巖口水庫工程取水兼發(fā)電引水洞方案設(shè)計(jì)

葉凱敏 任堂 張曉敏

1 工程概況

巖口水庫工程位于貴州省銅仁市印江縣峨嶺鎮(zhèn)的印江河上，距印江縣城2.0 km，是一座以供水、防洪為主，結(jié)合灌溉，兼顧發(fā)電等綜合利用的大（2）型水庫工程。巖口水庫工程由樞紐工程和輸水工程兩部分組成，樞紐工程主要由面板堆石壩、左岸放空泄洪洞、右岸溢洪洞、右岸取水兼發(fā)電引水洞及生態(tài)電站等建筑物組成。水庫總庫容1.17億m3，最大壩高68 m，正常蓄水位532.00 m，死水位為507 m，調(diào)節(jié)庫容為6 552萬m3。為了充分利用水能資源，本工程設(shè)置壩后式電站。電站利用印江縣城工業(yè)生活供水、生態(tài)基流和水庫棄水發(fā)電。巖口水庫電站裝機(jī)容量9 MW，電站多年平均發(fā)電量為2 761萬kW·h，裝機(jī)年利用小時數(shù)為3 068 h。

2 工程背景

1996年9月18日22時許，在印江河左岸巖口河段發(fā)生一起特大型牽引式深層基巖滑坡，滑體從標(biāo)高為670 m的印江河左岸斜坡上快速沖入標(biāo)高為474 m的河谷中，方量約260萬m3，形成了高51.4 m的天然堆石壩體及水深42.24 m、庫容3 821萬m3的堰塞湖。前期搶險應(yīng)急治理工程包括開鑿2條導(dǎo)流兼泄洪洞、1條泄洪洞、滑坡堆體整治及左岸邊坡整治。其中2#導(dǎo)流兼泄洪洞位于右岸，進(jìn)口高程482 m，城門洞型，完工斷面6.2 m×6.2 m，洞長679 m。其中鋼筋混凝土襯砌長116 m，祼洞長563 m，水位503 m時泄洪能力299 m3/s，水位525 m時泄洪能力450 m3/s。受當(dāng)時搶險整治工程資金所限，洞內(nèi)有超2/3長度為“裸洞”，由于常年過水，隧洞運(yùn)行20年來未進(jìn)行檢修，洞內(nèi)存在垮塌阻塞的風(fēng)險。

從工程防洪任務(wù)、工程投資、建設(shè)工期等方面綜合考慮，本工程擬將原2#導(dǎo)流兼泄洪洞改建成取水兼發(fā)電引水洞，既徹底消除因2#導(dǎo)流兼泄洪洞堵塞而導(dǎo)致的現(xiàn)有堰塞體“潰壩”隱患，保證堰塞體下游印江縣城防洪安全，又承擔(dān)工程取水、生態(tài)基流下放功能，并在隧洞出口新建電站，充分利用生態(tài)基流及水庫棄水發(fā)電。

3 取水兼發(fā)電引水洞方案設(shè)計(jì)

3.1 地質(zhì)條件

取水兼發(fā)電引水洞位于右岸上游至下游河灣地帶。隧洞穿越地層有T1y2（灰?guī)r、鈣質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r）、T1y1（泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾頁巖）、P2c燧石灰?guī)r、P2w燧石灰?guī)r，圍巖類別為Ⅲ～Ⅳ類，多為層狀結(jié)構(gòu)。進(jìn)口為順向坡，岸邊裂隙發(fā)育，洞內(nèi)局部地段沿裂面存在溶蝕擴(kuò)大現(xiàn)象。

