邵莉芳　黃保沖

摘要：引水建筑物在引水式電站中所占投資比例較大，發(fā)電引水隧洞是引水式電站較為簡(jiǎn)單和常用的引水建筑物，因而發(fā)電引水隧洞型式選擇對(duì)引水建筑物乃至工程布置、工程投資及效益影響較大。文章分析了發(fā)電引水隧洞壓力狀態(tài)對(duì)引水建筑物和工程布置的影響。

關(guān)鍵詞：發(fā)電引水隧洞；壓力狀態(tài)選擇；引水建筑物；引水式電站；工程布置；工程投資 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TV732 文章編號(hào)：1009-2374（2016）20-0125-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.062

引水建筑物在引水式電站中所占投資比例較大，發(fā)電引水隧洞是引水式電站較為簡(jiǎn)單和常用的引水建筑物，因而發(fā)電引水隧洞型式選擇對(duì)引水建筑物乃至工程布置、工程投資及效益影響較大。發(fā)電引水隧洞選擇有壓隧洞還是無(wú)壓隧洞對(duì)引水式電站的工程布置、工程投資及效益影響很大。

1 發(fā)電引水隧洞壓力狀態(tài)選擇對(duì)引水建筑物和工程布置的影響

1.1 對(duì)引水建筑物型式和布置的影響

引水式電站的有壓引水建筑物一般由有壓進(jìn)水口、有壓引水隧洞、調(diào)壓室及地下式壓力管道等部分組成，引水式電站的無(wú)壓引水建筑物一般由無(wú)壓進(jìn)水口、無(wú)壓引水隧洞（或渠道）、前池及地面式壓力管道等部分組成。

1.1.1 對(duì)進(jìn)水口型式和布置的影響。有壓引水隧洞進(jìn)水口型式一般采用有壓進(jìn)水口，無(wú)壓引水隧洞進(jìn)水口型式一般采用無(wú)壓進(jìn)水口。進(jìn)水口一般除滿足過(guò)柵流速和閘門布置要求外，有壓進(jìn)水口水力計(jì)算主要應(yīng)滿足最小淹沒(méi)深度的要求，而無(wú)壓進(jìn)水口水力計(jì)算主要應(yīng)滿足進(jìn)水口過(guò)流能力的要求。一般情況下，有壓進(jìn)水口結(jié)構(gòu)比無(wú)壓進(jìn)水口結(jié)構(gòu)復(fù)雜且投資大。

1.1.2 對(duì)引水隧洞型式和布置的影響。SL279對(duì)有壓引水隧洞型式和布置的有關(guān)規(guī)定：有壓引水隧洞要求在最不利的運(yùn)行條件下，洞頂以上應(yīng)有不小于2.0m的壓力水頭；有壓引水隧洞的垂直和側(cè)向最小覆蓋厚度應(yīng)符合第3.1.7條的規(guī)定；有壓隧洞宜采用圓形斷面，在圍巖穩(wěn)定性較好、內(nèi)外水壓力不大時(shí)，可采用便于施工的其他斷面形狀。SL279對(duì)無(wú)壓引水隧洞型式和布置的有關(guān)規(guī)定：在低流速無(wú)壓隧洞中，若通氣條件良好，在恒定流情況下，洞內(nèi)水面線以上的空間不宜小于隧洞斷面積的15%，且高度不應(yīng)小于400mm；在非恒定流條件下，若計(jì)算中已考慮了涌波時(shí)，上述數(shù)值允許適當(dāng)減小；對(duì)較長(zhǎng)的隧洞和不襯砌或錨噴襯砌的隧洞，上述數(shù)值可適當(dāng)增加；無(wú)壓隧洞地質(zhì)條件較好時(shí)宜采用圓拱直墻式斷面，圓拱中心角為90°～180°；斷面的高寬比應(yīng)根據(jù)水力學(xué)和地質(zhì)條件選用，宜為1.0～1.5，洞內(nèi)水位較大時(shí)宜采用大的比值；無(wú)壓隧洞地質(zhì)條件較差時(shí)，可選用圓形或馬蹄形斷面。

