青龙水电站引水隧洞优化设计

牛斌，刘宇

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都610072)

1 工程概况

青龙水电站属白水江水电规划一库七级方案中的第七级梯级电站，为引水式开发。引水隧洞长13.924 km，电站发电引用流量132.66 m3/s，设计内水压力0.15～0.71 MPa，属于低水头、大断面引水隧洞，位于白水江左岸。隧洞线路布置主要受木正沟、抹地沟、大坝沟、牧马沟、梨儿沟5条支沟及荷叶坡堆积体、魏家半山堆积体控制，除抹地沟规模较大外，其余沟规模较小、纵坡降较大。根据隧洞区的地形地质条件，隧洞线路布置采用绕沟方式，隧洞从沟谷和堆积体下部基岩中通过。引水隧洞沿线布置了6条施工支洞。

由于各设计阶段设计要求及深度不同，为保证工程安全、降低造价、方便施工，各设计阶段根据补充地勘工作及其揭示的地质条件，适时地对引水隧洞的布置及结构设计进行了优化调整。

2 初步设计阶段引水隧洞的布置

在初步设计阶段，引水隧洞从进水口至调压室全长约13.498 km，隧洞进口底板顶高程为1 257 m，至调压室处底板顶高程降为1 234.1 m，隧洞纵坡i=1.7‰。隧洞布置主要受荷叶坡堆积体、抹地沟和魏家半山堆积体控制。

初设阶段地质评价隧洞围岩以Ⅲ类为主，部分为Ⅳ、Ⅴ类，隧洞围岩整体条件较好。经对圆形断面和马蹄形断面两种衬砌断面型式进行综合分析比较，为方便施工和避免圆形断面施工中多挖多填而导致的施工附加量较大等问题，引水隧洞断面型式采用平底马蹄形，底宽6.5 m，高8.5 m。

3 招标设计阶段引水隧洞的布置及优化

在招标设计阶段，进一步细化了各段围岩条件，重点对隧洞过荷叶坡、抹地沟、魏家半山段补充了地表地质测绘并补充了四个钻孔进行补勘，对以Ⅲ－2类围岩为主的洞段可能存在的错动带、构造挤压带、夹层风化带的分布和影响范围进行了地表调查和辅助剖面分析，并根据上一级双河水电站引水隧洞开挖揭示的地质条件，将(引)0+000～0+910洞段轴线调整为与地层走向呈大角度相交。

通过本阶段对引水隧洞布置的设计优化调整，引水隧洞洞线长度由初设的13 498 m增至13 630 m，虽然洞线增长了132 m，但提高了调整洞段围岩的稳定性和施工安全性。由于本阶段地质评价隧洞围岩仍以Ⅲ类为主，部分为Ⅳ、Ⅴ类，故引水隧洞永久衬砌断面型式仍采用平底马蹄形。

4 技施设计阶段引水隧洞的布置及优化

(1)技施设计阶段引水隧洞洞线的优化调整。

在技施设计阶段，根据1#～6#施工支洞开挖揭示的地质条件，结合地表地质补充调查、物探TSP超前地质预报成果及1 245±15 m高程地质平切图(隧洞进口底板高程为1 257 m，隧洞末端底板高程为1234.1 m)，分别于2008年6月和2009年6月对引水隧洞进行了两次洞线优化调整。

2007年10月～2008年6月，根据1#～6#施工支洞开挖揭示的地质条件及地表地质调查和测绘复核资料，结合隧洞地质平切面和剖面进行分析:若按招标洞线方案围岩类别将发生较大变化，Ⅲ类围岩由原来的79.23%变为50.5%，Ⅳ类围岩由13.61%变为34.6%，Ⅴ类围岩由7.16%变为14.9%。为改善引水隧洞的围岩工程地质条件，尽量避开不利围岩段，考虑将洞线置于围岩条件较好的中厚～厚层灰岩中，尽量大角度穿越围岩条件较差的薄层、薄板状灰岩及灰岩夹板岩区段，从而减小施工难度，加快施工进度。因此，对(引)2+170后的引水隧洞洞线进行了优化调整，调整后引水隧洞洞线总长度为14 078 m，较招标长度增加约448 m。2009年6月，根据5#～6#施工支洞间主洞的开挖情况，及时对(引)12+343～13+240段洞线进行了微调，洞线调整后长度缩短了154 m。

经过技施阶段两次洞线优化调整后，引水隧洞洞线总长度为13 924 m，较招标阶段长度增加约294 m，较初设阶段长度增加约426 m。虽然引水隧洞洞线增长了，但提高了调整洞段围岩的整体稳定性，减少了初期支护的工程量，降低了开挖施工期的施工难度，提高了隧洞开挖施工期的安全性。

