桑皮勒水电站发电引水系统洞线比较设计

2018-03-01陈刚

小水电 2018年1期

陈刚

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

桑皮勒水电站位于新疆喀什地区塔什库尔干塔吉克自治县，主要任务是发电，采用混合式开发，水库正常蓄水位2 640 m，相应库容约4.52亿m3。电站装机容量690 MW，发电引用流量295.2 m/s3，发电水头353 m。工程等别为大(2)型Ⅱ等工程，枢纽主要建筑物大坝为1级建筑物，其他主要建筑物(泄洪建筑物、发电引水系统建筑物)为2级建筑物，次要建筑物为3级建筑物。

2 发电引水系统洞线布置

根据电站设计布置，厂房位于坝址下游47.5 km处右岸岸坡，工程区河道呈“Ω”型的地形条件，发电引水系统采用“裁弯取直” 的布置方案；因此发电引水洞布置在右岸，河道两岸山势险峻，河谷狭窄呈“V”型；发电引水洞线较长，约为10 km，电站属于大流量、高水头电站。洞线上覆岩体盖厚度较大，一般埋深48～1 400 m，岩性主要为黑云母石英片岩、砂岩、凝灰质粉砂岩夹砾岩。发电引水系统主要由进口闸井段、上平洞段、调压井、压力管道段、出口明管段组成，其中上平洞低压洞身段洞径9.2 m。

由于洞线较长，沿线要布置多条施工支洞，施工工期对整个工程工期影响较大。所以发电引水系统对工程的工期、投资及电站的运行安全影响较大，因此选择技术、经济、安全的布置方案尤为重要。决定这些问题最关键的因素则是发电引水系统洞线的选择。

3 洞线选择

(1)进水口尽量避免高陡边坡及软弱破碎带的影响，选择地形、地质条件较好的部位。

(2)根据地形条件尽可能将洞线布置成直线，减少弯道，使洞线最短，减少工程量。

(3)根据地质条件力求洞线与岩层、构造断裂面及软弱带具有较大的夹角，并尽量减小洞线与最大水平地应力方向的夹角。

(4)考虑施工支洞的布置，尽量缩小其长度，缩短发电洞的施工工期。由于发电引水洞高压管道段受地面厂房布置位置的限制，可调范围不是很大，所以发电引水洞线比选主要对低压上水平段的洞线进行比选。坝址处右岸坝肩自然边坡30°～50°，高程2 620 m以下基岩多裸露；以上覆盖厚层崩坡积物，基岩为黑云石英片岩，进水口布置于坝轴线上游约170 m处；该部位基岩裸露，且避开了深厚覆盖层对进口的影响，对进水口布置较为有利。

4 方案比选

4.1 方案介绍

根据工程区地形地质条件，河道呈“Ω”型的地形条件，洞线总体布置采用“裁弯取直”的布置，本阶段对发电引水系统进水口及引水隧洞洞线拟定了两个方案进行综合技术经济比选：

方案一即直线方案，发电洞进口与调压井之间采用直线相接；此方案发电洞洞线最短，洞身投资最小。

方案二即折线方案，结合工程地形、地质、施工条件，在满足成洞条件的基础上，尽量缩短施工支洞长度、缩短施工工期。

4.2 各方案工程地质条件

4.2.1 基本地质条件

(1)地形地貌

发电引水隧洞穿越叶尔羌河围限的“Ω”型脊状基岩山体，山顶高程3 670～4 100 m，区内冲沟较发育。发电厂房布置于桑皮勒村上游2.3 km的右岸宽河漫滩，后边坡坡高1 350 m，山顶高程3 950～4 260 m，岸坡走向330°，自然坡度35°～46°。

(2)地层岩性

发电引水系统出露地层主要有石炭系、元古界及第四系。

①元古界(Pt1b)

