旭龙水电站引水隧洞布置与结构设计

陈捷平 吴秋波 朱奎旭

摘要：为合理设计旭龙水电站引水隧洞布置线路与结构，根据工程总体枢纽布置，结合地形地质条件，开展了隧洞线路布置和洞径比选工作。通过计算引水隧洞结构内力，设计进口渐变段、洞身段与钢衬段结构，确定了合适的立面型式及隧洞洞径，优化了引水发电系统流道布置，避免了上游调压室的设置。运用弹性力学有限元法，计算了引水隧洞不同工况下的整体稳定性。结果表明：旭龙水电站引水隧洞洞室满足稳定性要求，研究成果可为类似引水发电流道设计提供参考。

关键词：引水隧洞； 流道布置； 围岩稳定； 支护设计； 结构设计；旭龙水电站

中图法分类号：TV732.3

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.010

文章编号：1006-0081（2024）05-0056-04

0 引言

旭龙水电站共安装4台单机容量为600 MW的混流式水轮发电机组，总装机容量2 400 MW。电站额定水头为144 m，单机引用流量为466.6 m3/s。水电站工程坝址区河谷深切，为典型的“V”形谷，河谷的宽高比为1.82，河道总体顺直，两岸边坡总体平顺，对称性较好。旭龙水电站厂房采用引水式地下厂房，布置在主河床右岸。本文综合考虑工程区的地形地质条件、枢纽工程建筑物布置的总体情况、洞室的围岩稳定条件以及机组运行要求等多方面因素开展引水隧洞的布置及结构设计。

1 引水隧洞线路布置

1.1 地形地质条件

引水隧洞围岩主要为混合岩、花岗岩等，岩体总体以次块状-块状构造为主。花岗岩岩质新鲜、坚硬，单轴饱和抗压强度90～110 MPa，变形模量25～30 GPa，岩体声波测试Vp均值为5.29 km/s；混合岩岩质新鲜、坚硬，单轴饱和抗压强度80～100 MPa，变形模量20～25 GPa，岩体声波测试Vp均值为5.32 km/s。断层不发育，f10断层与引水洞下平段轴线大角度相交。

引水隧洞围岩以Ⅱ类为主，约占隧洞总长的87%；少部分为Ⅲ类与Ⅳ类围岩，分别约占隧洞总长的8%、5%。Ⅲ类围岩主要分布于混合岩与花岗岩交界一带以及断层带附近；Ⅳ类围巖主要分布于f10断层带附近及局部云母富集带。

1.2 进水口及地下厂房布置原则

电站进水口位置及轴线方向选择主要遵循的原则［1-4］：① 尽可能位于水流平稳地段，便于大坝布置、避免坝身泄洪影响电站进流条件；② 进水口宜尽可能靠近大坝，以减小流道系统长度、减少水头损失；③ 进水塔尽量远离云母富集带，并置于微新岩体；④ 进水口纵轴线方向尽可能顺沿等高线布置，以减小边坡开挖高度；⑤ 不影响施工缆机平台的布置，满足缆机运行空间要求；⑥ 枢纽区地震烈度较高，进水口及基础设施应避开不利地质段，并应有较好的抗震性及地基承载力。

地下厂房位置及轴线方向选择主要遵循的原则［5-8］：① 主厂房尽可能置于花岗岩地层，主洞室尽量远离下游高地应力测点区域及F1断层，并尽可能与规模相对较小的f3、f10断层有一定安全距离；② 主厂房纵轴线方向应尽量与最大水平主应力方向呈小夹角相交，并应兼顾断层与长、大结构面对洞室稳定的不利影响；③ 地下厂房洞室群洞间岩柱厚度及河床侧洞室岩体厚度需满足相关规程规范要求；④ 满足防渗排水布置需要；⑤ 保证地下厂房洞室群与拱坝拱座有一定安全距离；⑥ 利于输水线路布置。

1.3 引水隧洞线路布置

引水线路布置主要取决于主厂房和进水口的位置及其轴线方向。考虑到旭龙水电站单机引用流量较大、引水线路短，综合考虑电站运维并参考同类工程，确定采用单机单洞方案，线路共4条，平面布置如图1所示。

引水隧洞平面上采用直线接弧线转弯再接直线的布置方式，各隧洞轴线近平行。隧洞上平段轴线间距为30 m，斜井及下平段轴线间距为32 m。入口轴线垂直于进水塔，出口轴线垂直于主厂房，1～4号引水隧洞平面弧段半径分别为60.0，90.0，120.0，150.0 m。

