长引水式电站隧洞支洞斜坡卷扬道设计

张理理，何 良，周德彦

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，成都 610072)

1 工程概况

出居沟水电站引水线路全长12534.302m，隧洞进口底板高程1794m，调压井处底板高程1550m，隧洞穿越区沿线山体雄厚、地形陡峻、沟谷深切，山顶海拔高度一般3000～3500m，临谷高差1000～1500m，属典型的高山峡谷地貌。沿线冲沟发育，规模相对较大，沟床坡降一般10%～30%。隧洞围岩岩质类型主要为前、后段板岩、片岩类，中段碳酸盐岩类，主要断层、地层走向均与洞线大角度相交。

引水隧洞施工支洞控制段主洞工作面地处冲沟地段，隧洞埋深约78m，隧洞纵坡i=0.00401，开挖断面为底宽3.6～4.5m、高3.6～4.45m的城门洞形，衬后断面为圆形，衬后直径3.3m。过沟段采用钢板衬砌外包钢筋混凝土的方式，钢衬内径为2.4m。根据地质勘探初步判定该洞段围岩以Ⅳ1类为主 (约占60%)，其次为Ⅳ2和Ⅲ类。该施工支洞紧邻“蜂桶寨国家级自然保护区”，为避免施工对该自然保护区造成影响，支洞洞口的布置受到一定限制，支洞洞口设计高程1674m，而该支洞控制段主洞底板高程1562.26～1556.40m，垂直高程约111.74～117.6m，施工难度较大。

2 斜坡卷扬道布置

通常，以下两种情况较常使用斜坡卷扬道进行施工:a当物料运输起始端与终止端高程相差较大、地形相对陡峭、公路和铁路的布置较困难;b物料运输量不大但修建道路工程量较大，修路方案不经济。斜坡卷扬道是通过卷扬机钢绳牵引矿车组运输物料的方式，选取的矿车容积一般为0.6m3或1.0m3，轨距参数600mm，提升速度2～4m/s，斜坡道长度一般小于500m。斜坡卷扬道大部分布置为直线，线路的坡度一般小于25°，如果采用台车或者斗箕运输，其坡度可以相应提高，但一般不超过40°。

引水隧洞施工支洞口设计高程1672m，到达主洞高程1560.9m，支洞洞口至主洞交点垂直高差约为111.1m，水平长度仅为478m，纵坡达到14°，起始端与终止端高程相差较大，公路和铁路的布置也较困难。根据引水隧洞的洞线布置特点，结合隧洞沿线地形、地质条件及施工总进度计划要求，经比较后，引水隧洞施工支洞设计最终选取为斜坡卷扬道型式 (洞内斜井)(见下图)。采用斜坡卷扬道方式布置，施工支洞长492m，其中斜坡卷扬道长467m，上部平车场长度考虑15m，下部平车场长度考虑10m。

3 卷扬道设计参数选择

卷扬机的设计参数包括运输强度、荷载能力及运输尺寸。下面通过卷扬机的运输内容，分项目论证卷扬机的最大设计参数值。

施工支洞段斜坡卷扬道主要负责以下项目的运输:a支洞控制段的开挖出渣;b支洞工作面的混凝土衬砌的钢筋和混凝土等材料运输;c支洞工作面衬砌钢管管节运输;d支洞工作面的施工机械运输。

3.1 出渣

斜坡卷扬道负担引水隧洞施工支洞上下游工作面开挖的出渣。该控制段围岩60%洞段为Ⅳ类围岩，全断面开挖面积18.08m2，循环进尺为2.0m，每循环渣量36.16m3，出渣时间由挖装设备控制。支洞工作面采用LZ—100立爪装岩机装渣，5t自卸汽车运输，出渣时间约为2.5h，每小时出渣方量14.5m3，岩石自然容重约2700kg/m3，故隧洞开挖的平均小时出碴强度为39.15t，高峰时每小时出渣强度为57t。支洞上游控制段较短，工期较为宽松，故两个工作面同时施工时出渣时段可错开，斜坡卷扬道运输强度由单工作面控制，故斜坡卷扬道设计每小时出渣强度为57t。

