吉沙水电站引水发电系统布置与设计

张红梅，高永辉，李金龙，刘海峰，孙海权

（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024）

吉沙水电站位于云南省迪庆藏族自治州小中甸镇硕多岗上，电站总装机容量120 MW （2×60 MW），是1座以发电为主的水利枢纽工程，为三等中型工程。工程由首部枢纽、有压引水隧洞、调压井、高压管道和地面发电厂房等组成。水库正常蓄水位3 132 m，死水位3 123 m，为日调节水库。电站额定水头485.00 m，单机发电流量14.37 m3/s，采用引水式开发，引水系统总长约15.58 km，为长引水工程，引水建筑物由首部进水口、引水隧洞、调压井及高压管道 （包括岔管）等部分组成。

1 引水线路的选择

工程区硕多岗河吉沙村～一家人河段全长20余km，落差500多m，平均比降达2.6%，非常适合采用引水式开发。硕多岗河蜿蜒曲折，右岸有两个大的回头弯道，若设计右岸引水方案，采用顺河道裁弯取直布置方式，引水隧洞共4次跨越硕多岗河，采用地下埋管与明管相间设计，跨河段设置管桥，设计复杂，施工难度较大，投资也将增加；若采用不跨河方案，引水线增长约2 km，不仅工程量增加较多，电站水头损失也较大。从工程布置，建筑物安全、工程造价、运行管理、施工进度及复杂程度等方面比较，左岸引水线路优于右岸引水线路，因此，吉沙水电站采用左岸裁弯取直的引水线路。

左岸山体连绵雄厚，引水线路可采用全埋藏式布置，为尽量减小洞线长度，基本采用顺河道裁弯取直布置，同时使引水隧洞顶部和侧向均满足覆盖层厚度要求，围岩不产生水力劈裂。隧洞上游部分走向为N297°E，下游部分走向转N320.75°W，上覆厚度90～25 m。调压井为引水系统衬砌形式变化的分界点，进水口～调压井段为压力引水隧洞，全长约14.47 km，设计水头约16～105 m，基本采用钢筋混凝土衬砌，调压井～厂房段为高压管道段，全长约1 074 m，设计水头较高，约110～650 m水头，采用地下埋管钢板衬砌。高压管道轴线方向为N36.152°E，采用1条主管斜井方案，设2条中平段，厂房前约38 m处分岔，分为2条支管下正向进厂。

2 地形、地质条件

2.1 地形及工程地质条件

本区大地构造位置处于三江印支褶皱系弧形转弯受急剧挤压而变窄部位，地质构造十分复杂，区内出露地层主要为石炭系、二叠系，另有泥盆系中上统、三叠系下统及第四系更新统。河谷为侵蚀深切型沟谷，两岸山体雄厚。河谷左岸主要为陡壁，坡度一般大于50°，右岸较缓，坡度35°左右。河床高程为3 114～3 110 m，宽20 m左右。工程区内地下水以喀斯特水和构造裂隙水为主，并发育少量孔隙水。

引水隧洞区地面高程均在3 150 m以上，最高达3 500 m，无横向深切沟谷，地形较完整。根据地层岩性分布的总体特征划分为北、中、南3个区段。

北段 （桩号S0+000～S5+200），从进水口至小马厂一带，全长约5 200 m，此段洞线依次穿越的地层岩性为：石炭系中下统结晶灰岩 （C1-2ls）、石炭系中下统砂质板岩 （C1-2sl）、石炭系中下统结晶灰岩 （C1-2ls）、 石炭系上统片理化凝灰岩 （C3mt）、石炭系上统片理化玄武岩 （C3mβ）、石炭系上统片理化安山岩 （C3mα）。北段主要断裂构造有：洞线在桩号1+905 m处与林场断裂 （F3）斜交，交角为15°（±）。 F3产状 NW330°， NE∠70°， 破碎带宽 1～5 m，为层面间张性断裂。

