GX水电站引水隧洞设计

李 元

(仙桃市水利水电建筑勘测设计院，湖北 仙桃 433000)

引水隧洞是水利水电枢纽工程中的重要建筑物之一，在岩体或土层中开挖而成，其长度远大于其断面尺寸[1]。压力水管接在引水隧洞的身后，渠道上的输水隧洞和通航隧洞只有洞身段。闸门可设在进口、出口或洞内的适宜位置。出口设有消能防冲设施。为防止岩石坍塌和渗水等，洞身段常用锚喷(采用锚杆和喷射混凝土)或钢筋混凝土做成临时支护或永久性衬砌。洞身断面可为圆形、城门洞形或马蹄形，有压隧洞多用圆形。进出口布置、洞线选择以及洞身断面的形状和尺寸，受地形、地质、地应力、枢纽布置、运用要求和施工条件等因素制约，经过经济技术的比较后方可确定。

因此，对于引水隧洞的质量检验显得尤为重要，本文对四川GX水利枢纽工程中的引水隧洞进行设计分析。主要分析隧洞的断面尺寸、隧洞支护设计以及隧洞的水力损失。

1 工程概况

GX水电站水库正常蓄水位2270.00 m，相应库容19.46万m3，设计洪水位2269.72 m，校核洪水位2271.86 m，总库容32.28万m3，死水位2269.00 m，调节库容4.88万m3。电站装机两台，总装机容量90 MW。根据《防洪标准》(GB 50201—1994)和《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》(DL 5180—2003)的规定，GX水电站为三等中型工程。

引水隧洞布置在左岸，从进水口末端至调压室中心线，引水隧洞全长约14 367.00 m，纵坡约0.26。

设计原则为：(1)引水隧洞属地下建筑物，设计前应深入现场踏勘，认真收集、分析研究有关水文、泥沙、地形、地质、施工条件等有关设计资料；(2)认真复核可行性研究阶段的设计成果；(3)设计应符合有关规范、标准的规定和要求；(4)充分考虑引水隧洞频繁运行的特殊性与维护检修的可能性；(5)隧洞衬砌按限制裂缝开展宽度设计，如渗水对环境和建筑物的安全无影响时可按开裂设计；(6)在枢纽布置时应按“一洞多用”原则，尽量将临时建筑物改建成引水隧洞；(7)高流速引水隧洞应通过水工模型试验确定平面布置、竖曲线进出口体型、门槽型式等[2]。

2 隧洞线路布置设计以及覆盖层厚度

2.1 洞线以及断面确定

引水隧洞的线路选择设计非常的关键，它关系到隧洞的造价、施工难易、工程进度、运行可靠性等方面问题[3]。

隧洞的路线应尽量避开不利的地质构造，例如：围岩可能不稳定及地下水位高、渗水量丰富的地段，以减少作用于衬砌上的围岩压力和外水压力。GX水利枢纽工程引水隧洞的洞轴线与断层破碎带走向有较大的夹角且倾角较陡，性状较好。进口段围岩无较大的断层，岩层褶皱强烈，节理裂隙发育，节理裂隙相互切割形成的不稳定块体较小，不会造成较大危害。洞身段大部分置于微新岩体内，节理裂隙不发育，断层破碎带宽度较小。出口段围岩岩体为弱风化状，节理裂隙不发育，岩石较完整、坚硬。该隧洞的地质条件比较好[4]。

在满足枢纽总布置要求的前提下，洞线直且宜选在地质构造简单、岩体稳定、岩层最小覆盖厚度满足设计规定、水文地质条件有利施工、交通方便的地段，宜避开工程地质和水文地质条件对隧洞不利的区段。

该隧洞为圆形隧洞，对于隧洞断面的选择，一般可选择马蹄形和圆形等断面，结合本工程实际，洞身断面型式取决于水流形态、地质条件、施工条件及运行要求等。对于有压隧洞一般均采用圆形断面，圆形断面水力条件较好，衬砌受力均匀，不易产生应力集中，且计算简单。本设计采用的圆形断面洞径初步拟定D=5.5 m，根据Q=AV算出流速为V=3.28 m/s。

2.2 覆盖层厚度以及检验

隧洞垂直及其侧向岩体的最小覆盖厚度根据地形地质条件、岩体的抗抬能力、抗渗透特性、洞内水压力及支护的型式等因素来分析确定。对于有压隧洞，洞身部位岩体最小覆盖厚度按洞内静水压力小于洞顶以上岩体重量的要求确定。计算岩体覆盖厚度应小于岩体的最小覆盖厚度，利用公式(1)来确定。

(1)

式中：D为断面处岩体厚度，m ；CRM为岩体最小覆盖厚度，m；hs为洞内静水压力水头，m；γω为水的容重，N/m3；γR为岩体容重，N/m3；α为河谷岸边倾角，°；F为经验系数，一般取1.30～1.50，本工程取1.30。