3.2 材料运输

永久支护施工包括钢筋混凝土浇筑及喷锚支护，支洞工作面引水隧洞为钢筋混凝土衬砌，部分洞段有钢衬。经计算，混凝土衬砌强度为21m3/h。由于混凝土系统设置在引水隧洞支洞口，故斜坡卷扬道只负责钢筋、混凝土等材料运输。由于该工程主要为洞内衬砌混凝土，混凝土施工强度不高，同时材料运输也可分批运输，比较灵活。

3.3 钢管管节运输

支洞工作面钢衬内径2.4m，最大壁厚约16mm，管节长3m，单节最大运输重量约2.84t，运输尺寸φ3.4m×3m(考虑加劲环)。

3.4 施工机械运输

施工设备的最重件为LZ—100立爪装岩机，自重约8.8t;最大件为2.5m3混凝土搅拌车，外形尺寸为7.4m×2.5m×3.8m，自重为8.1t。

综合以上分析，斜坡卷扬道设计运输强度由出渣控制，为57t/h;斜坡卷扬道设计载荷能力由立爪装岩机控制，为8.8t;设计运输尺寸由钢衬管节、自卸汽车控制，为3.4m×3.8m。根据以上情况，考虑辅助运输设备自重等因素，斜坡卷扬道设计载荷能力10t，并满足钢衬管节、自卸汽车的运输尺寸要求。

本文中所提到的智慧旅游，是指利用网络信息技术，借助移动终端设备，以APP、微信等移动互联网应用程序为智能平台，一方面将大别山旅游资源进行整合，满足游客的不同需求，强调游客信息获取的主动性及便利性；另一方面，为大别山景区的经营方面提供了一个方便而又高效的软件销售平台。

4 卷扬道设备选择计算

该斜坡卷扬道的设计参数为:斜坡长度467m，上部平车场长度15m，下部平车场长度10m。斜坡卷扬道分单钩斜坡卷扬道和双钩斜坡卷扬道两种，分别计算如下:

4.1 单钩斜坡卷扬道

单钩斜坡卷扬道一次牵引循环时间 (Tjt)由斜坡卷扬道长度 (L)、上部平车场长度 (Lsh)、上部平车场长度 (Lsa)、平车场休止时间 (Qp，可取30～60s)、斜坡道运行平均速度 (vpj，视运输长度而定，一般取 0.75～0.9vmax;当运距≤300m时，vmax为2.0m/s;当运距＞300m时，vmax为4.0m/s)以及平车场线路的运行速度 (vp)确定，其计算公式为［5］:

按卷扬机运行速度vmax4m/s、平车场线路运行速度0.3m/s(考虑采用人工推)计，取平车场休止时间60s，则一个循环时间Tjt为552s。每小时可以牵引的次数为6.52次。

一次需要牵引的矿车数(n)由小时运输能力(Qs)、Tjt、矿车有效载重(Gx)确定，而Gx由装载系数(Gm，当坡道倾角小于 25°时取 0.9，25°～30°时取0.8)、料物堆积容重 (γ)，以及矿车容积 (Vr)确定，其计算公式如下［5］:

为满足小时运输强度57t/h，Gm取0.9，γ为石渣自然方容重1850kg/m3，矿车容积为1.0m3，需斗车容量5.91m3。此时斜坡斜坡卷扬道设计载荷能力需提高至12t方能满足要求。

单钩卷扬机最大静拉力 (Fmax)由最大载重(Gmax，Gmax=γVr)、矿车自重 (Gt)、矿车运行阻力(f1，一般取0.01)、钢绳运行阻力系数 (f2，用上部托辊绳时采用0.5～1.0，用下部托辊绳时采用0.15～0.4)以及钢绳单位长度重 (Ps)确定，其计算公式如下［5］:

