王冬生

（新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 新疆 石河子 832000）

1 工程概況

某水電站是所處河道水電梯級干流規(guī)劃的第二級，河流全長79.40km，流域面積1081.5km2，多年平均徑流量5.36億m3。引水渠首斷面以上匯水面積530.3km2，多年平均徑流量3.27億m3。工程位于河道中上游，電站開發(fā)采用引水式，電站工程由引水樞紐、引水暗渠、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力斜洞、廠房、升壓站、尾水渠、防洪堤等組成。

2 工程引水線路左右岸布置比選

根據(jù)現(xiàn)場踏勘，工程布置在左岸主要缺點(diǎn)：①工程區(qū)左岸植被較差，樹木砍伐量和地表植被破壞較大；②左岸山體破碎，沖溝發(fā)育，引水隧洞圍巖破碎，Ⅳ類圍巖比例較大；③左岸電站廠區(qū)附近山體坡度平緩，按兩岸等水頭布置，相應(yīng)壓力管道長度和廠房挖深均大于右岸。右岸布置有以下優(yōu)點(diǎn)：①河道右岸引水隧洞沿線圍巖完整性好，隧洞埋深40m～250m，Ⅱ、Ⅲ類圍巖比例較大；②廠區(qū)山體坡度大，壓力管道較短，右岸方案整個(gè)工程投資比左岸少。根據(jù)以上因素電站建筑物布置在河道右岸。

2.1 右岸洞線選擇時(shí)考慮的主要原則

（1）根據(jù)地形條件盡可能縮短洞線，減少工程量；

（2）根據(jù)地質(zhì)條件力求洞線與巖層、構(gòu)造斷裂面及軟弱帶具有較大的夾角。并盡量減小洞線與最大水平地應(yīng)力方向的夾角；

（3）考慮施工支洞的布置，盡量縮小支洞長度；

（4）進(jìn)、出口應(yīng)選擇地形、地質(zhì)條件較好的部位，盡量避開高陡邊坡和卸荷裂隙發(fā)育地段。

2.2 右岸洞線布置方案擬定

根據(jù)工程區(qū)山體巖性地質(zhì)條件，隧洞引水形式采用有壓和無壓均可行。有壓方案可分為低壓引水隧洞和高壓引水隧洞，采用阻抗式調(diào)壓井的引水方式為低壓隧洞方案；根據(jù)北歐挪威水電站使用的“一坡到底”的引水方式，采用氣墊式調(diào)壓室的為高壓隧洞方案。根據(jù)三個(gè)方案隧洞對圍巖要求進(jìn)行了工程布置，三個(gè)方案工程布置簡要說明如下：

①低壓引水方案（調(diào)壓井調(diào)壓方案）：

隧洞洞線沿線圍巖為石炭系下統(tǒng)大哈拉軍山組砂巖、火山灰凝灰?guī)r；洞線各類圍巖所占比例：II類：43%、III類：37%、IV類：20%。

工程由引水渠首、引水暗渠、沉砂池、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力斜洞、廠房組成。引水洞線與巖層、構(gòu)造斷裂面及軟弱帶走向宜有較大的交角。對整體塊狀結(jié)構(gòu)巖體及厚層并膠結(jié)緊密、巖石堅(jiān)硬完整的巖體，交角不宜小于30°。盡量滿足洞線與巖層、構(gòu)造斷裂面及軟弱帶走向交角要求。布置的引水隧洞洞身埋深在40m～250m，引水道長6.51km，其中暗渠長0.15km，隧洞長6.36km，城門洞型，b×h=3.5m×4.3m；隧洞末端布置調(diào)壓井，高50.45m，直徑7m；調(diào)壓井后接壓力斜洞，采用混凝土襯砌+鋼板襯砌，單管管徑2.6m；廠房布設(shè)于河道右岸一級階地，地形開闊平坦，電站裝機(jī)容量24MW。

②高壓引水方案（氣墊式調(diào)壓室方案）：

隧洞洞線沿線圍巖為石炭系下統(tǒng)大哈拉軍山組砂巖、火山灰凝灰?guī)r；圍巖類別分別包括II、III、IV類圍巖。洞線各類圍巖所占比例：II類：70%、III類：20%、IV類：10%。引水隧洞Ⅳ類圍巖：主要為斷層破碎帶巖石、巖層的強(qiáng)風(fēng)化層等圍巖巖體。

工程由引水渠首、引水隧洞、氣墊式調(diào)壓室、壓力斜洞、廠房、尾水渠、防洪堤、氣墊式調(diào)壓室檢測設(shè)施組成。高壓隧洞方案根據(jù)國外及國內(nèi)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，隧洞采用不襯砌形式，不襯砌隧洞圍巖覆蓋厚度參照挪威準(zhǔn)則及雪山準(zhǔn)則：

三個(gè)方案主要工程投資對比表

式中：CRM——計(jì)算點(diǎn)至地表最小距離，m；

β——河岸的最小坡角，°；

γw——水的容重；

γr——巖石的容重；

H——水頭；

在滿足挪威準(zhǔn)則的情況下，引水道長7.21km，其中隧洞長6.88km；II類圍巖采用D=4.4m圓洞，III、IV類圍巖采用D=3.6m的混凝土襯砌圓洞；洞后接氣墊式調(diào)壓室，調(diào)壓室斷面為城門洞型，采用混凝土+鋼板內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，寬10m，高14m，長50m；調(diào)壓室后接壓力斜洞，采用混凝土襯砌+鋼板襯砌，長度330m，管徑2.6m；廠區(qū)布置與低壓引水方案相同。