中段 （桩号S5+200～S8+500），从小马厂至三股水一带，全长约3 300 m，此段洞线依次穿越的地层岩性为：石炭系上统结晶灰岩 （C3ls）、石炭系上统片理化安山岩 （C3mα）、石炭系上统结晶灰岩（C3ls）、 石炭系上统砂质板岩 （C3sl）。 中段主要断裂构造有：洞线在桩号5+095左右，近于垂直通过冷都断裂 （F1）。 该断裂产状NE50°，NW∠70°， 为一多期活动断裂，规模较大，破碎带宽70～80 m，并形成岩层错动。洞线在桩号8+356处，以夹角25°（±） 通过山神庙断裂 （F2-1）， 该断裂产状NW340°，SW∠65°，为压性层间断裂，破碎带规模较小。

南段 （桩号S8+500～S14+467.39）， 从三股水至调压井，全长约5 967.39 m，此段洞线穿越的地层岩性为：三叠系安山玢岩 （T3αμ）、石炭系上统结晶灰岩 （C3ls）。南段主要断裂构造有：洞线沿线地质构造不发育，洞线方向与岩层走向近似平行，岩体完整性较好。

2.2 水文地质条件

水文地质条件方面，北段 （桩号0+115～0+941段），岩体主要为透水性较弱的砂质板岩，地下水主要为裂隙水，地下水埋深30～70 m；桩号0+000～0+115、0+941～1+942段，岩体主要为弱透水的结晶灰岩，地下水主要为裂隙水及少量岩溶水，地下水埋深10～60 m；桩号1+942～5+071段，岩体主要为隔水的片理化安山岩，只有F3断层带含水率较大，地下水埋深0～80 m。

中段 （桩号5+071～5+304段），主要为透水的冷都断裂破碎带，地下水主要为断裂破碎带水，地下水埋深40 m左右；桩号5+304～8+042段，岩体主要为弱透水的石炭系上统结晶灰岩和片理化安山岩，地下水主要为裂隙水和少量岩溶水，地下水埋深0～50 m；桩号8+042～9+131段，岩体主要为隔水的砂质板岩和安山玢岩，地下水主要为裂隙水，地下水埋深25～65 m。

南段 （桩号9+131～10+050段），岩体主要为透水性强的石炭系上统结晶灰岩，地下水主要为岩溶水，由于透水层上覆有不透水的安山玢岩和砂质板岩，该地段有两层地下承压水和潜水，潜水埋深约0～30 m，承压水水位约3 300 m；桩号10+050～11+435、11+634～14+517段，岩体主要为弱透水的石炭系上统结晶灰岩，地下水主要为裂隙水局部可能有岩溶水，地下水埋深15～160 m；桩号11+435～11+634段，岩体主要为透水的石炭系上统结晶灰岩，地下水主要为岩溶水，地下水埋深120～140 m。

3 进水口设计

电站进水口位于坝前约18 m的左岸，采用岸坡有压式进水口，沿NE70°方向进入引水隧洞。进水口洞脸岩体岩性为厚层状结晶灰岩，岩体属弱风化，节理不甚发育，稳定性好。

为保证电站进水口 “门前清”，电站进水口右侧拦河坝内设置1条排沙泄洪洞，进口底板高程3 112 m；在电站进水口门前约8 m处设有1道拦沙坎，拦沙坎坎顶高程为3 117.0 m。

考虑到硕多岗河汛期污物较多，进水口设有拦污栅和备用拦污栅。拦污栅孔口5.5 m×6.4 m，最大过栅流速为0.99 m/s。

由于引水隧洞较长，为保障引水隧洞的运行和维修，进水口处设有1道事故闸门，闸门孔口3.3 m×3.3 m，拦污栅和事故闸门底板高程均为3 116.0 m，检修平台高程为3 137.00 m，与坝顶同一高程，启闭设施为400 kN台车式启闭机。事故闸门后设圆形通气孔，孔径1.0 m；紧接为渐变段，由方形3.3 m×3.3 m渐变为圆形引水隧洞，内径为3.3 m，并开始降坡，坡比i=0.003 8。