3.2 取水兼發(fā)電引水洞布置

取水兼發(fā)電引水洞布置在面板堆石壩右側(cè)，利用原2#導(dǎo)流兼泄洪洞改建而成，由引渠段、進(jìn)水塔段、漸變段、龍?zhí)ь^段、圓形隧洞等組成，正常運(yùn)行的最大流量為40.5 m3/s。引渠段底板高程499.50 m，底寬14 m，長9.0 m；采用獨(dú)立塔式進(jìn)水口，自上游依次布置攔污柵、疊梁門、開敞式疊梁門庫、事故檢修門。進(jìn)水口長22.0 m，寬14.0 m，高44.0 m；流道寬度為8.0 m，邊墩厚3.0 m；進(jìn)口為平底喇叭口型，頂部和兩側(cè)均為橢圓曲線，底板高程為499.50 m。進(jìn)水口頂設(shè)門機(jī)操作平臺，高程541.00 m，通過操作棧橋連接岸邊平臺和場內(nèi)道路。檢修閘門槽后設(shè)置長10.0 m的方變圓漸變段，后接“龍?zhí)ь^”段圓形隧洞，洞徑5.8 m?！褒?zhí)ь^”段上游與封堵體混凝土相接，下游原2#導(dǎo)流兼泄洪洞改建段。取水兼發(fā)電引水洞洞長633.79 m。其中：取0+022.000—取0+073.415段為進(jìn)口漸變段，取0+073.415—取0+590.800段利用原2#導(dǎo)流兼泄洪洞改建而成，采用混凝土回填改建成洞徑5.0 m的圓形斷面；取0+590.80—取0+655.79段為新建隧洞段，取0+590.80—取598.80段洞徑由5.0 m漸變成4.0 m，取0+598.80—取0+655.79段洞徑為4.0 m。隧洞出口處接入壓力鋼管，壓力鋼管分為5個卜型岔管，其中3根內(nèi)徑2.0 m卜型岔管經(jīng)副廠房連接主廠房內(nèi)的3臺機(jī)組，1根內(nèi)徑0.8 m生態(tài)放水管，和1根內(nèi)徑2.0 m鋼管通向閥室連接取水管，發(fā)電尾水和生態(tài)放水經(jīng)由尾水渠排入下游河道中。如圖1所示。

圖1 取水兼發(fā)電引水系統(tǒng)布置圖

3.3 取水兼發(fā)電引水洞設(shè)計(jì)

3.3.1 進(jìn)水口型式

根據(jù)巖口生態(tài)電站的運(yùn)行方式、引用流量、樞紐建筑物布置總體要求，地質(zhì)地形條件等因素，輸水線路終點(diǎn)位于水庫樞紐左右兩岸，故進(jìn)水口的選擇主要根據(jù)兩岸地形條件，由于兩岸均無合適的埡口地形，而左岸為凹岸，進(jìn)水口布置較困難，且取水發(fā)電洞是利用原2#導(dǎo)流兼泄洪洞改建而成，右岸為凸岸，并考慮與取水發(fā)電隧洞結(jié)合布置的要求，擔(dān)負(fù)著水庫供水和發(fā)電的任務(wù)。綜合右岸地形地質(zhì)條件，考慮經(jīng)濟(jì)和管理等各方面因素，進(jìn)水口選擇右岸，與右岸永久路連接?？紤]到本工程大壩為當(dāng)?shù)夭牧蠅?，進(jìn)水口選用獨(dú)立進(jìn)水口。岸塔式進(jìn)水口與原2#導(dǎo)流兼泄洪洞進(jìn)口結(jié)合，引起的開挖量較小，岸塔式進(jìn)水口結(jié)構(gòu)受力明確，塔兩側(cè)開挖后回填混凝土，塔基坐落在巖石中，有利于進(jìn)水口的整體穩(wěn)定。

為防止產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦，進(jìn)水口需滿足最小淹沒深度的要求，最小淹沒深度S按如下公式計(jì)算：

取水口最小淹沒深度為0.973 m，需滿足不應(yīng)小于1.5～2.0 m的要求，則進(jìn)水口最小淹沒深度取1.5 m，孔口高度6.0 m，死水位507.00 m，進(jìn)口底高程不應(yīng)高于499.50 m。進(jìn)口底高程取為499.50 m，且高于運(yùn)行50年壩前泥沙淤積高程498.48 m，滿足規(guī)范要求。

3.3.2 洞徑選擇

水庫發(fā)電洞設(shè)計(jì)流量為40.5 m3/s，取水兼發(fā)電引水洞經(jīng)濟(jì)流速范圍2.0～4.0 m/s，但生態(tài)電站的裝機(jī)僅為9 MW，裝機(jī)規(guī)模較小，因此規(guī)模論證階段按不設(shè)調(diào)壓井的原則。選取3.5、4.5、5.8 m 3種洞徑比選方案。

設(shè)置上游調(diào)壓室的條件，可按《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式判別：5.0 m。

