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水电站无压隧洞设计方案分析

[摘要]两河村小型水电站无压隧洞的原设计方案中隧洞的施工存在工作面少,工期长,防洪压力大等问题,引水隧洞的施工工期成为影响电站能否早日发挥效益的最大因素。针对此问题,根据实际地形、地质、洪水等情况,通过分析论证后,优化方案中取消原设计方案中两处沟道中的明涵,变为隧洞,同时增加两条支洞,通过方案优化后,可以将隧洞施工中原来的六个工作面增加至八个工作面,同时避免了洪水的影响。同时可缩短工期及节约工程投资,为工程早日发挥效益提供保障。

[关键词]无压隧洞;设计方案;优化

1工程概况

两河村小型水电站为径流引水式电站,主要由低坝引水枢纽、输水隧洞、压力前池、压力管道和电站厂房等建筑物组成[1]。挡水坝采用WES曲线实用堰,全断面溢流,坝顶长度66m,最大高度9m。电站进水口布设于河道左岸,渠首设进水闸一孔,孔口尺寸4m×2m(宽×高)、冲沙闸两孔,孔口尺寸3m×3m(宽×高)。电站设计水头60.0m,设计引水流量11m3/s,电站装机5000kW,输水隧洞线路长5380m(含明涵),隧洞采用城门洞形断面,为无压隧洞。隧洞设计比降1/2000,断面净尺寸为3m×4.3m(宽×高)。

2隧洞设计方案

2.1隧洞

电站输水隧洞布置于河道左岸,输水隧洞线路长5380m(含明涵),隧洞采用城门洞形断面,为无压隧洞。隧洞设计比降1/2000,断面净尺寸为3m(宽)×4.3m(高)。考虑到隧洞地质的不确定性,设计采用两种主要衬砌形式,隧洞进出口及不良地质段落隧洞底板采用C25素混凝土衬砌,衬砌厚度200mm,侧墙和拱顶采用C25钢筋混凝土衬砌,衬砌厚度400mm,拱顶衬砌后,进行回填灌浆处理;其余隧洞断面底板及侧墙采用C25素混凝土衬砌,衬砌厚度200mm,拱顶采用C25细石混凝土喷护,喷护厚度80mm。为降低外压对隧洞衬砌断面的影响,隧洞沿线拱顶径向均布置φ50mm排水孔。隧洞施工采用钻爆法施工。1号隧洞桩号0+000~0+980,长980m,为便于施工,增加工作面,根据地形条件,在桩号0+980处,设计有1号支洞,同时为便于出渣和排烟,支洞断面尺寸与主洞断面尺寸相同,工程结束后将支洞进行封堵。2号隧洞桩号0+980~2+930,长1950m,桩号2+930处为一条小沟道,常年有水,此处设计为1号明涵,明涵长度为60m,明涵采用C25钢筋混凝土箱涵,断面净尺寸为3(宽)m×4.3(高)m。3号隧洞桩号2+930~4+140,长1210m,桩号4+140处为一条小沟道,季节性有水,此处设计为2号明涵,明涵长度为80m,明涵亦采用C25钢筋混凝土箱涵,断面净尺寸为3(宽)m×4.3(高)m。4号隧洞桩号4+140~5+380,长1240m,桩号5+380处接入前池。

2.2明涵

1号明涵位于桩号2+930处,沟道内常年有水,设计此处为隧洞施工时的一个进口工作面,为保证隧洞常年能够施工,需要做施工导流,根据地形条件及沟道洪水计算结果,设计在沟道内修建M7.5浆砌石围堰,浆砌石基础坐落于基岩上,围堰长62.5m、高度为4.5m,顶宽1.0m,临水侧坡比为1∶0.25,背水侧铅直[2]。2号明涵位于桩号4+140处,季节性有水,设计此处亦为隧洞施工时的一个进口工作面,为保证隧洞常年能够施工,此处亦需要做施工导流,根据地形条件及沟道洪水计算调查结果,设计在沟道内修建M7.5浆砌石围堰,浆砌石基础坐落于基岩上,围堰长35.2m、高度为3.0m,顶宽0.8m,临水侧坡比为1∶0.25,背水侧铅直[2]。明涵施工采用土石方明挖进行施工,完成后进行回填,恢复沟道地形原貌。

3存在问题

该水电站为低坝径流引水式电站,输水隧洞线路较长,因最大因素。受地形条件影响,隧洞采用钻爆法施工,同时受工作面限制,出渣和通风排烟困难较大,工期得不到保障。为了缩短隧洞施工工期,隧洞施工需尽可能可采用多个工作面同时进行施工,按照此设计方案,考虑到汛期洪水的影响,共有六个工作面可以常年进行施工。但是,汛期虽然有围堰进行施工导流,在汛期施工时,亦存在着一定的不安全因素,影响着隧洞施工安全。明涵施工需等隧洞施工基本结束时方可进行,同时由于受洪水影响,导流难度较大,需安排在枯水期施工,因此,明涵施工极大的限制了工期安排计划,直接影响着工程进度。为了保证施工安全,同时加快施工进度,根据地形、地质、洪水等实际情况,需要对原设计方案进行优化。

