閔志華

（重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，中國 重慶 402160）

1 對比明渠，強(qiáng)調(diào)水電站發(fā)電隧洞的基本優(yōu)缺點(diǎn)

發(fā)電隧洞包括引水隧洞和尾水隧洞，或者可分為無壓隧洞和有壓隧洞，它是水電站最常見的輸水建筑物之一，與渠道相比，隧洞具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以采用較短的路線，避開沿線不利的地形、地質(zhì)條件。在教學(xué)中，對比地形圖很容易理解，讓學(xué)生在地形圖上勾出用渠道的線路，發(fā)現(xiàn)只能沿等高線布置，對沿線不利的地形、地質(zhì)條件很難避免，而且要額外征地，現(xiàn)階段修工程的征地是個大難題，可以告訴學(xué)生現(xiàn)在很多業(yè)主寧可多花錢投資在直接工程上，也不愿意投在具有巨大隱含風(fēng)險(xiǎn)的征地上，對于征地，輿論、政府都很關(guān)注，對于賠償額的多少不能很好確定，還有遇到征地補(bǔ)償不滿意的還容易造成窩工甚至停工，還有輿論往往站在被征地人的角度上報(bào)道，由于不確定因素很多，對投資極為不利。相反，多花錢修隧洞，前期直接投入大，但省去了征地的麻煩，另外，由于隧洞是在山體里面，省去了不少運(yùn)行管理費(fèi)用，這些都是明渠不能比擬的。

（2）有壓隧洞能適應(yīng)水庫水位的大幅度升降及水電站引用流量的迅速變化；

（3）不受冰凍影響，沿程無水質(zhì)污染；

（4）運(yùn)行安全可靠。

隧洞的主要缺點(diǎn)是對地質(zhì)條件、施工技術(shù)及機(jī)械化的要求較高，單價(jià)較貴，工期較長。但隨著現(xiàn)代施工技術(shù)和設(shè)備的不斷改進(jìn)，以及隧洞襯砌設(shè)計(jì)理論的不斷提高，這些缺點(diǎn)正被逐漸克服。因此，隧洞獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。

2 結(jié)合地形、地質(zhì)、施工等條件講述隧洞的線路選擇

隧洞路線直接影響其造價(jià)大小、施工難易、安全可靠程度以及工程效益。原則上，洞線應(yīng)盡可能布置成進(jìn)口與廠房或廠房與尾水出口間的最短直線，但實(shí)際上常由于種種原因而彎曲。隧洞選線中需考慮的主要因素有：

（1）地質(zhì)條件。隧洞應(yīng)盡量布置在地質(zhì)構(gòu)造簡單、巖體完整穩(wěn)定、巖石堅(jiān)硬、水文地質(zhì)條件有利的地區(qū)，洞線與巖層、構(gòu)造斷裂面及主要軟弱帶應(yīng)有較大的夾角；在地應(yīng)力很高的區(qū)域，隧洞應(yīng)從圍巖穩(wěn)定考慮，洞線與最大永平地應(yīng)力方向一致或盡量減小其夾角；要考慮隧洞漏水、巖體浸濕后失穩(wěn)的可能性；要統(tǒng)籌考慮輸水系統(tǒng)各建筑物及廠房的地質(zhì)條件。

（2）地形條件。隧洞進(jìn)出口處地形宜陡，進(jìn)出口段應(yīng)盡量垂直地形等高線，其洞頂圍巖厚度宜不小于2倍的開挖洞徑，配以合理的施工程序和工程措施后可保證洞口安全，洞身的埋藏深度應(yīng)滿足洞頂以上圍巖重量大于洞內(nèi)靜水壓力的要求；擬利用圍巖抗力時，圍巖厚度不應(yīng)小于3倍開挖洞徑；要利用山谷等有利地形布置施工支洞。

（3）施工條件。長隧洞的施工條件極為重要，應(yīng)能利用地形每隔一定距離開鑿一條施工支洞，比如平洞、豎井或斜井，配以相應(yīng)的道路和附屬企業(yè)，以增加工作面，加快施工進(jìn)度。有壓隧洞要設(shè)0.3%～0.5%的縱坡，以利施工排水及放空隧洞。

（4）水力條件。洞線盡可能直，少轉(zhuǎn)彎；必須轉(zhuǎn)彎時彎曲半徑一般大于5倍洞徑，轉(zhuǎn)角不宜大于60°，以使水流平順，減小水頭損失。