4 引水隧洞设计

引水隧洞总长14.47 km，采用圆形断面，纵坡i=0.003 8，首部起坡点桩号S0+019，底板高程3 116.0 m，尾部接调压井，调压井中心线桩号14+467.393，底板高程3 061.085 m，调压井前后各设5 m长渐变段，与前后隧洞连接，调压井后至桩号S14+499.227处连接压力钢管，承受16～105 m内水压力水头，混凝土衬砌段内径3.3 m、喷锚衬砌段内径3.9 m，最大流速分别为3.36、2.41 m/s。

引水隧洞大部分为深埋隧洞，隧洞围岩大部分为结晶灰岩，部分安山岩和砂质板岩，其中Ⅱ类围岩长1 655.943 m，占11.45%；Ⅲ类围岩长6 009.15 m，占41.54%；Ⅳ类围岩长3 722 m，占25.72%；Ⅴ类围岩长3 066.3 m，占21.19%。

4.1 引水隧洞的开挖及支护设计

引水隧洞混凝土衬砌段内径统一为3.3 m，对应Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩的混凝土衬砌厚45、50、60 cm，考虑Ⅳ、Ⅴ类围岩开挖支护时喷混凝土的厚度，开挖直径分别为4.2、4.5、4.9 m。为保证沿程水头损失和混凝土衬砌段一致，喷混凝土段内径为3.9 m，喷混凝土厚15 cm，开挖直径4.2 m。Ⅱ、Ⅲ类围岩开挖支护顶部90°范围内采用随机锚杆φ22，L=2.5 m，深入岩石2.4 m，随机喷混凝土C20厚5 cm；Ⅳ类围岩开挖支护为系统锚杆φ22@1.2 m×1.2 m，L=2.5 m，深入岩石2.4 m，梅花形布置，喷混凝土C20，厚10 cm，挂网钢筋φ8@15 cm×15 cm。

Ⅴ类围岩因围岩极不稳定，开挖支护采用全断面钢格栅拱架支护，格栅断面14 cm×14 cm，间距60～100 cm，并在顶拱140°范围内设φ40超前管棚，环向间距30 cm，L=3.0 m，倾角 （向上）5°。全断面设系统支护锚杆φ22@1.0 m×1.0 m，L=2.5 m，深入岩石2.4 m，梅花形布置，喷混凝土C20，厚20 cm，挂网钢筋φ8@15 cm×15 cm，对于Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段应减小循环进尺，Ⅴ类围岩不得大于1 m，并加强排水，出渣后及时完成全断面支护。

对于隧洞中出现的溶洞，采取在溶洞口扩挖回填混凝土塞的方式处理，混凝土塞周围用锚杆支护，混凝土塞表面设表层钢筋网。

4.2 引水隧洞衬砌结构设计

引水隧洞衬砌结构设计的基本原则为：①吉沙电站引水隧洞内水压力较大，引用流量较小，故减少水量渗漏损失较为关键。②由于Ⅳ、Ⅴ类围岩不稳定或极不稳定，故均按钢筋混凝土衬砌设计。③Ⅲ类围岩板岩、安山岩段，围岩稳定性较差，故采用钢筋混凝土衬砌；Ⅱ、Ⅲ类围岩灰岩溶洞发育段、节理裂隙密集带及渗水严重地段，均采用钢筋混凝土衬砌，其余洞段则采用锚喷衬砌；衬砌形式的确定还根据其两端衬砌形式综合考虑，尽量减少局部衬砌形式的频繁变化，以减少水头损失。④在保证设计安全的前提下，尽可能地简化设计，保证工期。

钢筋混凝土衬砌内径均为3.3 m，Ⅲ类围岩部分混凝土衬砌厚度45 cm，Ⅳ类围岩混凝土衬砌厚度50 cm，Ⅴ类围岩混凝土衬砌厚度60 cm；对于Ⅱ类围岩和部分较好的Ⅲ类围岩采用喷混凝土衬砌，内径3.9 m，喷混凝土C20厚度为15 cm，挂网钢筋φ8@15 cm×15 cm，短锚杆与岩壁连接。

