是检验岩体的渗透性是否满足渗透稳定要求，即内水外渗量是否随时间的延长而持续增加或突然增加。在分析研究压力管道与岔管围岩渗漏及其稳定性时，上抬理论挪威准则和最小主应力准则是判断围岩稳定性的必要条件，但尚不够，还需要研究岩体在高压水作用下的渗透特性。依据高压压水试验成果，分析不同类型岩体在高压水作用下的抗裂隙扩张强度、抗劈裂强度、变形特征、渗透特性等，评价压力管道围岩在高内水压力作用下的渗漏及稳定性，为管道衬砌型式选择提供地质依据［8］。

在设计内水压力作用下，围岩透水率或灌浆后的围岩透水率应不大于1.0 Lu。围岩的渗透稳定主要与上覆岩体厚度、最小主应力、结构面张开压力、岩体完整程度、结构面性状、岩体透水性及洞室间距等因素有关。

石台抽水蓄能电站输水发电系统各洞段深埋于山体中，岩体较完整，局部完整性较差，围岩类别以Ⅱ～Ⅲ类为主，断层破碎带、裂隙密集区为Ⅳ～Ⅴ类［9］。

可研阶段在引水调压井布置SSZK105、靠近地下厂房附近布置SSZK3与引水岔管部位布置SSZK115，进行了高压压水试验（图3）。

引水隧洞上平洞-上竖井段静水压力为0.48～3.25 MPa。洞段岩体以微新为主，较完整-完整，以中厚层-厚层状结构为主，断层构造不甚发育，推测f3断层从上平洞大角度穿过。根据高压压水试验资料，最大试验压力下试验段渗透率变动范围为0.6～3.4 Lu，受岩体风化影响，浅部岩体的渗透率总体大于深部测点，总体呈微透水性，P-Q关系曲线类型以扩张型为主，占比约80%，冲蚀型占比约20%。

引水隧洞中平洞-引水岔管及支管各洞段静水压力较高，为3.25～5.93 MPa。洞段岩体为微新岩体，较完整-完整，以中厚-厚层状结构为主，断层构造不发育，推测f4断层从中平洞（1号引水隧洞）及上竖井下弯段（2号引水隧洞）斜穿。根据高压压水试验资料，最大试验压力下（10.1～11.6 MPa）试验段渗透率变动范围为0.01～0.44 Lu，呈微-极微透水性，P-Q关系曲线表明部分试段岩体无结构面发育，或结构面性状好，在高压压水试验过程中未改变结构面性状，扩张型和冲蚀型曲线类型次之［10］。

尾水隧洞静水压力较低，为0.42～1.14 MPa。洞段岩体以弱风化-微新岩体为主，较完整，以中厚层夹薄层状结构为主，断层规模较小，裂隙不甚发育，根据高压压水试验资料，最大试验压力下试验段渗透率变动范围为0.29～0.57 Lu。

测段的初始劈裂压力与岩性相关，花岗斑岩测段的初始劈裂试验压力明显大于长石石英砂岩测段，在孔口试验压力为1～6 MPa的情况下，多数长石石英砂岩测段在高压压水试验过程中被（初步）劈裂。按照初始劈裂法则，3个测孔的试验结果较为一致，长石石英砂岩岩体的初始劈裂压力范围为3.0～5.9 MPa，花岗斑岩试验孔段初始劈裂压力大于6.7 MPa（图4）［11］。

根据高压压水试验成果及地质勘探成果综合分析，引水隧洞上平洞与上竖井段岩体劈裂压力大于静水压力，围岩基本满足渗透稳定要求；中平洞（包括上竖井下弯段）-高压岔管及支管段岩体初始劈裂压力局部小于静水压力，结构面产生扩张和冲蚀破坏，但破坏后的岩体渗透率仍小于1 Lu，结合揭露的地质条件分析，f4断层从中平洞（1号引水隧洞）及上竖井下弯段（2号引水隧洞）斜穿，断层带内岩体破碎，工程性状较差，易发生冲蚀渗透变形，存在局部渗透稳定问题；尾水隧洞属于低压洞段，岩体劈裂压力大于静水压力，围岩满足渗透稳定要求，但从勘探平洞揭示情况看，沿f13、f17断层带、岩体破碎带等有多处涌水、线状出水或者淋雨状出水，多数出水点涌水时间不长，少量持续性涌水，说明断层带、岩体破碎带及长大结构面等透水性较强，连通性及导水性较好，可能存在岩体劈裂并产生扩张、冲蚀的可能性，尤其断层破碎带及裂隙发育部位，存在内水外渗及沿断层带的渗透变形问题［12］。

