黑河小孤山水电站引水发电隧洞优化设计

第４６卷第４期　２０１０年４月　甘肃水利水电技术　Ｇａｎｓｕ　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　ａｎｄ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏｌ＿４６．Ｎｏ．４　Ａｐｒ．，２０１０　・设计与研究・　黑河小孤山水电站引水发电隧洞优化设计　粱雪瑾　（甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃兰州７３ｏｏ０ｏ）　摘要：小孤山水电站为长隧洞引水式电站，隧洞工程投资约占主体工程土建投资的７０％，并控制电站建设的总工期，　通过优化引水隧洞的洞线布置及断面型式，对于降低工程造价及缩短施工工期具有重要意义。　关键词：引水隧洞；横断面；支护衬砌；４Ｌ４￣；小孤山水电站　中图分类号：ＴＶ６７２￣．１　１工程概况　文献标识码：Ｂ　度９　８４０　ｍ，隧洞最大埋深为７３０　ｍ，布置有５条施工支洞，　分别位于隧洞进口、双沟、大孤山沟、石羊岭及隧洞出口　（调压井处）。施工支洞总长１　０５２　ｍ。最大独头掘进深度　为１　５００　ｍ，施工工期为２７个月。　方案三与方案一相比：隧洞最大埋深降低约２００　ｍ。长　度增加５８２　ｍ，隧洞施工独头掘进深度减少ｌ　０８０　ｍ，有利　于施工通风及运料，施工工期缩短１７个月，发电效益增加　小孤山水电站位于张掖市境内，位处高寒、高震地区，为　长隧洞引水式中型电站。电站主要由枢纽、引水隧洞、发电厂　房等组成。电站设计装机容量１０２　ＭＷ，设计引水流量１０５　ｍＶｓ，隧洞最大设计水头为８０　ｍ。　构成引水隧洞的围岩为坚硬的硅质板岩和石英二长岩，　围岩山体宽厚，有较大断层Ｆ竺、　、Ｆ　ＦＩ６、Ｆ。、Ｆ　Ｆ。：和一些　小断层分布，但对成洞无较大影响。岩体基本完整，开挖时局　部有少量地下水活动，围岩类别为Ⅱ～Ｖ类，硬岩与软岩均有　１７　２９８万元。但工程投资增加１　３８７．２８万元。　方案三与方案二相比：隧洞最大埋深降低约２００　ｍ，　长度增加５８２　ｍ，隧洞施工独头掘进深度减少２２２　ｍ。有　利于施工通风及运料，施工工期缩短６个月，发电效益增加　５　４６２．６万元。但工程投资增加２１３万元，投资增加额小于电　站１个月的发电收人。　分布，其中：Ⅱ类围岩约占４２％；ｍ类围岩约占４ｏ％；Ⅳ类围　岩占１０％；Ｖ类围岩占８％。　２洞线方案优化　小孤山引水发电隧洞长达９　ｋｍ多，隧洞工程投资约占　主体工程土建投资的７０％。洞线的选择和衬砌型式直接影响　到该项目的建设周期及经济效益。因此，需要研究优化隧洞　从分析比较中看出，适当增加施工支洞的数量，可显著　缩短施工总共期。洞身埋深较小时，可在需要时增加施工支　洞，使隧洞施工进度更加有保证，运料及通风、供气等工程也　更容易实施。综合比较，隧洞推荐方案三。　由于隧洞的长短直接关系到工程的造价问题，因此在方　案三的基础上结合工程地质勘察资料，技施阶段进一步调整　洞线，最终的洞线长度为９　０４０．７７１　ｍ。　３隧洞横断面形状及支护衬护型式优化　的洞线布置及断面型式，以降低工程造价及缩短施工工期。　