结合本工程实际进行计算得出数据，见表1。

表1 岩层断面数据

3 洞身尺寸的确定

隧洞断面尺寸的确定一般由技术经济值计算后决定[5]。在隧洞过水流量己定的情况下，断面尺寸取决于洞内流速，流速愈大所需横断面尺寸愈小，但水头损失愈大，故发电隧洞的流速有一个经济值称为经济流速,有压隧洞为2.5 ～4.5 m/s，不衬砌隧洞一般小于2.5 m/s。

对于有压隧洞初步拟定断面尺寸时可用式(2)估算。

(2)

式中：D为圆心断面直径和矩形断面的宽度，m；Q为流量，m3/s；H为作用水头，m；

结合上式计算得出数据如表2所示。

4 隧洞支护与衬砌的类型与选择

4.1 支护形式

锚喷支护指的是采用锚杆、喷射混凝土加固岩体的工程措施，常见形式有以下几种[6]。

(1)喷射混凝土支护。相对于围岩坚硬完整的隧洞，一般可采用喷射混凝土支护。在流变性较大的岩体中，为了适应较大塑性变形的需要，也可采用在喷射混凝土中掺入纤维进行支护。

表2 各隧洞断面数据

(2)锚杆(锚束)支护。对于那些整体坚硬完整，但局部有松动块的围岩，一般宜采用锚杆加固，但如果松动范围较大且较深，则需要采用锚束加固。对于局部软弱的岩体(例如断层，节理密集带等)，除了施加锚杆(锚束)外，还可布设钢筋网，并进行混凝土喷射，必要的时候还可进行固结(裂隙)灌浆加固，使破碎的岩石整体化。

(3)锚喷挂网支护。对于围岩较完整的，一般采用锚喷支护。相对于岩体破碎、裂隙发育的围岩，则宜采用锚喷挂网支护。

4.2 组合式支护

组合式支护一般由内、外两层支护组合而成，或是由不同部位、不同强度、不同型式支护进行组合。外层为初期支护，多采用锚喷、挂网、钢拱架或格栅拱架等单一或组合支护。内层为二次衬砌，一般可采用混凝土、钢筋混凝土或钢板衬砌。

对于内水外渗或外水内渗危及围岩和相邻建筑物的安全、恶化自然环境、影响输水功能发挥的水工隧洞，则需要采用钢板衬砌。

针对防止隧洞渗漏，国外也有应用素混凝土加聚氨乙烯 (PVC) 板做衬砌。在隧洞内先喷一层混凝土(5～6 cm) 或先浇一层混凝土(15～25 cm) 然后铺设聚氯乙烯板，建筑内层混凝土并对聚氨乙烯板两侧进行灌浆。采用素混凝土加聚氯乙烯板作为隧洞衬砌，施工快，造价较低，防渗效果好。但对施工技术有较高的要求，需要较有经验的施工队伍才能达到满意的效果。

5 水力计算

5.1 拦污栅局部水头损失

拦污栅局部水头损失计算公式(3)如下：

(3)

式中：ξ2为拦污栅局部水头损失系数；β为与栅条有关的系数，为1.83；δ为栅条厚度，9 mm；b为栅条净距,85 mm；α为拦污栅与水平面相交倾角,取90°；k为水头修正系数，取1.1。

本案例中存在一个拦污栅，其局部水头损失hj计算如下：

(4)

计算得：hj=0.13 m。

5.2 沿程水头损失

根据水力学可知沿程水头损失公式(5)如下：

(5)

式中：hf为沿程水头损失，m;l为隧洞长度，m；Q为设计引用流量，取值78.10 m3/s；n为管道糙率,取0.014；R为水力半径D/4，m;A为隧洞断面面积，m2。

根据公式(5)，对隧洞各段进行沿程水头损失的计算，见表3。

5.3 水头损失验算

根据《水力学(第4版)》(高等教育出版社)总水头损失公式(6)：

hw=∑hf+∑hj

(6)

式中：hw为总水头损失，m；hj为局部水头损失，m。

该引水隧洞中的水头h=引水隧洞进水口水头高-出水口水头高=2270.00-2112.00=158.00 m，水头损失占总水头的hw/h=15.34÷158.00=9.7%，水头损失不超过总水头的15%为合格，本设计中的水头损失占总水头的9.7%，符合要求。

表3 隧洞各段延程水头损失

6 结 论

(1)结合工程实例进行了引水隧洞的大致设计思路以及设计检验。

(2)结合公式的推演，直观展示隧洞设计过程，为读者提供良好的阅读思路。

(3)就引水隧洞主体设计进行简要阐述说明，实际工程中存在更为复杂的情况需要更多设计准备。