3 隧洞水力計(jì)算的粗略教法

就水力特性而言，隧洞可以是無壓的或有壓的，發(fā)電隧洞中以后者居多。要避免在隧洞中出現(xiàn)時而無壓時而有壓的不穩(wěn)定工作狀態(tài)。無壓隧洞的水力計(jì)算與渠道相同，以下只討論有壓隧洞的水力計(jì)算。

有壓隧洞的水力計(jì)算包括恒定流及非恒定流兩種。恒定流訃算常用曼寧公式，其目的是研究隧洞斷面、引用流量及水頭損失之間的關(guān)系，以便選定隧洞尺寸。非恒定流計(jì)算的目的是求出隧洞沿線的最大、最小內(nèi)水壓力，分別用以設(shè)計(jì)隧洞襯砌及決定隧洞高程，保證隧洞各點(diǎn)高程都應(yīng)在最小壓力線以下，以保證不出現(xiàn)負(fù)壓。根據(jù)輸水系統(tǒng)的組成情況和水力特性，非恒定流計(jì)算又分為三種情況：

（1）當(dāng)引水隧洞末端或尾水隧洞首端無調(diào)壓井時，隧洞的非恒定流計(jì)算即水錘計(jì)算。

（2）當(dāng)隧洞末端或尾水隧洞首端建有能充分反射水錘波的調(diào)壓室，比如簡單圓筒式調(diào)壓室時，隧洞的內(nèi)水壓力受庫水位及調(diào)壓室涌浪水位控制，此時可按有壓水電站調(diào)壓室的最高及最低水位計(jì)算，則水庫最高水位與調(diào)壓室最高水位的連線就是隧洞的最大內(nèi)水壓力坡降線，而水庫最低水位與調(diào)壓室最低水位連線為隧洞的最小內(nèi)水壓力坡降線。

（3）隧洞末端雖設(shè)有調(diào)壓室，但其反射水錘波效果較差，比如阻抗式調(diào)壓室阻抗孔口較小時，隧洞內(nèi)的壓力取決于水錘及調(diào)壓室水位波動的共同作用。此時應(yīng)取整個輸水系統(tǒng)進(jìn)行水錘、調(diào)壓室水位波動聯(lián)合分析。

4 結(jié)合明渠均勻流和水力學(xué)，對隧洞斷面尺寸進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算

常見的隧洞斷面型式有圓形、直墻圓拱形（城門洞形）、馬蹄形及高拱形等。有壓隧洞常采用圓形斷面。對于無壓隧洞，地質(zhì)條件良好時通常為直墻圓拱形，洞頂和兩側(cè)圍巖不穩(wěn)時采用馬蹄形，洞頂巖石很不穩(wěn)定時采用高拱形。

為了便于施工，按SL水利行業(yè)規(guī)范，隧洞的橫斷面尺寸至少寬1.8m、高2.0m，或內(nèi)徑不小于1.8m，而按DL電力規(guī)范，隧洞的最小施工橫斷面尺寸則為2.0m寬，這里可以簡要介紹下我國水利和電力的區(qū)別，也算中國特色的，為什么出現(xiàn)這樣的區(qū)別，可以提高學(xué)生的興趣。發(fā)電隧洞的斷面尺寸應(yīng)根據(jù)動能經(jīng)濟(jì)計(jì)算來選定，其基本原理與前述渠道相同。每米長隧洞的水頭損失可由曼寧公式求得：

式中n、Q、R、F分別為隧洞的糙率、流量、水力半徑及過水?dāng)嗝婷娣e。這里，可以告訴學(xué)生，其實(shí)這個公式就是前面明渠流量公式的改寫形式，學(xué)生可以復(fù)習(xí)下，還可以告訴他們也就是水力學(xué)里面著名的謝才公式，這就簡單了，都是相通的。

每米長隧洞的電能損失為：

式中：η——機(jī)組效率，為簡化起見設(shè)為常數(shù)；

T——水電站年運(yùn)行小時數(shù)。

由水能計(jì)算可得出一年內(nèi)流量Q的歷時曲線，一年以8760小時計(jì)，即T＝8760h。立方后得出Q3的歷時曲線，該曲線以下的面積即式(7－5)中的積分值。若令表示Q3的平均值，即：

決定隧洞斷面尺寸時，先擬定幾個具有可比性的方案，求出每方案的水電站及替代電站的計(jì)算支出Ch及Ct，然后選擇系統(tǒng)計(jì)算支出Cs＝Ch+Ct最小所對應(yīng)的斷面。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，有壓隧洞中的經(jīng)濟(jì)流速一般在3～5m/s左右，在粗略估計(jì)時可以4m/s流速作參考計(jì)算隧洞直徑。