4方案优化

4.1优化思路

针对原设计方案中工期较长和施工时受洪水的影响的两个问题,设计方案优化时,重点对其解决。为缩短隧洞施工工期,经过对地形、地质、洪水等实际情况的认真研究和反复论证,将1号明涵与2号明涵处原各一个工作面变为各两个工作面,即将原设计的六个工作面增加至八个工作面。为了减小洪水的影响,取消原设计中在沟道处的明涵,变为隧洞,在沟道中不出现土石方明挖,即可避免施工时洪水的影响。

4.2设计方案的优化

依据优化思路,设计考虑取消原设计的1号明涵与2号明涵,同时在1号明涵与2号明涵沟道附近各增加一条支洞。2号支洞设计,根据地质勘察结果及地形条件,原设计的1号明涵在穿越沟道时,此处岩体最小覆盖厚度为3.2m,沟道内基岩裸露,岩性为大理岩夹千枚岩,裂隙不发育,围岩比较稳定,围岩类别为Ⅱ类,围岩坚固系数(f)为6~8,成洞条件较好,优化后设计2号支洞位于原设计的1号明涵沟道内靠近主洞上游侧,桩号2+900,支洞长65m,支洞断面尺寸与主洞断面尺寸相同,即断面净尺寸为3(宽)m×4.3(高)m。工程结束后进行封堵。调整后,主洞穿越沟道施工时,宜边开挖边支护,为保证后期此段隧洞使用的安全,主洞穿越沟道段急时衬砌,衬砌方式同原主洞全断面衬砌设计方案[2]即底板采用C25素混凝土衬砌,衬砌厚度200mm,侧墙和拱顶采用C25钢筋混凝土衬砌,衬砌厚度400mm,拱顶衬砌后,进行回填灌浆处理。3号支洞设计,根据地质勘察结果及地形条件,原设计的2号明涵在穿越沟道时,此处岩体最小覆盖厚度为4.5m,沟道内基岩裸露,岩性为微风化~新鲜的结晶灰岩,岩层结构面紧密,裂隙多闭合,岩块致密坚硬,该段围岩总体基本稳定,围岩类别为Ⅱ类,围岩坚固系数(f)为8,成洞条件较好,优化后设计3号支洞位于原设计的2号明涵沟道内靠近主洞下游侧,桩号4+200,支洞长86m,支洞断面尺寸与主洞断面尺寸相同,即断面净尺寸为3(宽)m×4.3(高)m。工程结束后进行封堵。调整后,主洞穿越沟道施工时,亦边开挖边支护,为保证后期此段隧洞使用的安全,主洞穿越沟道段急时衬砌,衬砌方式同原主洞全断面衬砌设计方案[3]。

5优化后方案的可行性

对优化的方案与原设计方案进行对比,优化后的方案,取消了明涵的施工,减少了土石方明挖的工程量,减少了对植被的破坏,减少了水土流失,减少了沟道施工导流设施,减少了沟道洪水对隧洞施工的干扰和安全隐患,保证了隧洞施工的安全性,同时增加了隧洞施工的工作面,可以缩短隧洞施工工期。优化后的方案中增加了支洞,表面上工程费用有一定的增加,但经过与原方案比较,取消的明涵施工,减少的土石方开挖,减少沟道临时施工导流等的费用与之相比较,相差不大,同时又可以保证隧洞全年施工,且不用再受沟道洪水的侵扰,又可以缩短工期,优势比较明显,优化后的方案切实可行。

6结语

由于受地形条件的限制,本电站的输水隧洞均较长(980m~1950m),隧洞的施工工期直接影响着电站的发电效益,因此,需要尽可能缩短隧洞施工工期。本文通过对隧洞原设计方案从地形、地质、洪水影响、工期安排、造价等综合因素分析研究后,对设计方案进行了优化,同时分析了其可行性。后期通过科学管理,合理安排施工,工程付诸实施后,能高效、安全、经济和成功的实现预定目标,争取电站尽早投入运行,早日发挥效益。

作者:赵杰斐 单位:陕西省汉中市水利水电建筑勘测设计院

参考文献

[1]GB50071-2014,小型水力发电站设计规范[S].

[2]SL379-2007,水工挡土墙设计规范[S].

[3]SL279-2016水工隧洞设计规范[S].

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