(2)技施设计阶段引水隧洞断面型式的优化调整。

①引水隧洞断面型式优化调整的必要性。

在初步设计阶段，根据现场地质勘察成果，表明引水隧洞工程区围岩整体质量较好，成洞条件较好，围岩类别以Ⅲ类为主，选择了全线马蹄形衬砌断面，以达到节约工程投资、方便施工的目的。

在技施设计阶段，根据2009年5月围岩类别复核成果，Ⅳ、Ⅴ类围岩比例相对初设和招标阶段提高较多，在已开挖的8 568 m洞段Ⅳ、Ⅴ类围岩比例约占45%，并且大部分分布在隧洞4#～5#支洞关键线路上。由于Ⅳ、Ⅴ类围岩的增加，整个隧洞钢筋、混凝土量、回填灌浆量、固结灌浆量均较招标阶段增加较多，隧洞工程投资也较初设阶段和招标阶段增加较多，并且部分洞段边墙发生变形导致初期支护部分侵占了永久结构断面。因此，为了降低工程投资和保障变形处理时隧洞施工的安全，尽量减少变形洞段处理的工程量，对隧洞衬砌断面型式进行优化调整很有必要。

②引水隧洞断面型式的选择。

2009年4～8月，结合前期招标和现场实际施工情况、马蹄形和圆形结构计算成果，有针对性地拟定了全线Ⅳ、Ⅴ类围岩马蹄形衬砌方案、马蹄形和圆形组合衬砌两种衬砌断面型式并进行了比选。考虑到引水隧洞设计内水压力为0.15～0.71 MPa，属于低水头隧洞，在综合考虑结构安全可靠度、结构计算原理、施工条件和管理、工程造价等方面因素后，最终决定采用马蹄形和圆形断面组合衬砌方案，开挖断面型式仍然为马蹄形断面，从而避免了对剩余洞段开挖施工的不利影响。对于地质条件较好的Ⅲ类围岩洞段仍采用挂网喷锚衬砌，断面型式采用平底马蹄形;对于地质条件较差的Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段，采用钢筋混凝土衬砌，其中对引水隧洞(引)0+000～5+700上游低水头洞段采用马蹄形断面衬砌型式;对引水隧洞(引)5+700～13+924下游高水头洞段采用圆形断面衬砌型式。

③引水隧洞断面型式优化调整引起的主要工程量及工程投资变化。

相对全线马蹄形断面衬砌方案，马蹄形和圆形断面组合衬砌方案永久衬砌混凝土工程量增加了22 995 m3，但钢筋量节省了6 995 t。从两方案可比部分工程投资看，采用马蹄形和圆形断面组合衬砌方案，工程直接投资费用节省3 296万元。

(3)技施设计阶段引水隧洞固结灌浆的优化。

在初设阶段，引水隧洞Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段固结灌浆孔深入基岩4.5 m，每排8孔，排距2.5 m。整个固结灌浆洞段总长度为3 375 m，固结灌浆总延米数为55 890 m。

在技施阶段，由于围岩条件的变化，Ⅳ、Ⅴ类围岩比例相对初设和招标阶段提高较多，整个固结灌浆洞段总长度接近8 126m，如果仍采用初步设计及招标设计固结灌浆参数，则固结灌浆总延米数将达到117 015 m，并且Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段的裂隙节理发育完整性较差，固结灌浆试验成果表明耗灰量较大。为了控制隧洞工程投资，在隧洞初步固结灌浆试验、隧洞围岩岩体质量综合测试成果(围岩受爆破影响范围为1.5～2.25 m)及隧洞水力学复核成果基础上进行了隧洞固结灌浆参数优化调整。(引)0+000～4+000洞段固结灌浆孔深入基岩3.5 m，每排8孔，排距3 m;(引)4+000～13+924洞段固结灌浆孔深入基岩4 m，每排8孔，排距3 m。通过优化调整后，隧洞固结灌浆总延米数为93 244 m，减少固结灌浆延米数23 771 m。

5 结语

青龙水电站引水隧洞属于低水头、大断面引水隧洞，沿线地质条件复杂，在招标技施设计阶段，根据现场各施工工作面揭示的实际地质条件，以及进一步的补充勘探工作，发现引水隧洞围岩条件和前期设计结论存在一定的差异，初期开挖支护变形问题突出。为了控制工程安全及投资风险，结合隧洞现场实际施工情况、围岩复核成果、固结灌浆试验成果适时地优化调整了隧洞洞线、断面型式及固结灌浆，从而提高了隧洞围岩稳定性，降低了工程安全风险，有效地控制了工程投资的增加。通过青龙水电站各设计阶段对引水隧洞的优化调整设计，对今后类似工程设计优化及安全、投资风险控制有一定的借鉴作用。