CCS水电站输水隧洞设计关键技术问题研究

谢遵党 陈晓年

摘要：厄瓜多尔CCS水电站输水隧洞洞径大、距离长、埋深大，其合理的布置和设计对电站的造价、运行条件影响巨大。通过工程布置和施工方案的优化论证，将输水隧洞优化为全线明流输水，大大简化了工程布置，改善了运行条件;采用通用型“B、D”两种管片型式，大大简化了施工，提高了TBM施工效率;采用国内外不同的标准（中标、美标、欧标）对管片衬砌结构进行计算分析，对管片强度、配筋、灌浆孔、定位孔、螺栓连接孔、燕尾槽等进行了合理布置和设计，保证了管片制作、脱模、安装时的施工质量，为复杂地质条件下长隧洞的设计、施工提供了可借鉴的经验。

关键词：输水隧洞：方案布置;TBM管片;结构设计;CCS水电站

中图分类号：TV62

文献标志码：A

doi：10. 3969/j .issn。1000-1379.2019.06.019

厄瓜多尔科卡科多辛克雷（Coca Codo Sinclair，简称CCS）水电站位于厄瓜多尔共和国Napo省和Su-cumbios省，总装机容量为1 500 MW[l]，为该国战略性能源工程，是世界上规模最大的冲击式水轮机组水电站，也是中国公司在海外独立承担设计的规模最大的水电工程之一。

厄瓜多尔CCS水电站主要包括首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、引水发电系统等建筑物。其中输水隧洞设计引水流量为222.0 m/s，设计内径8.2 m，隧洞总长24.8 km，最大埋深722 m，是目前南美已建的最长的大埋深输水隧洞[2]。隧洞采用全衬砌结构形式，进口底板高程为1 266.90 m，出口底板高程为1 224.00m，纵坡坡降为0. 173%，隧洞出口设事故闸门，闸室段后设消力池，正常运行工况为明流，非常工况即机组甩负荷、隧洞出口闸门关闭时洞内出现压力流，设计采用2台双护盾TBM同时掘进，并辅以钻爆法施工。

CCS水电站的概念优化设计、基本设计及详细设计是在国外某公司完成的概念设计基础上进行的。由于国际工程的特殊性及隧洞沿线地质条件的复杂性，为确保隧洞工程质量可靠、技术合理、工期合规和降低投资，针对长距离大深埋隧洞结构设计中存在的关键技术问题进行了专题研究。从CCS输水隧洞布置、TBM管片结构设计、基于不同标准的管片结构分析等多角度、全方面出发，利用成熟的设计理念，并采用先进的结构设计手段和方法，探讨一套适合长距离大埋深TBM输水隧洞结构设计的关键技术方法。

1 布置方案优化

CCS水电站正常运行工况下隧洞末端存在明满流过渡现象，对工程安全运行威胁很大，虽采取了涡流竖井、坝内虹吸管及复杂的结构措施，但明满流过渡现象对工程安全的影响仍不容小觑，且通气竖井施工难度大，出口检修时需要放空调蓄水库。总体而言，该方案技术复杂、投资高且工程安全运行隐患大。

在基本设计阶段进行了布置方案优化和水工模型试验研究，结合首部枢纽布置调整，抬高了隧洞进、出口高程，成功地将输水隧洞优化为全线明流，隧洞结构大大简化，安全度大大提高，并取消了涡流竖井、坝内虹吸管等复杂建筑物，节省了约2 300万美元的工程投资。同时简化了施工条件，保证2台TBM均可逆坡掘进，施工期全程自流排水，在节约抽排费用的同时，完全避免了被淹的风险。

2 基于不同规范TBM管片结构设计

CCS水电站EPC合同要求使用美国标准体系进行工程设计，因美国[3-5]、欧洲[6]、中国[7]标准不完全相同，为保证输水隧洞的工程安全和经济合理，在TBM管片衬砌结构设计过程中，分别采用上述3种标准体系进行研究，为今后国内外相关工程设计提供了参考，也为今后相关规范的修订提供了一定的理论依据。

2.1 基本地质条件

CCS电站输水隧洞位于安第斯山脉和亚马逊平原结合带，在结合带有Coca大峡谷，受构造运动影响，沿线断层多沿沟谷及侵人体界限附近发育，开挖过程中遇到13条断层。隧洞穿越的地层主要为安山岩、玄武岩、流纹岩、凝灰岩、熔结凝灰岩和角砾岩、页岩、砂岩以及花岗闪长岩等，以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，隧洞沿线地层中的地下水主要为基岩裂隙水，施工中遇到的工程地质问题主要有断层破碎带塌方、涌水等。