可研阶段隧洞洞线比较顺直，洞线短是其优点，但埋置　深度大，距离黑河河谷较远，受地形条件限制，开设施工支洞　少，独头掘进长度大，施工工期长且难以保证，工程单价高。　为缩短引水隧洞施工工期，在满足枢纽总布置要求的条件　下，充分考虑地质条件，并结合施工支洞布置，初设阶段共提　出３个洞线方案进行技术经济比较。　方案一：即可行性研究阶段推荐的洞线方案，隧洞长度　９　３６６　ｍ，最大埋深达９３０　ｍ，隧洞布置有３条施工支洞。分　别位于隧洞进口、大孤山沟、隧洞出口（调压井处），施工支洞　总长６７８　ｍ。最大独头掘进深度２　５８０　ｍ，施工工期４４个月。　方案二：隧洞洞线同方案一，只是在洞线上增加了２条　施工支洞，施工支洞共布置５条，分别位于隧洞进口、双沟、　可研阶段隧洞采用圆形钢筋混凝土衬砌断面，未充分利　用围岩的自承能力，工程量较大，造成工程投资较高。本工程　引水洞线Ⅱ～Ⅲ类围岩洞段占８０％以上，岩石完整性较好，从　结构强度意义上讲可不衬砌，由围岩来承担内水压力。因此　初设阶段拟定了两个隧洞断面和衬护型式方案，即平底马蹄　形断面锚喷衬护方案和圆形断面钢筋混凝土衬砌方案。　（１）Ⅱ类围岩洞段（设计水头小于６０　ｍ）　大孤山沟、石羊岭及隧洞出口（调压井处）。施工支洞总长　２　０６５　ｍ，最大独头掘进深度１　７２２　ｍ，施工工期为３３个月。　平底马蹄形断面，喷微纤维混凝土衬护，喷层厚度ｌＯ　ｃｍ，洞径７．８　ｍ（图１）。　方案三：考虑到方案二隧洞埋深大，施工支洞长，施工工　期仍然较长，为加快工程施工进度，以缩短施工支洞长度，降　低隧洞埋深为目的，洞线向外（靠近黑河河谷）布置，隧洞长　收稿日期：２０１０—０３—２６　（２）Ⅲ类围岩洞段（设计水头小于６０　ｍ）　平底马蹄形断面，喷钢纤维混凝土衬砌，喷层厚度１０　ｃｍ，洞径为７．８Ｏ　ｍ，顶拱挂网及锚杆支护（图２）。　作者简介：梁雪瑾（１９６７一），女，河南卫辉人，工程师，主要从事水利水电工程设计。　２７・　・２０１０年第４期　甘肃水利水电技术　第４６卷　一　’　８　／　｜｛　＼现浇ｃ２　素混凝土　图１　ｌｌ类围岩洞段支护衬砌型式　图２　ｌｌｌ类围岩洞段支护衬砌型式　（３）设计水头为６Ｏ～８０　ｍ洞段的Ⅱ～Ⅲ类围岩及Ⅳ类　围岩洞段均采用现浇混凝土钢性衬砌（图３），洞径为５．８　ｍ。　衬砌厚度由结构计算确定。　ｒ潞　茹圈１，ｎ０、回填灌浆　　Ｃ２０钢筋混凝土　一　一　０　一　一Ｃ　　．入　图３　ＩＶ类围岩及高水头Ｉｌ—ＩＩＩ类围岩洞段支护衬砌型式　运用有限元法对引水发电隧洞从开挖、支护到运行、检　修全过程进行了数值模拟分析论证，设计采用的柔性支护方　案是稳定可行的。但是采用柔性支护的隧洞其不足之处在于　运行期内可能会有掉块现象，需设置积石坑。考虑到本工程　的隧洞长达９　ｋｍ多，清除掉块很不方便，从隧洞长期运行　考虑该方案是不利的。　为了充分利用围岩的自承能力，节省投资，在满足规范　及施工要求的情况下，Ⅱ～Ⅲ类围岩洞段（设计水头小于６０　ｍｊ锚喷衬护方案改为薄衬砌方案。Ⅱ～Ⅲ类围岩（设计水头　・２８・　为６Ｏ　８０　ｍ）洞段的钢性衬砌，还可进一步优化。