立面上，上平段中心高程2 274.40 m，下平高压段中心高程同装机高程，为2 132.00 m，高程差为142 m，具备采用一级斜井或竖井连接的条件。综合考虑地质条件、水头损失、开挖支护及施工等因素，选择较经济、水头损失较小的斜井作为立面连接方式。斜井倾角为60°，上弯段及下弯段转弯半径均为30 m。

2 引水隧洞洞径选择

国内外已建电站（表1）［7-10］，类似水头电站引水压力管道流速一般在5～7 m/s。中国水工设计手册推荐的管道经济流速为4～6 m/s，初步确定引水隧洞洞径范围为10.5～11.2 m，经水力过渡过程复核，以不设置上游调压室为基本条件，确定引水隧洞洞径为10.8 m，洞内流速为5.1 m/s，现有施工技术水平可满足施工要求。

3 引水隧洞支护设计

引水隧洞所在地层围岩为雄松群第三段深灰色混合岩与印支期灰白色花岗岩，其中上平段岩性以混合岩为主，斜井段混合岩与花岗岩各占一半，下平段岩性均为花岗岩。隧洞岩体岩质坚硬、新鲜，岩体中主要发育近南北向为主的裂隙，混合岩岩体中短小裂隙相对较发育，花岗岩岩体以中长裂隙为主，岩体完整性均较好，断层不发育。

引水隧洞最大开挖洞径为12.6 m。隧洞进口渐变段采取喷15 cm厚C25混凝土，采用Φ32 mm，L=9 m@1.0 m×1.0 m系统锚杆，所有锚杆均伸至距离流道面5 cm，并弯折10 cm，锚杆在岩体衬砌交汇处设自由段，衬砌浇筑时，锚杆伸入衬砌结构中与其内层（靠流道侧）钢筋焊接。

隧洞洞身段，参考同类工程经验，全洞段喷素混凝土10 cm，Ⅱ类围岩洞段系统锚杆规格为Φ28 mm，L=6 m@2.0 m×2.0 m系统锚杆；Ⅲ类围岩系统锚杆规格为Φ28 mm，L=6 m@1.5 m×1.5 m系统锚杆；Ⅳ类围岩洞段根据实际情况采用工字钢I20a@1.0 m及超前锚杆进行加固后，再布置Φ28 mm，L=6 m@1.0 m×1.0 m系统锚杆。

下平段高程较低，与最大水平主应力方向夹角79°～94°，开挖过程中可能会遇到局部高地应力情况，会存在轻微片帮、剥离等现象，视超前预探地质情况，决定是否需要先导洞释放预应力，再将腰部两侧各90°范围内系统普通砂浆锚杆换为100 kN预应力锚杆。

隧洞局部穿越云母富集带、断层软弱带等部位，依据现场实际情况随机增设钢支撑进行加强支护，局部采用强度等级为C20混凝土置换，并根据围岩与断层之间的相对关系，增设随机锚杆等措施进行加固。混凝土置换后固结灌浆需穿过混凝土区域伸入原始围岩。隧洞开挖过程中揭露的块体将依据块体规模、失稳模式等采取普通锚杆或预应力锚杆、锚筋桩等加固措施。

引水隧洞除下平段压力钢管段外，均采用钢筋混凝土衬砌。参照表1同类工程经验，以及本工程内外水水头，衬砌厚度分部位如下：进口渐变段（加固段）厚度1.5～2.0 m；洞身段Ⅱ、Ⅲ类围岩部位0.8 m，Ⅳ类围岩部位主要位于下平段，考虑到可能位于局部高地应力区，衬砌厚度为1.2 m（除回填置换部分）。下平段中自距厂房上游边墙64.7 m处起采用压力钢管，压力钢管起点位于灌浆帷幕上游3.60 m处，钢管与岩壁间回填素混凝土厚0.8 m，帷幕段增加50 cm厚混凝土压浆板及高压固结灌浆。在厂前15 m加固段及Ⅳ类围岩范围采用1.2 m厚钢筋混凝土衬砌。

引水隧洞衬砌及回填混凝土实施后对顶部100°～120°范围进行回填灌浆，隧洞围岩全断面进行固结灌浆，灌浆孔间、排距均为2.5 m，孔深6.0 m，钢衬段灌浆压力0.4～0.5 MPa，其他部位灌浆压力取1.2～1.5倍内水水头。钢衬段底部120°范围内进行接触灌浆。

