仙居抽水蓄能电站引水隧洞钢衬设计

王东锋，陈丽芬

1 工程概况

仙居抽水蓄能电站位于浙江省台州市仙居县境内，地处浙南电网台、温、丽、金、衢用电负荷中心，靠近浙东南500kV主环网，地理位置优越。电站为日调节纯抽水蓄能电站，建成后主要服务于浙江电网，承担系统调峰、填谷、调频、紧急事故备用等任务。

工程枢纽主要由上水库、输水系统、地下厂房、下水库、地面开关站等建筑物组成。电站额定水头437m，总装机容量1500MW，安装4台单机容量375MW的立轴单级可逆混流式机组，年发电量25.125亿kW·h，年平均抽水电量32.63亿kW·h，综合效率77%。

2 引水隧洞地质条件

引水隧洞沿线主要为含砾晶屑熔结凝灰岩及角砾凝灰岩，岩性坚硬，并揭露有花岗闪长斑岩、石英霏细斑岩、玄武玢岩、安山玢岩等脉岩，岩脉与围岩多呈裂隙接触，沿面挤压、蚀变泥化。断层较为发育，但规模小，带内多充填碎裂岩、断层泥等，胶结差，渗水易坍塌。围岩地下水主要为裂隙性潜水，断层、节理裂隙发育部位及岩脉接触带渗水较为集中，其导水性、赋水性较好。

钻孔高压压水试验成果表明，岩体总体透水性微弱，临界压力值在6.0MPa以上，大于静水压力5.57MPa。但对于受节理切割、岩脉侵入的部位，其临界压力值仅3.0～4.5MPa，且大多数试验段的压力—流量关系曲线为D型（冲蚀型），在高压水流的长期作用下，岩体可劈裂并产生冲蚀，尤其是岩脉、断层、节理发育部位，构造裂隙连通性较好，易发生渗透失稳破坏。

3 引水隧洞衬砌结构设计

3.1 引水隧洞布置

引水系统布置在上下水库之间冲沟北侧山体内，总长约2220m，其中引水隧洞长约1219m，尾水隧洞长约1001m，均采用两洞四机布置。引水隧洞上下高差约490m，设两级斜井，倾角53°。引水隧洞过流断面直径6.2m，下平洞设对称Y形岔管，主管直径5m，支管直径3.5m，末端渐缩至2.6m，与球阀上游延伸段衔接，并以斜81°进厂。

引水隧洞纵剖面图如图1所示。

3.2 围岩承载性能

引水隧洞衬砌设计，首先要对围岩本身的承载能力进行分析。水工压力隧洞围岩由于地应力场的存在，实际上是一个预应力结构体，要使其成为安全承载结构，就必须要有足够的岩层覆盖厚度以及地应力量值，使围岩有安全承受隧洞内水压力的能力。

3.2.1 挪威准则

挪威准则是经验准则，其原理是要求不衬砌隧洞最小上覆岩体重量不小于隧洞内水压力，并再考虑1.3～1.5的安全系数，保证围岩在最大内水压力作用下，不发生上抬。经复核，本工程引水隧洞沿线山体较为雄厚，上覆岩体厚度满足挪威准则，见表1。

3.2.2 最小地应力准则

最小地应力准则建立在“岩体在地应力场中存在预应力”概念基础上，要求隧洞沿线任一点的围岩最小主应力应大于该点洞内最大静水压力，并有1.2～1.3倍的安全系数，防止发生围岩水力劈裂破坏。围岩内的最小地应力一般受岩体裂隙面上的法向应力所控制。

根据钻孔水压致裂法地应力测试，该地区地应力场以自重应力场为主，最小主应力7.25MPa，而引水下平洞最大静压力约为5.57MPa，因此引水隧洞沿线满足最小地应力准则。

3.2.3 围岩渗透准则

围岩渗透准则是指隧洞混凝土衬砌开裂后，在一定压力的渗透水长期作用下，岩体裂隙有可能会产生渗透变形，导致冲蚀破坏，渗透准则的原理是要求检验岩体及裂隙的渗透性能，是否满足渗透稳定要求，即内水外渗量不随时间持续增加或突然增加。

钻孔高压压水试验成果表明，引水隧洞围岩总体透水性微弱，但岩脉蚀变带、断层或节理切割发育部位透水性较好，且压力—流量关系曲线大部分为D型（冲蚀型），易发生渗透失稳破坏，因此必须加强对围岩的防渗处理，以提高围岩的抗渗透性能。由于整个引水隧洞中Ⅲ类偏差围岩、断层破碎带及岩脉蚀变带约占20%，虽然可以通过槽挖回填混凝土、高压固结灌浆等工程措施对上述围岩进行处理，但数量多，洞段长，其处理难度大、且效果不易评估，施工质量难以控制，此外还存在灌浆耐久性问题，工程风险较大，因此认为采用混凝土衬砌难以满足围岩渗透准则。

3.3 衬砌型式选择

根据地勘成果及围岩承载准则分析，由于引水隧洞沿线断层、岩脉发育，若隧洞全线采用钢筋混凝土衬砌，仅通过高压固结灌浆措施对断层、岩脉进行处理，存在较大的不确定因素，工程安全风险不易定量评估，工程投资与进度也不易得到有效控制，因此有必要研究采用不透水衬砌。

