水电站课程教学中关于引水隧洞的探讨

闵志华

（重庆水利电力职业技术学院，中国 重庆 402160）

1 对比明渠，强调水电站发电隧洞的基本优缺点

发电隧洞包括引水隧洞和尾水隧洞，或者可分为无压隧洞和有压隧洞，它是水电站最常见的输水建筑物之一，与渠道相比，隧洞具有以下优点：

（1）可以采用较短的路线，避开沿线不利的地形、地质条件。在教学中，对比地形图很容易理解，让学生在地形图上勾出用渠道的线路，发现只能沿等高线布置，对沿线不利的地形、地质条件很难避免，而且要额外征地，现阶段修工程的征地是个大难题，可以告诉学生现在很多业主宁可多花钱投资在直接工程上，也不愿意投在具有巨大隐含风险的征地上，对于征地，舆论、政府都很关注，对于赔偿额的多少不能很好确定，还有遇到征地补偿不满意的还容易造成窝工甚至停工，还有舆论往往站在被征地人的角度上报道，由于不确定因素很多，对投资极为不利。相反，多花钱修隧洞，前期直接投入大，但省去了征地的麻烦，另外，由于隧洞是在山体里面，省去了不少运行管理费用，这些都是明渠不能比拟的。

（2）有压隧洞能适应水库水位的大幅度升降及水电站引用流量的迅速变化；

（3）不受冰冻影响，沿程无水质污染；

（4）运行安全可靠。

隧洞的主要缺点是对地质条件、施工技术及机械化的要求较高，单价较贵，工期较长。但随着现代施工技术和设备的不断改进，以及隧洞衬砌设计理论的不断提高，这些缺点正被逐渐克服。因此，隧洞获得了越来越广泛的应用。

2 结合地形、地质、施工等条件讲述隧洞的线路选择

隧洞路线直接影响其造价大小、施工难易、安全可靠程度以及工程效益。原则上，洞线应尽可能布置成进口与厂房或厂房与尾水出口间的最短直线，但实际上常由于种种原因而弯曲。隧洞选线中需考虑的主要因素有：

（1）地质条件。隧洞应尽量布置在地质构造简单、岩体完整稳定、岩石坚硬、水文地质条件有利的地区，洞线与岩层、构造断裂面及主要软弱带应有较大的夹角；在地应力很高的区域，隧洞应从围岩稳定考虑，洞线与最大永平地应力方向一致或尽量减小其夹角；要考虑隧洞漏水、岩体浸湿后失稳的可能性；要统筹考虑输水系统各建筑物及厂房的地质条件。

（2）地形条件。隧洞进出口处地形宜陡，进出口段应尽量垂直地形等高线，其洞顶围岩厚度宜不小于2倍的开挖洞径，配以合理的施工程序和工程措施后可保证洞口安全，洞身的埋藏深度应满足洞顶以上围岩重量大于洞内静水压力的要求；拟利用围岩抗力时，围岩厚度不应小于3倍开挖洞径；要利用山谷等有利地形布置施工支洞。

（3）施工条件。长隧洞的施工条件极为重要，应能利用地形每隔一定距离开凿一条施工支洞，比如平洞、竖井或斜井，配以相应的道路和附属企业，以增加工作面，加快施工进度。有压隧洞要设0.3%～0.5%的纵坡，以利施工排水及放空隧洞。

（4）水力条件。洞线尽可能直，少转弯；必须转弯时弯曲半径一般大于5倍洞径，转角不宜大于60°，以使水流平顺，减小水头损失。

3 隧洞水力计算的粗略教法

就水力特性而言，隧洞可以是无压的或有压的，发电隧洞中以后者居多。要避免在隧洞中出现时而无压时而有压的不稳定工作状态。无压隧洞的水力计算与渠道相同，以下只讨论有压隧洞的水力计算。

有压隧洞的水力计算包括恒定流及非恒定流两种。恒定流讣算常用曼宁公式，其目的是研究隧洞断面、引用流量及水头损失之间的关系，以便选定隧洞尺寸。非恒定流计算的目的是求出隧洞沿线的最大、最小内水压力，分别用以设计隧洞衬砌及决定隧洞高程，保证隧洞各点高程都应在最小压力线以下，以保证不出现负压。根据输水系统的组成情况和水力特性，非恒定流计算又分为三种情况：

（1）当引水隧洞末端或尾水隧洞首端无调压井时，隧洞的非恒定流计算即水锤计算。

（2）当隧洞末端或尾水隧洞首端建有能充分反射水锤波的调压室，比如简单圆筒式调压室时，隧洞的内水压力受库水位及调压室涌浪水位控制，此时可按有压水电站调压室的最高及最低水位计算，则水库最高水位与调压室最高水位的连线就是隧洞的最大内水压力坡降线，而水库最低水位与调压室最低水位连线为隧洞的最小内水压力坡降线。

（3）隧洞末端虽设有调压室，但其反射水锤波效果较差，比如阻抗式调压室阻抗孔口较小时，隧洞内的压力取决于水锤及调压室水位波动的共同作用。此时应取整个输水系统进行水锤、调压室水位波动联合分析。

4 结合明渠均匀流和水力学，对隧洞断面尺寸进行详细计算

常见的隧洞断面型式有圆形、直墙圆拱形（城门洞形）、马蹄形及高拱形等。有压隧洞常采用圆形断面。对于无压隧洞，地质条件良好时通常为直墙圆拱形，洞顶和两侧围岩不稳时采用马蹄形，洞顶岩石很不稳定时采用高拱形。

为了便于施工，按SL水利行业规范，隧洞的横断面尺寸至少宽1.8m、高2.0m，或内径不小于1.8m，而按DL电力规范，隧洞的最小施工横断面尺寸则为2.0m宽，这里可以简要介绍下我国水利和电力的区别，也算中国特色的，为什么出现这样的区别，可以提高学生的兴趣。发电隧洞的断面尺寸应根据动能经济计算来选定，其基本原理与前述渠道相同。每米长隧洞的水头损失可由曼宁公式求得：

式中n、Q、R、F分别为隧洞的糙率、流量、水力半径及过水断面面积。这里，可以告诉学生，其实这个公式就是前面明渠流量公式的改写形式，学生可以复习下，还可以告诉他们也就是水力学里面著名的谢才公式，这就简单了，都是相通的。

每米长隧洞的电能损失为：

式中：η——机组效率，为简化起见设为常数；

T——水电站年运行小时数。

由水能计算可得出一年内流量Q的历时曲线，一年以8760小时计，即T＝8760h。立方后得出Q3的历时曲线，该曲线以下的面积即式(7－5)中的积分值。若令表示Q3的平均值，即：

决定隧洞断面尺寸时，先拟定几个具有可比性的方案，求出每方案的水电站及替代电站的计算支出Ch及Ct，然后选择系统计算支出Cs＝Ch+Ct最小所对应的断面。

根据经验，有压隧洞中的经济流速一般在3～5m/s左右，在粗略估计时可以4m/s流速作参考计算隧洞直径。