喷混凝土衬砌段，考虑围岩有自稳作用，根据工程经验类比及规范要求，喷混凝土厚度定为15 cm，挂钢筋网支护，满足结构稳定要求。隧洞计算内水压力按进水口至最高调压井涌浪水位线性分布计算，为16～105 m水头。外水压力按天然地下水压力折减计算。根据DL/T 5195—2004《水工隧洞设计规范》进行隧洞混凝土配筋计算。在承载力极限状态下，分别进行持久状况及偶然状况对计算断面进行配筋计算，确定配筋；再在正常使用极限状态下，验算裂缝开展宽度。

经计算隧洞沿线配筋为：45 cm混凝土衬砌厚度为 5φ14单筋～5φ22双筋，50 cm混凝土衬砌厚度为5φ16双筋～5φ36双筋，60 cm混凝土衬砌厚度为5φ18双筋～6φ36双筋。

4.3 引水隧洞灌浆设计

引水隧洞固结灌浆设计根据围岩承受的内水压力，分段确定灌浆压力等级。引水隧洞钢筋混凝土衬砌顶拱90°～120°范围内回填灌浆孔φ50 mm，深入岩石3.0 m，排距2.5 m，每排1～2孔，梅花形布置，兼做固结灌浆功能；固结灌浆孔φ50 mm，深入岩石3.0 m，排距2.5 m，每排5孔，梅花形布置。钢筋混凝土衬砌段回填灌浆压力0.3～0.4 MPa，固结灌浆取1.0～1.5倍内水压力。

Ⅱ、Ⅲ类围岩喷混凝衬砌段的固结灌浆，要求固结灌浆前先打压水检查孔进行压水试验，若喷混凝土段围岩透水率小于标准要求1.0 Lu，可不进行灌浆；1.0～1.5 Lu可由监理根据超标情况具体确定是否进行固结灌浆；大于1.5 Lu时必须灌浆。

4.4 引水隧洞集石坑及检修门设计

引水隧洞施工期全线设有6条施工支洞，为防止碎石泥沙流入到水轮机中，在3、6号施工支洞处分别设置1、2号集石坑，集石坑采用城门洞形断面，集石坑底部宽3.0 m，高1.3 m，长15 m，集石坑两端设5 m长渐变段与正常洞段连接。为方便隧洞检修及1、2号集石坑出碴，在3、6号施工支洞设置了检修门及检修廊道，检修廊道高1.8 m，宽1.0 m。

5 调压室设计

5.1 布置及体形

调压井位于厂房后山坡地面约3 175 m高程处，调压井顶面高程为3 170.0 m，底板高程3 065.89 m，采用圆筒阻抗式。井身高104.11 m，中心桩号S14+467.393，调压室断面内径7.5 m，断面面积A=44.18 m2，阻抗孔为内径1.6 m的圆形断面，根据调保计算，调压井满足稳定、涌浪及补水要求。最高涌浪水位3 167.4 m，最低涌浪水位3 070.83 m。调压井采用80 cm厚钢筋混凝土衬砌，双层配筋。

为方便高压管道的运行维修和避免事故扩大，高压管道首部即调压井后设有1道快速事故闸门，闸门井中心线桩号S14+472.943，闸门检修平台与调压井顶面同高，为3 170.0 m高程，露于地面。闸门孔口尺寸为3.0 m×3.3 m。闸门井位于调压井下游，与调压井结构连为一体。

5.2 开挖支护及灌浆设计

调压井围岩为结晶灰岩，围岩以Ⅱ～Ⅲ类为主，局部为Ⅳ～Ⅴ类岩石。施工期上部30 m范围内采用喷8 cm厚C20混凝土，锚杆φ22@1.5 m×1.5 m，L=2.5 m，下部支护只设锚杆不喷混凝土。闸门井支护型式与调压井相同。

固结灌浆设计根据围岩承受的内水压力，分高程段确定灌浆压力等级。固结灌浆孔φ50，深入岩石3.0 m，间排距3.0 m，梅花形布置。固结灌浆由下至上进行，调压井底座顶板的固结灌浆孔兼回填灌浆孔功能，固结灌浆压力3 141.0 m高程以上采用0.5 MPa，3 141.0～3 109.4 m高程采用 1.0 MPa，3 109.4 m高程以下采用1.5 MPa。具体灌浆压力值应根据技术规范要求通过试验确定。