③無壓引水方案：

隧洞洞線沿線圍巖類別與低壓引水方案圍巖類別基本相同。

洞線在第一條洪溝前基本與方案二洞線相同，在過溝處洞線采用填方暗渠過溝。為了減少施工支洞的長度，縮短工期，在滿足隧洞最小側(cè)覆蓋、上覆蓋厚度的前提下，將洞線盡量向岸邊布置，地質(zhì)條件與低壓引水方案基本相同。引水道長6.31km，其中暗渠長0.15km，隧洞長6.16km，跨溝處最大填高9.0m，前池布設(shè)于半山坡處，壓力管道管線部分基巖裂隙較發(fā)育。泄水陡坡長360m，陡坡在基巖上開鑿一個(gè)寬3.8m、高3.0m的梯形槽，巖石開挖斷面混凝土襯砌，厚度40cm；壓力前池后接壓力鋼管，壓力鋼管根據(jù)地形情況采用明鋼管+管棚型式組合型式，單管管徑2.6m；廠區(qū)布置與低壓引水方案相同。

2.3 方案比較

對上述三個(gè)方案從地形、地質(zhì)條件、隧洞長度、施工條件、工程投資等方面進(jìn)行綜合比較。

（1）地形、地質(zhì)條件

從地形上看，低壓引水隧洞進(jìn)口基巖裸露，進(jìn)洞條件較好，發(fā)電引水隧洞由南向北穿過河道右岸中低山區(qū)，沿線山勢陡峻，基巖多裸露，河谷狹窄，谷坡陡峻，地形總趨勢東高西低，沿線共穿越4條沖溝，洞線最小覆蓋厚度為46.46m，滿足圍巖成洞要求。

高壓引水方案根據(jù)挪威準(zhǔn)則及雪山準(zhǔn)則，圍巖垂直覆蓋厚度與水平厚度隨著水頭增加而增加，洞線相對于遞延引水方案洞線更偏向山體里面。洞線沿線共經(jīng)過4條沖溝，最小上覆圍巖厚度為159.46m。

無壓引水方案洞線與低壓引水線路前段2.6km基本相同。洞線地質(zhì)條件基本相同，沿線穿過4條沖溝，洞頂最小覆蓋厚度3.72m，滿足凍深及防沖要求。

（2）洞線的長短

三條洞線水道長度分別為：6.82km（其中暗渠長0.15km、壓力斜洞0.303km）、7.21km（壓力斜井 0.33km）、6.64km（其中暗渠長0.15km、壓力鋼管 0.23km）。

無壓引水方案洞線最短，低壓引水方案洞線次之，高壓引水方案洞線最長。

（3）施工條件

從已建道路布設(shè)來看，大部分路段位于左岸，所布設(shè)的洞線都在河道右岸，低壓引水線路和無壓引水線路方案施工條件基本相同，需建臨時(shí)橋梁通過，并修建上山施工道路及施工支洞；高壓引水線路需要修建臨時(shí)橋梁及施工支洞，無需上山施工道路；低壓引水方案、無壓引水方案施工道路較長、施工支洞較短。

（4）電能指標(biāo)

在盡可能利用水能的基礎(chǔ)上，三個(gè)方案的利用落差相同，電站的裝機(jī)相同，小流量下的引水道水頭損失有壓方案較小。年發(fā)電量：低壓與高壓方案：9520萬kW·h，無壓方案935萬 kW·h。

（5）主要工程量及投資對比表

根據(jù)引水線路沿線工程地質(zhì)情況，所采用的襯砌形式也各不相同，各方案主要工程量及工程投資對比如下：

有壓與無壓方案對比分析：①無壓方案投資相對較大；②廠區(qū)建筑物均采用明挖形式破壞地表面積較大，水土保持費(fèi)用及環(huán)境保護(hù)費(fèi)用較高。③有壓方案減少植被破壞，減少了對環(huán)境的影響，既開發(fā)利用了水能，又達(dá)到了人與自然和諧相處的目的。④有壓方案年發(fā)電量較多。

在有壓方案對比中：高壓方案與低壓方案工程直接投資基本相當(dāng)；高壓方案在支洞后期封堵、氣墊式調(diào)壓室封閉等方面施工難度相對較高；有壓洞線沿線經(jīng)過地質(zhì)斷層，為石炭系下統(tǒng)大哈拉軍山組砂巖、火山灰凝灰?guī)r，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體完整性較差斷層處的高壓水流防滲難度相對突出；通過以上因素綜合考慮，水電站開發(fā)形式采用低壓引水方式開發(fā)。

3 結(jié)論

（1）引水隧洞由于運(yùn)行方式不同，隧洞受力形式的不同，使得洞線走向不同。本文根據(jù)運(yùn)行方式采用無壓、低壓、高壓三種方案進(jìn)行的洞線的布置及對比。根據(jù)工程的地形地質(zhì)條件，通過施工、環(huán)保、運(yùn)行維護(hù)及經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，最終選擇了低壓引水方案。

（2）高壓引水形式適用于洞線沿程圍巖條件好、上山道路難以修建的工程，本工程洞線沿程存在斷層，高壓引水隧洞穿過，需采取特殊防滲處理措施。施工道路可利用已有道路和沿程溝壑改建為臨時(shí)施工道路。氣墊式調(diào)壓室施工期需做好調(diào)壓室圍巖的“閉氣”措施。運(yùn)行期根據(jù)調(diào)壓室的需要進(jìn)行充氣及補(bǔ)氣，運(yùn)行管理較為繁瑣。對裝機(jī)較小的電站來講，運(yùn)行成本較為突出。陜西水利

[1]中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范（S L279-2002）[S].

[2]陳其偉等主編.新型引水式水電站的理論與實(shí)踐[M].中國水利水電出版社，2008