2.2 基于美国规范的结构计算

管片衬砌结构计算主要依据美国规范《Engineering and Design Tunnels and Shafts in Rock》（ EMII10-2-2901）[4]，采用国际隧道协会（ITA）推荐的修正惯用法，利用大型通用有限元程序ANSYS进行管片衬砌的内力计算。

参照类似工程经验，管片衬砌厚度采用0.3 m，为降低工程投资，可将输水隧洞TBM管片根据地质条件分为A、B、C、D四种类型，但该分类方案管片种类较多，并不利于TBM掘进施工时管片的运输和效率的发挥，通过与各参建单位共同研究后决定，在施工过程中将A、B型管片合并，即Ⅱ、Ⅲ类围岩均采用B型管片，Ⅳ、V类围岩采用D型管片。因B型管片约占全部管片的76%，用量最大，对工程安全、投资影响最大，故本文选择B型管片进行对比分析。

根据输水隧洞的施工及运行条件，当发电机组突然甩负荷，需要关闭隧洞出口检修闸门时，隧洞末端可能出现有压运行工况，故计算时分别考虑了施工期軌道运输、完建、无压运行期、地震、非常时期的有压运行期5种工况。

通过有限元计算，得到管片衬砌的内力，然后根据美国规范《Srength Design for Reinforced Concrete Hy-draulic Structures》（EMlIIO -2 - 2104）[3]进行配筋计算，各工况下管片衬砌的内力分布略有差异，最不利工况为完建工况，如图1所示，管片弯矩最大值为187.1kN.m，轴力最大值为-4 548.8 kN，配筋设计后其含钢量为115.8 kg/m3。

2.3 基于欧洲和中国规范的结构计算

采用欧洲规范《Eurocode 2：Concrete structuresDesign - Part l.1： General rules and rules for build-ings》[6]对B型管片衬砌进行结构计算。计算方法采用收敛一约束法、内力求解方法和非线性求解方法。通过计算，各工况下管片衬砌的内力分布情况与美国规范计算结果基本一致，但数值有差异，最不利工况为完建工况（如图2所示），管片弯矩最大值为161.10kN.m，轴力最大值为一1 648.22 kN.配筋设计后其含钢量为91.1 kg/m，与美国规范相比减少了24.7kg/m。

采用中国规范[7]进行计算，各工况下管片衬砌的内力分布情况与欧洲规范计算结果基本一致，数值略有差异，其配筋计算结果与欧洲规范计算结果一致。通过进一步比较分析可知：欧洲标准和中国标准基本一致，美国标准与欧洲、中国标准的荷载与荷载组合均存在线性关系，但荷载组合中的具体分项系数不同。美国标准直接采用荷载分项系数，欧洲及中国标准则不仅采用荷载分项系数，而且采用了设计状况系数、结构重要性系数等。在水工结构设计时，美国标准修正的ACI318[5]引入了一个水力作用系数1.3[8]，这在中国和欧洲规范中是没有的。

2.4 透水管片衬砌设计新理念

对于大埋深输水隧洞而言，地下水位经常在洞顶几百米以上，影响隧洞安全的荷載主要为外水压力，按照传统的设计方法，衬砌在地下水丰富的洞段要承担全部外水压力，管片衬砌本身往往不足以承受如此高的压力，在隧洞贯通后需要增加很多现浇钢筋混凝土衬砌共同承担外水压力，对投资和工期影响巨大。CCS电站输水隧洞设计中采用了透水衬砌设计理念，对于Ⅱ～Ⅳ类围岩，根据隧洞开挖后揭示的地下水情况，在隧洞顶拱部位、水面以上渗水处均设置了排水孔，无渗水时根据现场情况取消排水孔：V类围岩洞段则全部设置排水孔。经过研究分析和现场检测证明，采取上述排水措施可有效降低外水压力。CCS电站输水隧洞采用的设计最大外水压力水头为3倍洞径，不仅全洞（包括各种不良地质洞段）没有进行二次衬砌，而且管片本身的配筋较传统方法的显著减少。

3 TBM管片的细部设计

3.1 TBM管片型式

TBM管片型式可从管片的形状、制作的材料等方面进行划分，按照制作的材料一般可分为钢管片、钢筋混凝土管片、复合材料管片等，按照管片的形状一般可分为六边形管片、左右环通用型管片、平行四边形管片3种型式[9]，不同的管片形状对应的管片细部构造、施工安装、衬砌环受力等是不同的。