目前常见的不透水衬砌主要有钢板衬砌、预应力混凝土衬砌和“三明治”衬砌（双层构造混凝土间夹薄钢板）3种。为防止发生引水隧洞内水外渗，确保工程安全，经综合考虑上述3种不透水衬砌型式应用的HD值范围、技术可靠性、施工工艺成熟度、在高水头抽水蓄能电站的工程经验等因素，选用不透水衬砌中应用最广泛、实用可靠、工艺相对简单的钢板衬砌。

引水隧洞采用全钢衬布置方案，钢衬起点位于上斜井上弯段，对引水系统渗透稳定性较差的断层破碎带、节理切割密集带、岩脉蚀变带等进行了有效防护，全面解决引水系统渗透稳定问题。

3.4 钢衬结构设计

根据上述衬砌型式选择，引水上平洞采用钢筋混凝土衬砌，厚度60cm，衬后直径6.2m；上斜井至高压钢支管均采用钢板衬砌，钢衬主管直径6.2m，回填混凝土厚60cm；下平洞采用对称Y形钢岔管，主管直径5m，支管直径3.5m。钢衬结构设计原则如下。

（1）根据一般经验并考虑厂房上游边墙围岩塑性区及洞室尺寸效应，厂房上游6m范围内按明管设计，内水压力全部由钢管承担。

（2）厂房上游6～16m范围内的钢管按半埋管设计，钢衬应力取埋管应力值，围岩弹抗K取0，内水压力全部由钢管承担。

（3）其余部分按地下埋藏式钢管设计，考虑钢板、混凝土、围岩三者之间的联合受力作用和三者之间存在缝隙的影响。

（4）钢管沿线内水压力，通过过渡过程计算得到沿线动水压力值，考虑机组甩负荷压力脉动影响、模型试验机与原型机特性差别，脉动压力取甩前静水头的6%，计算误差取压力上升值的10%。经计算，沿线设计水头为85～794m。

（5）全钢衬外水压力取决于地下水位、外水折减系数、地下排水系统布置。本工程设有中平洞排水廊道、下平洞及支管排水廊道，结合水文地质特点，假定钢管运行期地下水位线接近地表，排水廊道以上外水则按0.6～0.4折减。

（6）钢板采用Q345R低合金钢、600MPa级和800MPa级高强钢。为尽量减免焊后消应力处理，Q345R钢、600MPa级钢设计厚度上限控制值分别为38mm、40mm，当计算厚度超过厚度上限控制值时需跳档为高一级钢材。

引水钢衬计算成果见表2。

3.5 钢管外排水设计

为降低钢衬外水压力，提高钢衬抗外压失稳能力，钢衬设置外排水系统。根据引水隧洞的全钢衬布置形式及推测的地下水位线，共设置了两层排水廊道以及钢管外壁排水辅助措施。

上层排水廊道位于两条中平洞之间，与中平洞施工支洞垂直相交，排水廊道顶拱向上布置倒八字形排水深孔，间距6m，孔深50m，排水孔水平投影范围覆盖中平洞及下斜井上方区域，能够对上斜井底部、中平洞及下平洞外水形成有效的降压作用。

下层排水廊道位于引水支管上方约35m处，平面上呈三纵一横布置，并与厂房上层排水廊道衔接。排水廊道向上布置人字形排水深孔，间距6m，孔深40m，同时向下布置竖直深孔，间距6.0m、孔深50m，形成对引水下平洞及支管全方位的降压体系。

在排水廊道的降压基础上，钢衬外壁全长设置贴壁外排水作为辅助措施，以提高钢管安全裕度。钢管外壁布置排水角钢，并且每隔30m设置一道环向集水槽钢，提高外排水系统通畅的可靠度。为了能够有效的监测钢管外排水情况，其中上斜及中平洞管外排水管自中平洞施工支洞引出，设置量水堰；下斜井及下平洞管外排水管引排至厂房下层排水廊道，设置流量仪监测。

3.6 引水隧洞灌浆

固结灌浆主要功能为加固围岩，提高围岩承载能力以及抗渗性能。该工程钢衬与围岩联合承载，为改善钢衬的受力条件，对围岩破碎或承载力不足的洞段进行裸岩灌浆，主要选择断层或节理发育带、岩脉蚀变带等。裸岩灌浆虽然压力较低，但通过喷混凝土封闭开挖面后对破碎带灌浆，其胶结效果仍较好，灌后波速提高明显。此外，裸岩灌浆还能够避免钢衬开孔灌浆带来的不利因素，如灌浆塞封堵渗漏、高强钢开孔产生裂纹等。

回填灌浆主要针对平洞段顶拱，其中Q345R钢衬开孔回填灌浆，600MPa及800MPa级钢衬则采用预埋管回填灌浆。

4 结语

仙居抽水蓄能电站引水隧洞衬砌型式的选择与设计是前期研究阶段的一项重要内容，不仅开展了大量的地质勘察与试验工作，而且通过技术经济比较，对引水隧洞的衬砌型式进行深入的研究，从工程的永久安全角度考虑，最终选定全钢衬方案，可靠的解决了高水头下地下洞室围岩的渗透稳定问题。