由以上規(guī)定可知，發(fā)電引水隧洞壓力狀態(tài)對(duì)引水隧洞型式和布置的影響是較大的。由于有壓引水隧洞洞頂以上的最小壓力水頭不應(yīng)小于2.0m，且有壓引水隧洞的垂直和側(cè)向最小覆蓋厚度應(yīng)符合SL279第3.1.7條的規(guī)定，以及有壓引水隧洞的最高與最低水頭壓力線受水庫(kù)校核洪水位與死水位和調(diào)壓室的最高與最低涌波水位控制，因此有壓引水隧洞的埋深要比無(wú)壓引水隧洞的埋深大很多。當(dāng)然，發(fā)電引水隧洞壓力狀態(tài)對(duì)引水隧洞影響較大的還是在隧洞結(jié)構(gòu)和滲透穩(wěn)定性方面的區(qū)別，尤其是在地質(zhì)條件較差時(shí)影響就更大些。

1.1.3 對(duì)調(diào)壓設(shè)施型式和布置的影響。有壓引水隧洞末端一般應(yīng)設(shè)置調(diào)壓室（引水隧洞長(zhǎng)度較短時(shí)除外），無(wú)壓引水隧洞末端一般應(yīng)設(shè)置前池或調(diào)節(jié)池（采用自動(dòng)調(diào)節(jié)隧洞除外）。設(shè)置調(diào)壓室往往比布置前池要簡(jiǎn)單很多且工程投資要省很多，這主要是由于前池一般開(kāi)挖量較大，而且前池或前池上游附近一般需設(shè)置溢流堰，這對(duì)于高水頭電站或前池附近地形地質(zhì)條件較差時(shí)，前池的邊坡開(kāi)挖與擋護(hù)量和溢流堰泄水槽的工程量較大；而調(diào)壓室的結(jié)構(gòu)則較簡(jiǎn)單，且調(diào)壓室一般無(wú)需設(shè)置溢流堰，也不存在明挖而形成高邊坡及其處理問(wèn)題。

1.1.4 對(duì)壓力管道型式和布置的影響。有壓引水隧洞末端的調(diào)壓室后接壓力管道的型式一般采用地下埋管，如果壓力管道邊坡的地形地質(zhì)條件較好時(shí)也可采用地面明管。無(wú)壓引水隧洞末端的前池或調(diào)節(jié)池后接壓力管道的型式一般采用地面明管，如果壓力管道邊坡的地形地質(zhì)條件較差時(shí)也可采用地下埋管或地下埋管與地面明管相結(jié)合的形式。不管是采用有壓還是無(wú)壓隧洞引水，壓力管道型式和布置方式一般應(yīng)結(jié)合邊坡的地形地質(zhì)條件根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較進(jìn)行確定，在一般情況下或邊坡的地形地質(zhì)條件較好時(shí)采用地面明管較為經(jīng)濟(jì)，否則采用地下埋管較為有利。

1.2 對(duì)工程布置的影響

發(fā)電引水隧洞壓力狀態(tài)不同除對(duì)引水建筑物自身的布置有影響外，還對(duì)取水樞紐和電站廠房的布置有一定影響。

1.2.1 對(duì)取水樞紐布置的影響。無(wú)壓引水隧洞進(jìn)水口型式一般采用無(wú)壓進(jìn)水口，無(wú)壓進(jìn)水口一般為低壩引水，大壩擋水高度僅需滿足進(jìn)水口的引水和沖沙要求。為了滿足進(jìn)水口“門前清”，無(wú)壓進(jìn)水口布置一般應(yīng)與沖沙閘布置緊密結(jié)合，進(jìn)水口前的攔沙坎頂部高程一般高于沖沙閘底板高程1.5～2.0m以上。

有壓引水隧洞進(jìn)水口型式一般采用有壓進(jìn)水口，即潛沒(méi)式進(jìn)水口，對(duì)水庫(kù)式與引水式混合開(kāi)發(fā)的電站，由于水庫(kù)內(nèi)水流流速較小，加之大壩沖沙孔或底孔較低，有壓引水隧洞進(jìn)水口的泥沙和攔污問(wèn)題并不突出。而對(duì)于引水式電站往往取水樞紐高度不大，這種取水樞紐類似于無(wú)壓進(jìn)水口的低壩引水，但如果作為有壓進(jìn)水口，尚需滿足最小淹沒(méi)深度的要求，要么降低進(jìn)水閘的底板高程，要么適當(dāng)增加壩高或在壩頂上安裝鋼閘門（或砼翻板閘）以滿足有壓進(jìn)水口最小淹沒(méi)深度和沖沙的要求。