六边形管片相互交错咬合，环向传力方式是一个管片向相接的两个管片传力，理论上受力较为均匀，管片结构整体性较好，但六边形管片对制造及安装的要求较高。工程实践表明，在实际生产和施工时，由于存在不可避免的误差，因此相邻两管片很难保证同时均匀受力。另外，六边形管片、平行四边形管片在掘进过程中不能依靠管片本身来实现隧洞转弯及纠偏，需要纠偏及转弯的地方要依靠垫片（垫块）进行。

左右环通用型管片与平行四边形管片一样，型式相对简单，管片之间的纵向连接为一个平面，连接面之间受力相对更均匀，管片之间止水安装较易满足密封的要求，但是与平行四边形管片相比，左右环通用型管片每环在纵向设计了一定的楔形量，在TBM施工过程中可通过调整各管片位置和角度实现转弯和纠偏¨]。综合考虑施工、结构、造价等因素后，输水隧洞选择“B、D”两种通用型管片型式，大大简化了施工，提高了TBM掘进速度，其中TBM2创造了单月进尺1 000.8 m的速度，达到了同规模洞径TBM掘进速度世界第三。

3.2 管片细部设计

根据TBM管片结构计算分析及管片选型，管片设计内径8.2 m、厚0.3 m，中心环宽1.8 m，最大和最小环宽分别为1.82 m和1.78 m，每环由7块组成，分别由4块标准块、2块邻接块和1个封顶块组成。管片细部如封顶块、止水系统、灌浆孑L、螺栓手孔和接触面结构等细部的成功设计有效保障了隧洞衬砌的质量。

（1）关键块设计。管片封顶块又称为“关键块”，对管片拼装的精度和质量有重要的影响，考虑到CCS输水隧洞有较大的洞径，以及运输和拼装便利等因素，采用较小的封顶块，中心角约为标准块或邻接块的1/3，封顶块与邻接块的接触面与径向面约成120角，封顶块的非径向分割避免了滑落，同时方便了拼装。

（2）止水设计。CCS输水隧洞为无压隧洞，为防止外水内渗及施工期止浆，止水槽设置在管片外侧，槽内布置遇水膨胀橡胶止水条，从而达到止水、止浆目的，同时在管片内侧连接缝处设置燕尾槽，在管片拼装完成并回填灌浆后，向燕尾槽中填充无收缩水泥砂浆，降低隧洞过水糙率，增强了管片内侧的密封性。

（3）灌浆孔设计。管片上的灌浆孔轴线通常垂直于隧洞轴线，受空间限制，在豆粒石回填灌浆时，豆粒石不能完全充满，从而影响豆粒石回填灌浆的密实性，不利于工程安全。通过分析研究，将灌浆孔倾斜开设，倾斜方向为掘进的反方向，倾斜角度为30°，倾斜后开设的灌浆孔有效减小了围岩对豆粒石流动的阻碍，使豆粒石吹填较均匀、密实，进一步保障了工程的安全。

4 无门封闭检修通道

在大、中型水利水电工程输水隧洞（明流洞）建设过程中，特别是长距离、大直径、深埋输水隧洞，通常将施工期临时施工支洞改建为检修支洞，以达到缩短工期、降低投资的目的。改建中，通常在施工支洞与输水隧洞主洞交叉连接段内设置金属检修闸门，通过控制金属检修闸门启闭达到输水隧洞主洞的运行和检修目的。此方法有两个弊端：一是增加金属检修闸门等相关结构，增大了工程投资：二是金属检修闸门本身存在维护及检修问题，当金属检修闸门因故障需要检修或定期维修时，必须放空整个输水隧洞主洞内的水。因此，通常的施工支洞改建检修支洞的方法，不仅增大工程投资，而且影响输水隧洞的正常运行，存在一定的安全隐患。

如图3所示，该工程施工支洞改建检修支洞采用了无门封闭的新方法，首先对施工支洞与输水隧洞主洞连接处进行混凝土封堵，在封堵混凝土上预留3.5 mx7.7 m（宽×高）的检修通道;然后在靠近封堵段施工支洞内的洞底用块石混凝土回填成沿施工支洞纵向呈“凸”字形曲线的检修通道，“凸”字形曲线的洞底最高处为圆弧段，圆弧段洞底的两侧纵坡均为10%，圆弧段洞底最高点的高程高于输水隧洞主洞的正常运行水位：最后在检修通道的洞底表面铺设0.5 m厚的常态混凝土，作为混凝土防渗路面。检修支洞既可以在运行期挡水，又可以在检修期放空输水隧洞主洞的情况下通车进行检修。