6 高压管道设计

6.1 高压管道布置

高压管道位于调压井至厂房之间，由1条高压主管、岔管和两条高压支管组成，总长度约为1 074 m。高压管道采用斜井布置，倾角60°，由上平段、上斜井、上中平段、中斜井、下中平段、下斜井及下平段组成。

上平段长约36.83 m，采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度60 cm，方向与引水隧洞相同，纵坡i=0.003 8，上平段与上斜井间设一空间弯管，平面走向转为与厂房轴线垂直，为NE36.152°，立面转向上斜井；上斜井倾角为60°，倾角与地表陡崖坡度基本相同，长219.72 m （包括上、下弯管段长），钢衬厚度12～22 mm；上中平段中心高程为2 890.00 m，长40.0 m，钢衬厚度22 mm；中斜井倾角为60°，长193.08 m（包括上、下弯管段长），钢衬厚度22～32 mm；下中平段中心高程为2 735.00 m，长160.0 m，钢衬厚度32 mm；下斜井倾角为60°，长183.26 m （包括上、下弯管段长），钢衬厚度34～42 mm；下平段中心高程与机组安装高程相同，为2 588.50 m，长207.18 m，内径2.3 m，断面平均流速6.72 m/s。

在距厂房中心线约38 m处布置高压岔管，岔管将高压主管分成2条高压支管，高压主管内径为2.3 m、支管内径为1.4 m。岔管采用对称 “Y”形内加强月牙肋型钢岔管，分岔角为70°，最大公切球直径2 696.6 mm。钢材采用国产07MnCrMoVR调质钢，按明管设计。岔管最大厚度为46 mm，肋板厚度为 112 mm，岔管重 13.45 t。支管采用国产07MnCrMoVR调质钢，内径为1.4 m，流速9.33 m/s。岔管及支管采用明挖，镇墩混凝土高8.5 m，顶高程2 592.65 m，碎石回填至2 599.15 m高程。

6.2 开挖支护设计

压力管道开挖断面为圆形，直径为4.0、3.66 m（下平段），为保证开挖和钢管安装安全，Ⅱ～Ⅲ类灰岩段设计进行随机喷锚支护，Ⅳ～Ⅴ类围岩段进行系统喷锚支护。锚杆长2.6、3.1 m，直径22 mm，间排距 2.5 m×3 m，喷混凝土厚80～100 mm，局部破碎岩体，挂钢筋网φ6.5 mm、间排距15 cm×15 cm。F2-2断层段进行扩挖1.0 m，并进行C15素混凝土置换。

6.3 高压钢管及岔管结构设计

压力钢管为地下埋藏式，按埋管计算，钢管结构构件的抗力限值按地下埋管取值，全部管道不考虑围岩分担，内水压力由钢板单独承担，不进行固结灌浆，简化施工。中平段和下平段进行回填灌浆。为保持围岩的整体性和完整性，在钢衬段与混凝土衬砌段交接处、断层破碎带段及隧洞出口段进行固结灌浆。岔管及支管按明管设计，基础进行固结灌浆。

根据水力过渡过程仿真计算成果，发生在配水管处的最大水击压力上升为611.08 m水头，压力上升13.62%，考虑到机组特性、计算模型简化等对过渡过程计算的影响，设计采用的最大设计内水压力留有富裕，取652.2 m水头，相当于静水头的1.2倍。各管段水击压力升高按线性变化计算。

根据DL/T 5141—2001《水电站压力钢管设计规范》计算，钢板考虑2 mm锈蚀厚度，因此钢板厚度12～42 mm。加劲环上斜井段设置1 000 mm×20 mm×150 mm （间距×厚度×高度）的加劲环，其他部分按构造要求设加劲环，设置800 mm×16 mm×120 mm （间距×厚度×高度）的加劲环。