1.2.2 對(duì)電站廠房布置的影響。發(fā)電引水隧洞壓力狀態(tài)對(duì)電站廠房的布置沒(méi)有直接影響，但由于引水隧洞壓力狀態(tài)的不同會(huì)影響引水建筑物的調(diào)壓設(shè)施和壓力管道的型式和布置，而調(diào)壓設(shè)施和壓力管道的型式和布置將直接影響廠區(qū)建筑物布置。調(diào)壓室和地下埋管對(duì)廠區(qū)建筑物布置影響較小，而前池和地面明管則對(duì)廠區(qū)建筑物布置，特別是對(duì)電站廠房的安全影響較大，這是由于前池和地面明管的管床開(kāi)挖可能會(huì)使原來(lái)的邊坡變陡，如果處理不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致電站廠房后的巖土邊坡失穩(wěn)而威脅電站廠房的安全；前池溢流堰和泄水槽位置的選擇和布置對(duì)廠區(qū)建筑物的布置和安全影響較大；地面明管末端接水平的岔支管布置會(huì)使坡腳水平開(kāi)挖寬度加大，也會(huì)影響電站廠房的布置。

2 發(fā)電引水隧洞壓力狀態(tài)選擇對(duì)工程投資及效益的影響

2.1 對(duì)工程投資的影響

2.1.1 對(duì)經(jīng)濟(jì)洞徑的影響。發(fā)電引水隧洞的工程投資主要取決于隧洞橫斷面尺寸和襯砌工程量，發(fā)電引水隧洞的橫斷面尺寸一般通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定，隧洞的襯砌型式應(yīng)通過(guò)各種襯砌型式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較進(jìn)行選擇，隧洞的襯砌厚度一般通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算和構(gòu)造要求確定。

無(wú)壓引水隧洞的經(jīng)濟(jì)比降一般不大于1.0‰，混凝土襯砌隧洞的經(jīng)濟(jì)流速一般為1.5～2.5m/s，不襯砌或錨噴襯砌隧洞的經(jīng)濟(jì)流速一般為0.8～1.5m/s，隧洞的經(jīng)濟(jì)流速主要取決于隧洞的襯砌型式和設(shè)計(jì)流量，一般設(shè)計(jì)流量越大其經(jīng)濟(jì)流速也越大。

有壓引水隧洞一般采用混凝土襯砌，其經(jīng)濟(jì)流速一般為3m/s左右，不襯砌或錨噴襯砌隧洞的經(jīng)濟(jì)流速一般為1.5～2.0m/s?！端姽こ虒I(yè)案例·工程規(guī)劃篇》（黃河水利出版社，2007.4）給出了有壓引水隧洞混凝土襯砌斷面經(jīng)濟(jì)洞徑經(jīng)驗(yàn)公式形式如下：

式中：

D——隧洞經(jīng)濟(jì)洞徑（m）

Q——隧洞設(shè)計(jì)流量（m3/s）

H——隧洞設(shè)計(jì)水頭（m）

由上式可知，隧洞的經(jīng)濟(jì)洞徑主要與設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)水頭有關(guān)。

2.1.2 對(duì)工程投資的影響。發(fā)電引水隧洞作為引水式電站引水建筑物的主要組成部分，其投資在工程總投資中所占比例較大，下面僅分析發(fā)電引水隧洞不同壓力狀態(tài)對(duì)投資的影響。發(fā)電引水隧洞的土建工程投資由隧洞開(kāi)挖、隧洞支護(hù)與襯砌及隧洞灌漿、防滲和排水等部分組成，其中隧洞灌漿、防滲和排水等所占土建工程投資比例較小，那么發(fā)電引水隧洞的土建工程投資主要由隧洞開(kāi)挖、隧洞支護(hù)與襯砌等部分組成。從發(fā)電引水隧洞壓力狀態(tài)對(duì)經(jīng)濟(jì)流速的影響分析可見(jiàn)，無(wú)壓隧洞的經(jīng)濟(jì)流速比有壓隧洞的經(jīng)濟(jì)流速要小得多，加之要求無(wú)壓隧洞水面線以上的空間不宜小于隧洞斷面積的15%，這樣有壓隧洞的經(jīng)濟(jì)斷面積一般為無(wú)壓隧洞經(jīng)濟(jì)斷面積的50%～60%左右。這樣有壓隧洞的開(kāi)挖工程量要比無(wú)壓隧洞的開(kāi)挖工程量小得多。發(fā)電有壓引水隧洞多采用混凝土襯砌，對(duì)地質(zhì)條件好的Ⅰ、Ⅱ類圍巖的低壓隧道也可考慮采用不襯砌或錨噴襯砌，但不襯砌或錨噴襯砌隧洞的底部應(yīng)用現(xiàn)澆混凝土找平，厚度不宜小于100mm。無(wú)壓引水隧洞在穩(wěn)定性好的洞室中一般可采用不襯砌或噴射混凝土襯砌，對(duì)穩(wěn)定性較差的洞室一般采用混凝土襯砌或錨噴襯砌或鋼架支護(hù)以及各種組合式支護(hù)與襯砌。但一般情況下，無(wú)壓引水隧洞的襯砌要比有壓引水隧洞的襯砌簡(jiǎn)單一些，這主要是由于有壓隧洞要比無(wú)壓隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、防滲嚴(yán)格。