按f2取0.75(参照狮子坪工程)，Ps选取为绳6×19型交互捻钢丝绳，直径40mm，单位参考重量为5.71kg/m，则单钩最大静拉力7100kgf。

则单钩卷扬机所需电动机提升功率为393.0kW。

4.2 双钩斜坡卷扬道

双钩斜坡卷扬道一次牵引循环时间 (Tjt)计算公式如下［5］:

式中，各L、v值及Qp意义与单钩相同。小时牵引数、一次牵引矿车数计算公式与单钩相同。

双钩斜坡卷扬道一个循环时间为277s，需斗车容量2.96m3，此时斜坡卷扬道设计载荷能力仍然由最大件控制，为10t。

双钩卷扬机最大静拉力 (Fmax)计算公式如下［5］:

式中，各符号代表意义与单钩相同。电动机提升功率计算公式与单钩相同。

则双钩静拉力差为4185.5kgf，计算功率为232.0kW，为单钩功率的0.58倍。

4.3 设备选择

采用单钩斜坡卷扬机，功率太大，需选用3.5m以上的大直径卷扬机，加大了设备的制造、安装难度，且后期运行也很不经济。采用双钩斜坡卷扬机，高峰小时出渣强度为57t，为转料和调节出渣强度，在斜坡卷扬道底部需设一个储料仓，断面3.5m×3.5m×4.0m，储量容量为62t。

比较后，推荐采用双钩斜坡卷扬道方案。

结合上述计算，该水电站 (双钩)斜坡卷扬道所选设备为:

双滚筒 GKT2×1.5—20卷扬机 1台 (功率310kW)，电气控制设备1套;钢丝绳采用6×19—40型。自制斗车 (3m3)2台。自制混凝土罐2个。10t电动葫芦 (功率13kW，H=12m)2台。

5 施工方法

出居沟水电站引水隧洞开挖断面较小，开挖断面为 (3.6～4.5)m× (3.6～4.45)m的城门洞形，考虑选用5t自卸汽车作为主要的开挖运输工具，混凝土搅拌车作为混凝土运输工具。主支洞均考虑单车道运输，为方便错车，每隔200m设会车道。支洞洞口布置一个装卸料工作平台，在斜坡卷扬道下部设置装卸料工作平台及一个3.5m×3.5m×4.0m的储料仓。

5.1 出渣

在施工过程中，隧洞的开挖洞渣由5t自卸汽车运输自卸入储料仓，经振动给料机给料进入储料仓旁的底卸式矿车，矿车由人工推运到斜坡卷扬道的自制斗车内，由卷扬机牵引自制斗车到支洞出洞口的下平台 (1672.0m高程，支洞口高程)，在此平台高程设有钢结构排架和10t的电动葫芦，由电动葫芦吊运矿车到洞口上平台 (1674.0m高程)，转5t自卸汽车运输至渣场。

5.2 物料运输

向洞内运输的物料有施工设备、混凝土、锚杆、钢筋等。施工设备由卷扬机牵引钢丝绳直接吊运至斜坡卷扬道底部;锚杆、钢筋由卷扬机牵引自制斗车吊运至斜坡卷扬道底部;运输混凝土时由卷扬机牵引自制混凝土罐吊运至斜坡卷扬道底部。平台均设有钢结构排架和10t的电动葫芦以满足物料的垂直运输需要。

物料运输时，均由装卸料工作平台顶层的电动葫芦吊运至相应运输设备 (5t自卸汽车及混凝土搅拌车除外)，运输设备在货物自重作用下，由卷扬机牵引下滑到轨道尾部的装卸料工作平台，在轨道末端设卡死装置，防止台车冲撞平台。台车到达平台后由人工将运输设备沿轨道推到平台中部，混凝土由自制混凝土罐直接卸入平台下部的混凝土搅拌车中，锚杆、钢筋则需用人工进行二次转运。

