哈萨克斯坦玛依纳水电站引水隧洞设计特点

程 春，马 林

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 工程概况

玛依纳水电站位于哈萨克斯坦共和国东南部阿拉木图州莱姆别克区的伊犁河左岸一级支流——恰伦河上，为一座综合性水利枢纽，主要任务为发电，其次是灌溉。电站为混合式开发，其主要建筑物由首部大坝枢纽、右岸地下引水系统和地面厂区枢纽等建筑物组成。当地材料坝，坝高94.0m，总库容2.38×107m3，引水隧洞全长4 913m，压力管道主管长4 322m，设计水头约500m，发电引用流量74.0m3/s，电站装设2台冲击式水轮机，装机容量300MW(150 MW×2)。

2 工程地质及水文地质条件

2.1 工程地质条件

玛依纳水电站引水发电枢纽区地层主要为石炭系下统克特缅组(C1t-V1kt)火山岩，厂区附近有奥陶系上统(γO3)花岗岩侵入。电站大坝和主要建筑地段场地的地震烈度为MSK-64烈度表的IX度。

根据玛依纳水电站引水隧洞地下洞室开挖揭示的地层岩性、构造、物理地质现象、地下水活动状态、岩体结构类型以及垂直埋深等，按照规范确定的围岩分类标准，引水隧洞围岩物理力学指标值详见表1。

表1 玛依纳水电站地下洞室围岩分类及岩体力学参数建议值

注：Ⅳ1为Ⅳ类偏好围岩，Ⅳ2为Ⅳ类偏差围岩。

2.2 水文地质条件

工程区属大陆性干旱少雨气候区，地下水补给源主要为雨季降雨和冬季降雪，大气降水补给相对较少。引水隧洞区进口段及末端地下水活动弱，洞段多干燥；苏尔坦别克萨依沟、1号支洞沟以及其间洞段其地下水活动相对较活跃，且主要集中于汇水面积相对较大的苏尔坦别克萨依沟、1号支洞沟附近洞段。其余部位地下水活动弱，洞段多潮湿～干燥。

根据哈方工程师对引水隧洞区环境水样和地下水样的水化学分析复核试验表明，恰伦河水对钢筋混凝土中的钢筋具中等侵蚀性，HCO31-对于抗渗性为W4的混凝土具弱侵蚀性，而对于抗渗性为W6和W8的钢筋混凝土则为非侵蚀性。

3 引水隧洞布置设计

引水系统主要由有压引水隧洞、调压井和压力管道等建筑物组成。

鉴于引水隧洞区的地质条件较差、隧洞所承受的内水压力较大，并结合引水隧洞区地表平缓、沿线沟脊相间起伏较大的地形特点，隧洞布置设计中在满足“挪威准则”的前提下抬高了隧洞的底板高程，以降低隧洞内水压力并减小隧洞的结构设计难度和减少钢筋量，同时缩短施工支洞的长度以节省工期。结合引水隧洞进水口及调压井位置，隧洞在平面布置上设置了2个转弯点，立面上设置了1个转弯点，洞线全长4 913m。

为满足隧洞开挖和衬砌的需要，引水隧洞共设置2条施工支洞；为便于隧洞的检修，在2号施工支洞与主洞交汇处设置了手推式钢闸门作为永久检修通道。

引水系统平面及纵剖面布置示意见图1。

图1 引水系统平面及纵剖面布置示意

4 引水隧洞结构设计

4.1 引水隧洞设计内压、衬砌断面及衬砌材料确定

引水隧洞承受的内水压力随水库水位和调压井涌浪的变化而变化，其控制内水压力按水库正常蓄水位1 770.0m和调压室最高涌浪水位1 787.61m确定，因此，隧洞沿线承受的最大内水压力为0.52(隧洞进口处)～1.83MPa(调压井处)。

通过经济洞径比较，确定隧洞内径D=5.6m；鉴于圆形断面具有更优的水力学条件和结构受力条件，确定隧洞内断面为圆形；考虑工程区的气候条件(冬季寒冷而漫长)和地下水的侵蚀性，隧洞衬砌材料指标为C20W8F100。