根据进一步　结构计算，以及对悬吊式锚杆加薄衬砌断面运用有限元法，　对引水发电洞从开挖、支护到运行、检修全过程进行数值模　拟分析论证，对各种工况中围岩的位移场、应力场及支护结　构的内力特性，以及结构的尺寸优化设计方案进行了系统比　选研究，确认采用的薄衬砌方案是稳定可行的。　经过模拟分析及工程类比，设计最终采用的断面型式　为：圆形钢筋混凝土衬砌，洞径为５．８　ｍ。隧洞Ⅱ类围岩设计　水头４０　ｍ以下衬砌厚度２５　ｃｍ，其余厚度为３０　ｃｍ。Ⅲ类围　岩衬砌厚度３０　ｃｍ。１Ｖ类围岩衬砌厚度４０　ｃｍ。Ｖ类围岩衬　砌厚度７５　ｃｍ。Ⅱ类、Ⅲ类围岩均为构造配筋。Ⅱ类围岩洞段　根据围岩破碎程度设置随机锚杆，Ⅲ类围岩顶拱１８０。范围　内设置系统锚杆，Ⅳ类、Ｖ类围岩段２７０。范围内设置系统锚　杆。支护衬砌设计断面如图４—６所示。　图４　ｌｌ类围岩洞段支护衬砌断面　图５　ＩＪＩ类围岩洞段支护衬砌断面　图６　ｌｖ—Ｖ类围岩洞段支护衬砌断面　（下转封三）　第４期　蔡永丽：乐昌峡拦河坝碾压混凝土施工　第４６卷　到条带始端斜坡面中部，严禁将混凝土卸到未铺砂浆的部　位。卸料堆边缘与模板距离不小于１　Ｉｎ，与模板接触带、止水　片止浆片附近采用人工铺料，集中骨料人工分散处理。卸料　平仓严格控制各级配混凝土分界线，汽车卸料后料堆周边大　导施工；调整混凝土配合比，适当减少粉煤灰掺量。　（２）高温季节温控措施　参考以往工程的施工经验，结合实际，充分发挥碾压混　凝土水泥用量少、水泥水化热低、混凝土收缩小、徐变度小及　骨料由人工分散到料堆上，未处理的料堆附近不准卸料。平　仓时出现在条带两侧集中的骨料，由人工分散于条带上。　平仓设备为ＣＡＴＤ３Ｐ，平仓做到随卸料随平仓，平仓时　混凝土储热量少等特点，拟定了该大坝碾压混凝土夏季高温　施工技术措施，进行高温季节不问断施工。　优化混凝土原材料及施工配合比，降低原材料的初始温　度，混凝土运输控制。　铲刀从料堆一侧浅插推料，依次将料堆摊平，以减少骨料分　离。并做到浅推少刮，快提刀，边缘死角辅以人工铺料，铺料　厚度、压实厚度；平仓机平仓时扰动料堆，以分散底部集中的　喷雾降温是夏天高温施工的重要质量保证措施之一。根　据混凝土拌和能力、人仓温度及仓面处理能力等综合因素，　骨料。平仓依据模板上画出的分层线进行摊铺，做到条带平　决定各仓面ＲＣＣ分块摊铺的面积，以保证下层混凝土在初　整厚度均匀。平仓后碾压混凝土表面应平整，无凹坑。　凝前覆盖。　４．２混凝土碾压　严格控制混凝土的停放时间。混凝土拌和物从出机口到　摊铺好的条带，及时进行碾压，碾压方向平行于坝轴线，　现场碾压这时段，　ｃ值损失在１～２　ｈ内影响不大，若在３　ｈ　两岸与基岩接触带局部采用横向碾压。碾压设备为ＢＷ２０２一　以上　ｃ值损失会成倍地增长。碾压混凝土　ｃ值应控制在　ＡＤ。碾压遍数为碾压试验确定的遍数，振动碾行走速度控制　５～１５　ｓ之间，以６～１０　ｓ最佳。　在１．０～１．５　ｋｍ／ｈ以内。　仓面施工控制的其它措施。在夏季高温季节进行碾压混　碾压作业条带清楚，走偏误差控制在２０　ｃｍ范围内，相　邻碾压条带必须重叠１５～２０　ｃｍ，同一条带分段碾压时，接头　凝土铺筑时，仓面施工质量控制除前面所术的措施外，还制　定了其它措施。如混凝土在碾压时，利用碾压机本身自行喷　部位重叠碾压２．４～３．０ｍ。