綜上分析可知，有壓引水隧洞橫斷面尺寸比無(wú)壓引水隧洞橫斷面尺寸小，因而有壓隧洞的開(kāi)挖工程量要比無(wú)壓隧洞小得多，但有壓引水隧洞的襯砌一般要比無(wú)壓引水隧洞投資增加較多，所以有壓引水隧洞與無(wú)壓引水隧洞的投資孰大孰小一般要通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定，但一般情況下有壓引水隧洞比無(wú)壓引水隧洞投資小。

2.2 對(duì)工程效益的影響

當(dāng)然發(fā)電引水隧洞的工程投資和工程效益是相輔相成的一對(duì)矛盾，但發(fā)電引水隧洞壓力狀態(tài)對(duì)工程效益的影響是不同的。無(wú)壓引水隧洞的沿程水頭損失只取決于隧洞比降（即斷面尺寸），而有壓引水隧洞的沿程水頭損失除取決于隧洞斷面尺寸外，還取決于流量（即流速）的變化。因?yàn)樵谒矶撮L(zhǎng)度和斷面尺寸確定的情況下，無(wú)壓引水隧洞的沿程水頭損失是恒定值，而有壓引水隧洞的沿程水頭損失是隨流量的不同而變化的，有壓隧洞的沿程水頭損失與流速（即流量）的平方成正比（有壓隧洞的局部水頭損失也與流量的平方成正比）。這樣有壓隧洞的平均沿程水頭損失一般為其設(shè)計(jì)水頭損失（即最大水頭損失）的20%～30%。

顯然，有壓隧洞的平均沿程水頭損失一般要小于無(wú)壓引水隧洞的設(shè)計(jì)沿程水頭損失。

2.3 對(duì)工程投資及效益的影響結(jié)論

一般情況下，發(fā)電引水隧洞采用有壓隧洞要比無(wú)壓隧洞的工程投資較小而發(fā)電量較大，即發(fā)電引水隧洞采用有壓隧洞一般要比無(wú)壓隧洞更為經(jīng)濟(jì)，這也符合SL279第4.1.1條“發(fā)電引水隧洞宜采用有壓隧洞”的規(guī)定。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上發(fā)電引水隧洞壓力狀態(tài)對(duì)引水建筑物型式及工程布置和工程投資及效益的影響分析可見(jiàn)，發(fā)電引水隧洞壓力狀態(tài)選擇對(duì)引水式水電站工程的影響是相當(dāng)大的，因此在進(jìn)行引水式水電站工程的設(shè)計(jì)中一定要重視發(fā)電引水隧洞壓力狀態(tài)的選擇；另一方面，采用有壓隧洞還是采用無(wú)壓隧洞，主要視工程布置、水力條件、地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)、工程安全等方面綜合考慮，如果在條件允許時(shí)，宜盡量采用有壓隧洞。這樣，作為設(shè)計(jì)工作者，一定要把“發(fā)電引水隧洞宜采用有壓隧洞”的觀念作為常態(tài)，而把“發(fā)電引水隧洞非采用有壓隧洞”作為非常態(tài)。無(wú)壓隧洞常用于隧洞斷面較小、地質(zhì)條件較差（如穩(wěn)定性較差的Ⅳ、Ⅴ類圍巖或土洞）的低水頭小型引水式水電站中，應(yīng)注重通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析比較加以論證后提出每個(gè)引水式水電站工程適宜的發(fā)電引水隧洞壓力狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

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