引水隧洞除末端的过沟段外，其余洞段的垂直埋深和水平(或侧向)埋深均满足挪威准则，故采用钢筋混凝土衬砌结构。其衬砌结构形式为：

(1)Ⅲ类围岩洞段采用单层钢筋混凝土衬砌，衬厚35cm(含临时支护)；

(2)Ⅳ类围岩洞段采用单层或双层钢筋混凝土衬砌，衬厚60cm(含临时支护)；

(3)Ⅴ类围岩洞段采用双层钢筋混凝土衬砌，衬厚60cm(含临时支护)。

4.2 引水隧洞结构设计原则、计算工况及配筋

结合隧洞沿线的岩性、围岩类别、上覆岩体厚度及内外水压力等情况，隧洞钢筋混凝土衬砌结构设计中主要采取了如下原则：

(1) 在满足规范要求的最小衬厚前提下，尽量减小衬砌厚度，以减小开挖断面并提高其断面含筋率；

(2) 在便于施工的前提下，相等的配筋面积宜采用细钢筋、密布置的方式，以改善衬砌的受力条件并限制衬砌裂缝的开展；

(3) 配筋除满足钢筋容许应力σ要求外，并满足裂缝开展宽度δf要求；

(4) 采取固结灌浆，以提高围岩承载力、增强围岩的抗渗性。

钢筋混凝土衬砌承载能力按正常使用极限状态设计，最大裂缝宽度允许值δf≤0.25mm。

隧洞钢筋混凝土衬砌结构计算主要考虑三种工况，即：施工工况、运行工况和检修工况。计算中对Ⅲ、Ⅳ类偏好(Ⅳ1)和Ⅳ类偏差(Ⅳ2)围岩的fk(岩体坚固系数)和K0(弹性抗力系数)取中值，对Ⅴ类围岩的fk和K0取上限；根据围岩的产状、地下水情况、断层及裂隙发育等具体情况，初期支护时对Ⅴ类围岩基本都进行了钢架支护，对部分Ⅳ围岩进行了喷锚支护，对部分Ⅲ类进行了随机喷锚支护，引水隧洞地下洞室基本处于稳定状态；根据(DL/T5195-2004)《水工隧洞设计规范》中有关规定：“根据监控量测，若初期支护已能满足围岩稳定要求时，二次支护可不计或少计围岩压力”；“当作用荷载对结构受力有利时，其作用分项系数取为0.0”，因此，运行工况时不计围岩压力和地下水压力。

正常使用极限状态荷载效应组合见表2。

表2 正常使用极限状态荷载效应组合

圆形有压隧洞衬砌静力计算按(DL/T 5195-2004)《水工隧洞设计规范》附录G中公式进行计算。

根据内水压力和围岩指标、钢筋设计值等参数，经计算，最终的配筋如下：

Ⅲ类围岩洞段采用单层钢筋混凝土衬砌，环向受力筋直径为Φ16～Φ22，间距为0.2m；纵向架立筋直径为Φ16，间距为0.2m。

Ⅳ类围岩洞段采用单层或双层钢筋混凝土衬砌，环向受力筋直径为Φ16～Φ32，间距为0.1～0.2m；纵向架立筋直径为Φ12～Φ25，间距为0.2m。

Ⅴ类围岩洞段采用双层钢筋混凝土衬砌，环向受力筋直径为Φ25～Φ32，间距为0.071 5～0.143m；纵向架立筋直径为Φ20～Φ25，间距为0.2m。

4.3 回填灌浆

为使衬砌与围岩紧密贴合，以使围岩承受一部分内水压力并保证围岩压力均匀传递于衬砌上，对引水隧洞钢筋混凝土衬砌段顶拱进行了回填灌浆设计。回填灌浆孔深入围岩10cm，采用1孔或2孔交替布置，1孔时位于洞顶，2孔时孔中心线夹角为60°，对称于隧洞中心铅垂线，灌浆孔排距250cm；回填灌浆采用填压式灌浆法，要求在衬砌混凝土达到70%设计强度后按分区和分序原则进行，灌浆压力采用0.3MPa。

