锦屏二级水电站引水隧洞检修通道设计

2023-01-03鲍世虎陈晓江

大坝与安全 2022年5期

鲍世虎，张洋，陈晓江

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 工程概况

锦屏二级水电站位于四川省凉山州雅砻江上，主要利用锦屏山附近约150 km 的大河湾，采用引水隧洞穿越锦屏山截弯取直引水发电。电站总装机4 800 MW（600 MW×8）。电站多年平均发电量约242亿kW，年利用小时数约5 048 h，保证出力约1 972 MW。电站引水隧洞线路长、装机容量大，永久建筑物主要包括首部拦河闸坝、引水系统、地下发电厂房和尾水系统等。

引水隧洞共4 条，平行布置，每条隧洞长约16.7 km，隧洞轴线间距为60 m，洞轴线走向为N58°W。隧洞采用钻爆法和TBM 法开挖，典型断面为圆形或马蹄形，开挖洞径12.4～14.6 m，衬砌后直径为11.2～11.6 m。隧洞沿线埋深一般为1 500～2 000 m，最大约2 525 m。引水隧洞埋深大、洞线长、断面大，是目前世界上规模最大的水工隧洞洞室群。

2 检修通道布置设计

2.1 检修通道总体布置

为方便引水隧洞投入运行后的日常工程管理、放空检修等工作，在设计过程中，应根据工程维修、管理的需要，结合枢纽工程布置特点，设置检修通道、进人孔和爬梯等[1]。本工程中引水隧洞东、西向跨越锦屏山，山体雄厚，沿线施工支洞数量较少，检修条件较差。结合首部枢纽布置和引水隧洞沿线的施工支洞布置，通往引水隧洞的检修通道主要包括进水口事故闸门检修竖井和引水隧洞施工支洞检修进人门。引水隧洞检修通道设计见图1。

图1 引水隧洞检修通道设计Fig.1 Design of maintenance channels of diversion tunnels

2.1.1 进水口事故闸门检修竖井

引水隧洞线路特长且断面巨大，只有具备中、大型机械设备进入的条件，才能进行常规的检修、清渣等处理工作。锦屏二级水电站进水口为洞内竖井式，即洞外拦污栅墩+引水隧洞进口段+洞内事故闸门室（竖井）。进水口事故闸门下游设置有检修竖井，竖井顶部平台设置有预制钢筋混凝土盖板。竖井断面为矩形，混凝土衬砌后的断面尺寸为9.5 m×6.5 m（长×宽）。

电站运行期间，预制盖板被搁置在孔口，形成完整的路面，作为日常巡视检查的通道。电站检修期间，直接利用现有的闸门启闭机吊移预制盖板后，将竖井作为吊运中、大型机械设备的通道。除此之外，进水口事故闸门竖井还作为闸门通气孔和施工期最后的撤离通道。

2.1.2 引水隧洞支洞检修进人门

为了进一步方便电站运行期间引水隧洞的放空检修工作，根据引水隧洞沿线施工支洞的布置和施工支洞后期封堵要求，沿线共布置6个永久的施工支洞检修进人门。引水隧洞首端施工支洞内共布置2 个检修进人门，可分别通往1号、2号引水隧洞；引水隧洞末端施工支洞内共布置4个检修进人门，可分别通往4 条引水隧洞。引水隧洞首端、末端的施工支洞与引水隧洞的轴线呈大角度相交，与山体外公路形成交通环线。1 号、4 号引水隧洞位于外侧，检修人员可以直接经施工支洞和进人门进入，交通条件较好；2号、3号引水隧洞位于1号、4号引水隧洞中间，检修人员可经检修排水廊道、连接斜洞、施工支洞和进人门进入。其中，检修排水廊道位于引水隧洞正下方，洞轴线与引水隧洞垂直相交，通过连接斜洞与施工支洞连接（斜洞与施工支洞连接点位于2号、3号引水隧洞之间）。引水隧洞支洞检修进人门断面尺寸为2.4 m×2.0 m（宽×高）。

检修进人门为立轴钢闸门。在电站运行期间，钢闸门挡水。在电站检修期间，钢闸门被平推开启后，检修人员和小型车辆均可进入。

2.2 进水口事故闸门检修竖井结构布置

进水口事故闸门室位于山体内，上游为引水隧洞进口段和洞外拦污栅墩，其中引水隧洞进口段长约100 m。事故闸门室内共布置4个闸门井、4个闸门检修平台、4个检修竖井和启闭机室等。其中，启闭机室垂直引水隧洞轴线通长布置，室内分别布置有闸门启闭桥机和交通通道。

引水隧洞检修竖井布置在事故闸门井下游侧，衬后断面尺寸为9.5 m×6.5 m（长×宽）。为了综合利用空间，检修竖井顶部1 660.00 m 高程井口布置有预制钢筋混凝土盖板，形成闸门室内的交通通道。预制盖板下方为混凝土排架，高程为1 649.00～1 660.00 m。

事故闸门检修平台（1 649.00 m高程）以下为闸门井和闸门室，闸门室底板高程1 618.00 m，孔口尺寸9.5 m×11.8 m（宽×高），闸室段顺水流向长度为15 m，底板衬砌厚2.0 m，闸室段上、下游侧分别通过渐变段与引水隧洞相连接。事故闸门检修平台以下闸门井壁均采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度1.0 m，衬砌结构内布置有检修进人通道，将闸室与闸门井检修平台连接起来，以供检修人员通行。