两条碾压条带问因作业形成的高　水２—４遍；在可能出现冷缝的边界及层面及时喷洒缓凝剂，　差，采用无振慢速碾压１－３遍作压平处理。每次碾压作业开　延缓层面混凝土的初凝时间；加强条带边部混凝土的质量控　始，对局部粗骨料集中的片区，及时派人分散粗骨料，或采用　制；尽量避开温峰时间开仓；加强混凝土养护。　小型反铲分两次摊铺，一次碾压，以消除局部骨料集中和架　５结语　空。　碾压混凝土施工较之常规混凝土，具有造价低，施工速　连续上升铺筑的混凝土，层间允许间隔时间应控制在混　度快、节省水泥、模板和劳动力等优点，技术经济效益显著等　凝土初凝时间内，夏天控制在６　ｈ内，冬天控制在８　ｈ内，混　特点。但碾压混凝土也还存在一些问题有待研究解决，如层　凝土拌和物从拌和到碾压完毕历时不得超过１２０　ｒａｉｎ，混凝　面结合处容易成为渗水的薄弱层面，混凝土运输与摊铺过程　土拌和物从摊铺到开始碾压的历时不得超过３０　ｒａｉｎ。不允　易产生骨料分离等。如何突破传统模式的限制，大胆创新，在　许人仓或平仓后的碾压混凝土拌和物长时间暴露，以免　ｃ　经过充分试验研究的基础上创造性地提出和采用新的施工　值的损失。碾压混凝土的层问允许间隔时间必须控制在混凝　技术，将是水利建设者们努力的方向。　土的初凝时间以内。　４．３混凝土温度控制　参考文献：　［１］顾志刚．碾压混凝土坝施工技术［Ｍ］．北京：中国电力出版社，　（１）冬期施工措施　２００７．　日平均气温低于３℃时，采取保温措施：用温水拌和；加　［２］ｓＬ　５３—９４，水工碾压混凝土施工规范［Ｓ］．郑州：郑州大学出版　快施工进度，仓内混凝土及时平仓碾压，碾压后立即用聚乙　社，１９９８．　烯隔热板覆盖，防止已浇混凝土表面受气温影响。　［３］徐玉杰．碾压混凝土坝施工技术与质最控制［Ｍ］．郑州：黄河水　大雨或下雪时停止施工；加强气温、混凝土温监测，以指　利出版社，２００８．　矫　’　！　　’｛’　｛’；　尔　乖　｛’：．　：　１　；｝　！锦　’：筇÷’；筇、’二＝　÷’矫　尔　尔　筇　乖　尔　乔　尔　尔　筇　棘　（上接第２８页）　济合理为原则，隧洞采用的薄衬砌方案，充分利用围岩的承　由于隧洞采用的是薄衬砌即减糙衬砌，为了充分发挥　载能力，衬砌仅起减糙和增强防渗的作用，而由围岩本身承　围岩的承载能力，应尽可能减少衬砌和围岩之问的初始施　担内水压力。隧洞衬砌完成后，通过固结灌浆来增强围岩的　工缝隙及减少围岩的渗透能力，以提高衬砌和嘲岩的联合　承载能力、降低围岩的渗透系数等措施，达到了由围岩来承　承载效果，为此隧洞的回填灌浆及固结灌浆是工程的重要　担内水压力的目的。　环节。　经过引水隧洞洞线及断面结构优化设计，选定方案比可　４结语　研方案节省工程投资３　２３４万元，施工工期缩短１７个月，其　本工程枢纽施工总工期为３０个月，发电厂房施工总工　中可提前发电１４个月，相应发电收入增加约１２　７４０万元。　期为２４个月，隧洞通过优化布置后总工期为２７个月，不影　小孤山水电站工程于２００６年３月全部完工，５月首台机组　响整个工程的施工工期，工程实践证明是比较合理的。　发电，７月３台机组全部投产发电并网运行，电站经过３　ａ　对于本工程Ⅱ～Ⅲ类较坚硬完整的，设计以结构安全、经　的运行一切正常。