3.4  外水压力分析

输水系统沿线布置有SSZK103、SSZK105、SSZK108、SSZK110钻孔，并进行地下水位长期观测。上水库进/出水口附近SSZK103地下水位埋深6.6～8.2 m，变幅1.6 m。引水调压井SSZK105孔地下水位埋深12.6～16.5 m，变幅3.9 m。尾水隧洞SSZK108孔地下水位埋深58.40～59.22 m，变幅0.82 m。尾水隧洞兼开关站SSZK110孔地下水位埋深43.0～45.95 m，变幅2.95 m。说明输水系统沿线各部位地下水埋深不大，各洞线位于山体地下水位线以下［13］。

在没有考虑外排水措施的情况下，压力管道沿线除引水上平洞与尾水隧洞外水压力较小，其余洞段外水压力均较大。

3.5  地质建议

根据水工隧洞设计规范要求以及国内外已建工程经验，对于不衬砌或采用钢筋混凝土衬砌的高压隧洞，须满足三大准则要求。根据上述分析，石台抽水蓄能电站高压隧洞在上竖井下弯段首部以下洞段局部岩体的初始劈裂压力小于相应洞段的静水压力，不满足渗透稳定准则要求。为确保引水隧洞长期在高压水流作用下渗透稳定，建议从上竖井下弯段首部开始至厂房上游进行钢板衬砌，其余洞段可采用钢筋混凝土衬砌，但需加强高压固结灌浆处理［14］。

考虑引水隧洞外水压力总体较大，建议采用钢筋混凝土衬砌的洞段，外水压力可采取最大地下水头进行折减，通过勘探平洞出水情况综合考虑外水压力折减系数取0.25～0.50为宜，其余采用钢板砌衬洞段，外水压力不考虑折减系数，按地下水全水头计算。考虑到混凝土衬砌段高压内水外渗对下游相邻钢衬段的影响，且局部有导水性较强的断层、长大裂隙分布，因此相邻钢衬段承受的最大外水压力可能接近于内水压力值，建议在加强钢衬结构抵抗外水压力能力和防渗帷幕的同时，还应做好钢衬的外排水措施，紧邻混凝土衬砌段的外水压力按内水压力考虑，远离混凝土衬砌段的外水压力按地下水全水头考虑［15］。

4  结  语

在通过三大准则判断高压引水隧洞围岩承载能力的过程中，需结合隧洞围岩特征综合分析，最终提出隧洞衬砌型式的合理地质建议。在勘察过程中需注意岩体中裂隙的分布规律、性状特征，結合高压压水试验数值系统分析。在选取初始劈裂压力时需根据P-Q曲线适当保守取值，在同一地质单元内做出的试验低值要综合分析、灵活应用，不能只看低值的试验部位。

本文分析研究方法可为同类工程的地质评价以及衬砌型式选择提供参考。行业内对于水力劈裂试验中的初始劈裂压力值的选取是只看P-Q曲线拐点还是结合岩体特征、渗透性及试验时长综合分析，目前尚无明确要求，还需进一步研究。

参考文献：

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（编辑：李  慧）

Analysis and evaluation of high pressure tunnel lining types in Shitai Pumped Storage Power Station in Anhui Province

LI Hongxing，BAI Wei，WU Xiaohua，WANG Zhizheng，GENG Sailei

（Three Gorges Geotechnical Consultants Co.，Ltd.（Wuhan），Wuhan 430074，China）

Abstract：

To accurately select the lining type of high-pressure tunnel of Shitai Pumped Storage Power Station in Anhui Province，the "Three Criteria" and external water pressure measures were used to evaluate the high-pressure tunnel by analyzing the engineering geological conditions of the site，combining with on-site tests and three-dimensional stress field regression analysis results.The results showed that the Shitai high-pressure tunnel met the Norwegian criteria and minimum principal stress criteria，but the initial splitting pressure of the surrounding rock was lower than the hydrostatic pressure in the local section below the lower bend of the upper vertical shaft of the headrace tunnel，posing a risk of seepage deformation and failure.The geological suggestion was proposed to use steel plate lining for the tunnel section below the head of the upper vertical shaft and lower bending section.The research results can provide a reference for optimizing engineering investment while ensuring the stability of surrounding rock permeability in the diversion tunnel．

Key words：

pumped storage power station； high-voltage tunnels； lining type； Three Criteria； in-situ stress