这种封堵方法优点在于：避免增设检修闸门，降低了施工难度和工程投资，经济易行且缩短了工期，尤其适用于长距离、大直径、深埋输水隧洞（明流洞）的施工支洞回填改建检修支洞，这种检修支洞还可兼作明流输水隧洞的通气洞。

5 结语

厄瓜多尔CCS水电站2010年7月开工建设，于2016年11月建成竣工。CCS电站输水隧洞在整个CCS水电站项目中起到承上启下的关键作用，隧洞总长24.8 km，最大埋深722 m，设计过程中结合地下洞室结构特点及工程总体布置、地质条件、施工进度、减少施工干扰等要求对输水隧洞进行总体规划布置，通过对其工程布置、输水方式、施工方法、结构设计等关键问题的研究和优化，有效地解决了投资、工期、安全、协调等问题，确保了总工期，目前輸水隧洞运行良好。输水隧洞的设计为复杂地质条件下长隧洞的设计、施工提供了借鉴经验。

（1）方案布置。概念设计方案存在明满流过渡且流态转换频繁、转换点位置不固定、通气竖井施工难度大、需放空调蓄水库才能对隧洞出口段检修等缺点，经研究优化后采用明流洞方案，取消了涡流竖井、坝内虹吸管及两个通气竖井，简化了工程布置及施工，节约了大量投资。

（2）管片选型。隧洞设计内径为8.2 m，衬砌管片厚度只有0.3 m。设计采用了通用型管片“B、D”两种型式，管片类型少，不同地质条件下及转弯、纠偏时不需频繁更换管片类型，大大简化了施工，提高了TBM掘进速度，其中TBM2创造了单月进尺1 000.8 m（同规模洞径TBM掘进速度世界第三的纪录）的速度。

（3）管片的细部设计。CCS电站输水隧洞管片强度、配筋、灌浆孔、定位孔、螺栓连接孔、燕尾槽等设置合理，保证了管片制作、脱模、安装时的施工质量。

（4）管片结构设计。输水隧洞管片设计采用了透水衬砌设计理念，通过有效的排水措施降低了外水压力，保证了工程安全，只考虑3倍洞径的外水压力水头是安全可靠的，全洞没有进行二次衬砌。

（5）无门封闭检修通道。利用2A施工支洞回填封堵，留设检修通道，将其改建成检修支洞，避免了增设检修闸门，降低了施工难度和工程投资，缩短了工期，该检修支洞还可兼作明流输水隧洞的通气洞，检修支洞既可以在运行期挡水，又可以在检修期放空输水隧洞主洞的情况下对输水隧洞主洞进行检修。该方法尤其适用于长距离、大直径、深埋输水隧洞（明流洞）的施工支洞回填改建检修支洞。

参考文献：

[l] 王美斋，肖豫，陈晓年，等.厄瓜多尔CCS水电站TBM引水隧洞左右通用型管片的设计与实践[J].资源环境与工程，2017，31（5）：606-609.

[2] 刘增强，史玉龙，梁春光.厄瓜多尔CCS水电站BIM综合应用[J].水利规划与设计，2018，2（3）：14-18.

[3] US Army Corps of Engineers. Srength Design for ReinforcedConcrete Hydraulic Structures： EMIII0-2-2104[S].Wash-ington： Department of the Army， 1992： 1-9.

[4] US Army Corps of Engineers.Tunnels and Shafts in Rock：EMIIIO-2 - 2901[S].Washington： Department of the Army， 1997：1-9.

[5] ACI Committee 318. Building Code Requirements for Struc-tural Concrete and Commentary： ACI 318-08[S].Michigan：American Concrete Institute， 2008： 66.

[6] British Standards. Eurocode 2：Concrete structures Desi～-Partl.1： Ceneral rules and rules for buildings： BS EN 1992-1-1：2004[S].London： British Standards Institution， 2004：1.

[7]钮新强，汪基伟，吴德绪，等.水工混凝土结构设计规范：SL 191-2008[S].北京：中国水利水电出版社，2008：9.

[8] 张智敏，苏凯，伍鹤皋.中美水工混凝土结构配筋方法在隧洞设计中的应用比较[C]∥水电站压力管道：第八届全国水电站压力管道学术会议论文集，北京：中国水利水电出版社，2014：624-633.

[9] 王美斋，董甲甲.TBM输水隧洞管片衬砌型式的设计研究与应用[J].水电与新能源，2017（7）：20-22.

【责任编辑张华岩】