4 引水隧洞结构设计

4.1 结构内力计算条件

采用弹性力学有限元法对引水隧洞进行施工期、正常运行、检修及校核工况下整体稳定计算，计算荷载主要包括结构自重、内水压力、外水压力、水击压力、围岩压力、灌浆压力等。本工程引水隧洞为I级非壅水建筑物。沿洞长方向选取进口渐变段始末端、上平段中部、上平段末端、斜井段始端、斜井段中部、斜井段末端、下平段与压力钢管连接处建立模型，如图2所示。除进口渐变段以外，其余部位的衬砌在检修工况外水作用时在衬砌与围岩间设置一层0.1 m厚的“软”垫层单元，其变形模量为0.001 GPa，泊松比0.35，材料参数取值见表2。模型如图3所示。

4.2 计算结果

（1） 进口渐变段。进口渐变段衬砌结构由矩形断面渐变为圆形断面，圆形断面衬砌配筋控制工况为内水压力作用的运行工况，矩形断面衬砌配筋则受外水压力作用的检修工况控制，且所需配筋过多。因此，将渐变段围岩支护锚杆外露伸入衬砌中，给衬砌以拉拔作用。在衬砌与围岩交界处，锚杆杆体上40 cm长段做喷锌、涂沥青、加橡胶套管处理，形成自由段，使各部位锚杆受力均匀。渐变段衬砌拉拔锚杆在顶拱、边墙和底板部位布置为Φ32 mm@1 m×1 m。在检修工况下，顶拱部位锚杆最大拉力为97.56 kN，边墙部位锚杆最大拉力为219.52 kN，底板部位锚杆最大拉力为121.95 kN，锚杆拉力大小均符合要求。由于锚杆的拉拔作用，渐变段衬砌配筋由运行工况控制。由于进口渐变段均为Ⅱ类围岩，计算衬砌内外侧各2层28@20 cm钢筋，裂缝宽度验算均满足规范要求。

（2） 洞身段。正常运行工况和校核水位工况下，衬砌为受拉状态；施工期和检修工况下衬砌为受压状态。正常运行工况和校核水位工况拉应力值相差不大。由于隧洞上平段中部、平段末端、斜井段始端均为Ⅱ类围岩，计算衬砌内外侧各单层Φ25@20 cm；斜井段中部、斜井段末端、下平段与压力钢管连接处均为Ⅲ类围岩，计算得到斜井段中部衬砌内外侧各单层32@15 cm；斜井段末端衬砌内外侧各2层32@20 cm；下平段与压力钢管连接处衬砌内外侧各2层32@15 cm，裂缝宽度验算均满足规范要求。

（3） 钢衬段。下平段钢管段穿f10断层，断层前后约25 m影响带范围内属Ⅳ类围岩，考虑到钢管按地下埋管设计，钢管连接段及其后钢衬按照明管设计，外包混凝土除钢管进出口段配置钢筋外，中间洞段不配筋。

5 结语

旭龙水电站引水隧洞采用单机单洞布置方案，引水隧洞內径10.8 m，下平段经渐变段减小至径8.4 m（钢管段），单洞长度402.90～544.65 m。根据工程总体枢纽布置，选取合适的水电站进水口、地面厂房位置；结合地形地质条件，确定合理的引水隧洞布置线路；选择合适的隧洞洞径，避免设置上游调压室，优化流道结构布置；针对隧洞围岩地质条件，开展针对性支护系统设计及结构设计。优化后引水隧洞洞室稳定，支护系统安全稳定性可以得到保证。

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编辑：张爽

Layout and structural design of headrace tunnel for Xulong Hydropower Station

CHEN Jieping，WU Qiubo，ZHU Kuixu

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to reasonably design the route and structure of the headrace tunnel of Xulong Hydropower Station，based on the overall layout of the project and the topographic and geological conditions，through calculating internal force of the headrace tunnel structure and design of transition section at the entrance，tunnel body and steel lining section，the tunnel route layout and tunnel diameter comparison were carried out，the appropriate elevation type and tunnel diameter were determined，the flow path layout of the diversion and power generation system was optimized，and the setting of the upstream surge chamber was avoided.The stability of the headrace tunnel under different cases was carried out by using elastic FEM.The results showed that the headrace tunnel chamber of Xulong Hydropower Station can meet the stability requirements.

Key words：

headrace tunnel； layout of flow tunnel； stability of surrounding rock； support design； structural design； Xulong Hydropower Station

收稿日期：2023-10-30

基金项目：武汉市科技计划项目武汉英才（2021WHYCQH-01）

作者简介：陈捷平，女，工程师，硕士，主要从事水电站设计工作。E-mail：chenjp 090102@163.com