进水口事故闸门检修竖井结构如图2～3所示。

图2 检修竖井纵剖面Fig.2 Longitudinal profile of the maintenance shaft

图3 检修竖井典型断面Fig.3 Typical section of the maintenance shaft

2.3 引水隧洞施工支洞进人门结构布置

施工支洞检修进人门设置在施工支洞封堵体内，从引水隧洞至封堵体方向依次为进人门上游段、进人门钢衬段、进人门下游段和封堵体空心段，如图4所示。

图4 引水隧洞末端施工支洞进人门纵剖面（单位：m）Fig.4 Longitudinal profile of the access door of construction adit at the end of diversion tunnel

进人门上游段为封堵体同引水隧洞衬砌结合段，矩形断面，钢筋混凝土结构，断面尺寸4.0 m×3.2 m（宽×高），长度1.50～7.59 m。

为了防止电站运行期间引水隧洞内水外渗，进人门及其通道采用钢板衬砌，钢衬长度主要依据水力梯度（5～10）来确定。首端、末端施工支洞进人门钢衬长度分别为7.5 m 和10 m，通道断面尺寸同进人门上游段一致。钢衬材质为Q345R，钢板厚16 mm，单个管节长度2.5 m，每个管节设置3 道环向加劲肋，矩形断面每边各设3 道纵向加劲肋（长跨方向间距1.0 m，短跨方向间距0.8 m），加劲肋高30 cm。加劲肋板上设窜浆孔，为确保混凝土浇捣质量，钢衬段底板设置振捣孔和排气孔，根据混凝土浇筑后的底板敲击脱空情况进行补充接缝灌浆，灌浆压力0.2 MPa。进人门钢衬段同上游段之间设施工缝，缝内设止水铜片。

进人门下游段安装手推式立轴钢闸门，闸门尺寸2.4 m×2.0 m（宽×高），下游段通道尺寸同闸门尺寸一致，通道长度根据闸门传力和通道布置需要设置，为4.0～9.2 m。进人门下游段为钢筋混凝土结构，为防止内水通过闸门和衬砌绕渗，进人门下游段同钢衬段相接端面采用全钢衬封闭，并沿相接端面向钢衬段方向布置两环锥形固结灌浆孔，每环12 孔，灌浆孔深入岩石5.0 m，灌浆压力3.0 MPa。

3 引水隧洞检修进人门钢衬结构计算分析

电站运行期间，引水隧洞取水发电，钢衬主要承担较高的内水压力；电站检修期间，引水隧洞被放空，钢衬承担较高的外水压力。钢衬承受的作用力复杂，采用三维有限元法进行分析，选取承受水头最高的引水隧洞末端进人门进行结构计算分析。

3.1 计算参数及计算模型

本工程中，钢衬带加劲环，结构较复杂，拉压应力主要由管壁中的弯矩引起，由于膜单元模拟弯矩的精度问题，可能导致较大的数值模拟误差，因此，钢衬采用二次实体单元划分。

钢板材料Q345R，厚16 mm，弹性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，抗拉强度设计值f=315 MPa。经计算，在持久状况、短暂状况和偶然状况下，Q345R钢材的抗力限值分别为260.3 MPa、289.3 MPa 和325.4 MPa。

钢衬外回填混凝土的强度等级为C25，厚度1.6 m，弹性模量E= 28 GPa，泊松比μ=0.167，轴心抗压强度fc=12.5 MPa，轴心抗拉强度ft=1.27 MPa。

钢衬三维模型如图5所示。

图5 钢衬三维模型细节Fig.5 3D model details of steel lining

3.2 计算工况

计算中采用的荷载取值如表1所示。

表1 主要荷载值Table 1 Main load values

3.3 计算结果分析

经计算分析，在正常运行工况下，混凝土抗力分担了较大比例的内水荷载，钢衬中最大Mises应力为154.65 MPa，小于260.3 MPa 的钢板容许应力。在特殊运行工况下，钢衬的结构内力分布规律与正常运行工况一致，钢衬中最大Mises 应力为183.1 MPa，小于325.4 MPa的钢板容许应力。

本工程中，检修工况为控制性工况，矩形钢衬结构承受外水压力的能力较弱，需通过在钢衬外设横向加劲环和纵向加劲肋来提升整体抗外水压力能力。钢衬中最大Mises 应力为191.3 MPa，小于289.3 MPa的钢板容许应力。检修工况下钢衬应力和位移结果如表2所示。

表2 检修工况下钢衬应力和位移结果Table 2 Stress and displacement of steel lining under maintenance condition

综上所述，钢衬结构在正常运行工况、检修工况和特殊运行工况下，结构计算结果均满足相关规范的要求。

4 检修通道运行评价

锦屏二级水电站已在2012年12月底实现首批机组发电，并在2015年9月底全部完工。至今，电站已稳定安全运行多年，引水隧洞经历了多次充排水试验和放空检修。每次检修工作均能在计划日期内完成，如衬砌修复、集渣坑清理等，便利的检修条件起到了至关重要的作用。在日常巡视检查过程中，均未发现明显的渗漏现象和钢衬变形破坏现象[3]。因此，检修通道的布置和结构设计是合理的。