4.4 固结灌浆

为加固围岩，提高围岩承载能力和减少渗漏，对引水隧洞钢筋混凝土衬砌的Ⅳ类和Ⅴ类围岩洞段进行了固结灌浆设计。每250cm布置一排固结灌浆孔，每排均布8孔，灌浆孔深入基岩4.0m，相邻两排成梅花型交错布置。固结灌浆应在该部位的回填灌浆结束7d后按环间分序、环内加密的原则进行。固结灌浆压力按1～2倍内水压力设计，为0.8～2.5MPa，根据衬砌洞段所处位置(内压)和地质条件分别采用不同的灌浆压力标准，隧洞围岩固结灌浆要求灌后岩体透水率≤3Lu。

引水隧洞回填及固结灌浆孔布置见图2。

图2 引水隧洞回填及固结灌浆孔布置示意

5 施工期物探检测及动态设计

(1)在引水隧洞开挖期间，采用地质雷达对掌子面前方20～30m范围内的围岩进行超前预报，其

预报准确率达95%，为隧洞的开挖及支护提供了可靠的依据，确保了开挖施工安全。隧洞开挖完成后，采用声波波速测试对隧洞进行松动圈检测，以判别围岩松驰深度，为围岩类别划分及加固处理、隧洞永久衬砌提供了依据。隧洞衬砌完成后，采用地质雷达对衬砌厚度、钢筋分布、混凝土密实度及顶拱脱空情况等进行了检测，确保了衬砌质量。

(2)设计之初，对引水隧洞钢筋混凝土衬砌的Ⅳ1和Ⅳ2类围岩洞段均提出了固结灌浆要求，但在现场的固结灌浆实施过程中，为了检测灌浆效果，项目部对部分Ⅳ类和Ⅴ类围岩进行了灌前和灌后的物探声波检测，经对比分析，部分Ⅳ1类围岩灌前波速为4 000～5 500m/s，灌后波速为5 500～6 000m/s，平均波速提高率仅为4.1%；另外，根据施工单位提供的围岩固灌前后压水试验透水率和灌浆吸浆量等资料，部分Ⅳ1类围岩固灌前平均透水率≤3Lu，且吸浆量非常小；综合上述情况，设计经研究和分析后取消了引水隧洞(隧)1+510～4+084m间深埋洞段Ⅳ1类围岩的固结灌浆，节约了工程量并节省了工期。

6 结 语

(1) 为了及时合理的反映引水隧洞的工作状态，为电站在施工期、充水期和运行期的安全提供依据，在引水隧洞围岩较差的0+330m和2+590m处衬砌断面中分别设置了钢筋计，对衬砌结构中的钢筋进行应力监测。通过对观测资料的整理和观测数据的分析，隧洞衬砌钢筋的实际应力均小于设计内压时的计算钢筋应力，衬砌钢筋有适当优化的余地。

(2) 玛依纳水电站于2011年12月底对引水系统进行充水并发电，电站运行情况良好。该电站的引水隧洞结构设计表明，围岩为承载的主体，在满足隧洞上覆岩体厚度准则且围岩强度较高、完整性好的前提条件下，高内压的引水隧洞采用较薄的钢筋混凝土衬砌是完全可行的。本工程引水隧洞钢筋混凝土衬砌段最大设计内压P接近2.0MPa，洞径D为5.6m，PD值>1 000，而最大衬厚仅0.6m(含临时支护)，因此，在隧洞上覆岩体厚度增加、围岩完整性更好和强度更高的前提下，其设计内压还可适当增大。

(3) 通过适当的地勘(如钻孔、声波检测等)和试验(如压水、磨片等)等工作，对围岩的类别和岩体力学参数等基础数据进行细化，不仅利于精细化设计，从而节约工程量和投资，而且可以节省工期，达到了“快而省”的目的。

致谢：本文得到了成都院水道处教授级高工刘朝清的悉心指导和帮助，在此深表感谢！