6 已实施工程

6.1 狮子坪水电站

狮子坪水电站压力管道中平段支洞至上平段支洞洞口间地形陡峻，根据其洞口的地形条件，可能的运输方案有公路、索道、斜坡卷扬道方案，经比较后最终采用双钩式牵引斜坡卷扬道 (露天)。根据国内斜坡卷扬道的实际运用情况，斜坡卷扬道适合的坡度在45°以下。压力管道中平段支洞至上平段支洞洞口附近的自然边坡约37°，在技术上满足斜坡卷扬道的使用条件。

该斜坡卷扬道上平台高程2394m，下平台高程2226m，垂直高差168m，卷扬机道总长289m。工程开工时间为2005年11月15日，土建、金结、安装及调试于2006年4月完成，2006年5月投入运行，总工期5.5个月。运行期间，根据开挖出渣运输测算，运输小车容积8m3(约15t)，运行速度:重载为1.0m/s，空载为1.9m/s，每循环 (上料、运输、卸料)运行时间约18min，折合50t/h，基本满足设计要求。狮子坪工程斜坡卷扬道采用快速卷扬机，有提升重量大 (20t)、提升速度快 (2.5m/s)等特点，与公路、索道方案相比，更有利于环保水保，且节约占地，节省运输费用。

6.2 仁宗海水电站

仁宗海水电站场内公路布置调压井段，原设计方案为修建施工道路，为了最大限度地减少电站建设对周围生态环境的影响，通过优化研究及专家咨询、实地考察，最终采用斜坡卷扬道取代了原设计方案中的4km施工道路。该斜坡卷扬道为洞内斜井式，为满足永久件运输要求，其斜坡卷扬道斜井洞段典型断面尺寸为 (8.5～8.6)m×10.4m(宽×高)，斜坡卷扬道垂直高度为270m，斜坡长度为492.0 m，上部平车场长度44 m，下部平车场长度30 m，坡度为33°。该方案虽然增大投入近1000万元，但减少了林地占用和林木采伐，同时也减少了道路施工带来的环境影响。

7 结 语

目前斜坡卷扬道较多使用于露天矿业开采，且一般是在小于25°的沟道内利用卷扬机同时提升 (或下放)几个矿车;斜坡卷扬道在水电站施工中使用较少，并不作为常规运输方式，主要适用于物料运输两地高差大、地形陡峻、公路与铁路运输难以到达、或筑路基建工程量过大而运输量不大的很不经济的地段。斜坡卷扬道提升技术在煤炭、矿山行业运用得较多，也比较成熟。从煤炭行业实际运用的工程实例来看，在坡度小于25°时，均采用现有的国家定型标准产品。在坡度大于25°且小于45°时，运输设备基本上为非标准产品，需做专门的设计，并且在轨道上要加防倾覆的抱轨装置。坡度大于45°时，目前我国尚无工程实例。

现阶段，由于国家对环保越来越重视，斜坡卷扬道能有效减少基建工程量，减少对施工区植被的破坏，从环境保护角度考虑具有一定优势;但其运输稳定性、可靠性较公路运输方式低，且在地形受限的情况下，采用洞内斜坡卷扬道投资相对较高。在场地布置时，是否采用斜坡卷扬道，需要从技术可靠性、工程投资、环境影响和运行要求等方面综合分析。

［1］DL/T 5133—2001水电水利工程施工机械选择设计导则［S］.

［2］王建平.狮子坪水电站压力管道斜坡卷扬道的设计及施工［J］.水电站设计，2012(4).

［3］SL 303—2004水利水电工程施工组织设计规范［S］.

［4］DL/T 5099—1999水工建筑物地下开挖工程施工技术规范［S］.

［5］水利电力部水利水电建设总局.水利水电工程施工组织设计手册［M］.北京:中国水利水电出版社，1990.

［6］工程机械使用手册编辑委员会.工程机械使用手册［M］.北京:中国水利水电出版社，1998.