元古界布仑阔勒岩群(Pt1bb)：岩性为石英片岩、石英变粒岩，呈中厚层状，岩层结构较完整，层理清晰。

元古界布仑阔勒岩群(Pt1bc)：岩性为绿泥石片岩，灰绿色，呈薄层状～中厚层状。

②石炭系(C2)：岩性为砂岩、凝灰质砂岩夹砾岩等，主要分布于桑拉荷皮勒沟至亚西侥沟之间，亚希洛夫达坂东北侧，呈北西向带状展布，为厂址主要岩性。

③第四系(Q)：区内第四系地层分布极为广泛，分布面积广，按成因可分为冰碛、洪积、崩坡积、冲积。

4.2.2 发电引水洞线工程地质条件

(1)方案一与方案二洞线地质条件基本相同。

(2)方案一隧洞工程地质条件及评价如下：

进口段位于坝轴线上游约170 m左岸边坡上，自然坡度45°～55°，基岩裸露为黑云石英片岩，岩层走向与边坡交角10°～15°，倾坡外，边坡整体稳定。进口闸井开挖深度76 m左右，基础位于弱风化至新鲜岩体内。

洞身段上覆岩体厚度一般15～1 000 m，最大1 488 m，岩性为黑云石英片岩，岩层走向与洞线交角30°～50°，沿线无大规模断层通过；洞身段大部位于基岩裂隙水位以下，洞室可能有渗水或线状渗水现象。洞室以Ⅲ类围岩为主，进、出口浅埋段、过大冲沟段及断层带等部位为Ⅳ、Ⅴ类围岩，约占总长的26.8%。

5 洞线布置

5.1 方案一

《水工隧洞设计规范》规定：洞线与岩层、主要构造断裂面及软弱带走向应有较大的夹角，其夹角不宜小于30°。本工程洞线穿越了黑云母石英片岩、砂岩、凝灰质粉砂岩夹砾岩，层状结构。根据规范要求在满足洞线与岩层、构造断裂面及软弱带走向交角不宜小于30°的原则下，应尽量满足洞线与岩层、构造断裂面及软弱带走向交角要求，以综合考虑减少弯道，洞线最短，布置成直线；在满足隧洞最小侧覆盖、上覆盖厚度的前提下，将洞线尽量向岸边布置，布置了方案一。方案一引水隧洞上水平洞段长9.38 km(至调压井中心线)。

5.2 方案二

结合工程地形、地质、施工条件，在满足成洞条件的基础上，尽量缩短施工支洞长度、单工作面长度，缩短施工工期，布置了方案二。方案二引水隧洞上水平洞段长9.96 km(至调压井中心线)。

6 洞线比较

对洞线两个方案在上覆盖、侧覆盖厚度和冲沟处根据地质剖面，按抗抬理论计算了侧覆盖安全系数，然后从地形、地质条件、隧洞长度、施工支洞长度、工期等方面进行比较(见表1)。

表1 洞线两方案对比

6.1 地形、地质条件

从地形上看，引水发电洞位于叶尔羌河右岸，发电洞进口均位于上坝线右岸上游170 m处的陡坎下部，引水发电隧洞穿越右岸山体至厂房之间的中山区，上覆岩体厚度一般15～1 000 m，最大1 488 m。

方案一与方案二洞线穿越的地层岩性基本相同，方案二较方案一靠近岸边，隧洞侧覆盖、上覆盖安全系数均满足要求。两条洞线Ⅲ类围岩所占比例分别为74.01%、73.94%，Ⅳ类围岩所占比例分别为24.15%、24.31%，Ⅳ类围岩所占比例分别为1.84%、1.75%，两个方案洞线地质条件基本相同。

6.2 洞线的长短

方案一、方案二洞线上水平段隧洞长度分别为9.38、9.96 km。方案一洞线长度略短，方案一较方案二短580 m。

6.3 施工条件

方案一将洞线布置成直线，减少弯道，使洞线最短。方案二考虑施工支洞的布置，尽量缩短发电引水洞单工作面控制段长度，以缩短发电洞的施工工期。

6.4 施工支洞布置

根据洞线的布置原则，结合地形条件设置施工支洞(见表2、表3)。

表2 方案一施工支洞布置特性

表3 方案二施工支洞布置特性

6.5 控制工期

方案一布置了4条施工支洞，总长3 027 m，方案二也布置了4条施工支洞，总长2 647 m，方案二施工支洞长度比方案一短约380 m。方案一控制段单工作面长度为3 032 m，方案二单工作面控制段长度为2 843 m，方案二控制段单工作面长度比方案一短189 m，方案二较方案一施工效率高、通风散烟容易。方案一施工总进度为76个月，其中施工准备期18个月(与主体工期重合)，主体工期73个月，完建期3个月；方案二施工总进度为70个月，其中施工准备期18个月(与主体工期重合)，主体工期67个月，完建期3个月。