表1 斷面計(jì)算成果表

表1 為斷面計(jì)算成果，從表1可知，3種洞徑方案均能滿足不設(shè)調(diào)壓井原則，且3者平均流速均在經(jīng)濟(jì)流速范圍內(nèi)，考慮到該隧洞利用原2#導(dǎo)流兼泄洪洞改建而成，從最大限度減少回填混凝土量、節(jié)省工程投資和減少工期角度分析，洞徑選取為

3.3.3 取水兼發(fā)電引水洞水頭損失計(jì)算

取水兼發(fā)電引水洞水頭損失包括局部水頭損失和沿程水頭損失。局部損失主要發(fā)生在取水發(fā)電洞進(jìn)水口、進(jìn)口欄污柵、檢修門槽、進(jìn)口漸變段、轉(zhuǎn)彎段以及漸變段等部位，計(jì)算時根據(jù)局部布置型式，選取單一的局部損失系數(shù)計(jì)算；沿程水頭損失計(jì)算采用謝才－曼寧公式，根據(jù)襯砌材料不同選取糙率系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。取水兼發(fā)電引水洞水頭損失計(jì)算中鋼筋混凝土襯砌段糙率取0.014、壓力鋼管段取0.012，經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)流量40.5 m3/s的水頭損失為0.892 m。

3.3.4 取水兼發(fā)電引水洞支護(hù)和襯砌設(shè)計(jì)

取水兼發(fā)電引水洞由進(jìn)口漸變段，新建段和原導(dǎo)流兼泄洪洞結(jié)合段，其中進(jìn)口漸變段總長度51.41 m，新建段總長度64.99 m，原導(dǎo)流兼泄洪洞結(jié)合段總長度為517.39 m，共計(jì)633.79 m。取水兼發(fā)電引水洞圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算方法采用巖土工程數(shù)值仿真分析軟件FINAL，針對取水兼發(fā)電引水洞施工期、運(yùn)行期、水錘發(fā)生期各工況圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，綜合考慮支護(hù)型式及各種地質(zhì)、埋深、荷載工況等條件，選取了3個剖面進(jìn)行施工期、運(yùn)行期、水錘發(fā)生期引水隧洞二維彈塑性非線性有限元分析。并根據(jù)SL 377—2007《水利水電工程錨噴支護(hù)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，取水兼發(fā)電引水洞新建段隧洞一次支護(hù)形式為：Ⅲ類圍巖隧洞段采用的一次支護(hù)形式為上部180°范圍內(nèi)噴混凝土厚0.10 m，Φ8@0.2 m×0.2 m掛網(wǎng)鋼筋，采用Φ25系統(tǒng)錨桿，長4.5 m，排距1.5 m，梅花形布置；Ⅳ類圍巖隧洞段采用的一次支護(hù)形式為上部180°范圍內(nèi)噴混凝土厚0.15 m，Φ8@0.2 m×0.2 m掛網(wǎng)鋼筋，采用Φ25系統(tǒng)錨桿，長4.5 m，排距1.2 m，梅花形布置。取水兼發(fā)電引水洞新建段二次襯砌采用圓形斷面型式，襯砌后斷面直徑為6.2 m，Ⅲ類、Ⅳ類圍巖段及斷層破碎帶，襯砌按雙層配筋，襯砌厚度均為0.6 m。原隧洞斷面6.2 m×6.2 m圓拱直墻斷面，其頂拱120°，二次襯砌采用圓形斷面型式，襯砌后斷面直徑6.2 m。襯砌按雙層配筋，襯砌厚度均為0.6 m。原城門洞斷面與圓形斷面之間采用C15素混凝土回填。

4 結(jié)語

（1）取水兼發(fā)電引水洞長633.79 m，正常運(yùn)行最大引水流量為40.5 m3/s，因洞徑的大小決定工程的造價，洞徑越大電能損失越少，通過洞徑比選，最大限度地利用原2#導(dǎo)流兼泄洪洞，確定未設(shè)調(diào)壓井時最經(jīng)濟(jì)洞徑。

（2）通過穩(wěn)定性及優(yōu)化支護(hù)分析計(jì)算確定了取水兼發(fā)電引水洞的進(jìn)口漸變段，新建段和原導(dǎo)流兼泄洪洞結(jié)合段支護(hù)襯砌方式。

（3）取水兼發(fā)電引水洞該設(shè)計(jì)方案在消除原導(dǎo)流兼泄洪建筑物安全隱患的同時，滿足了工程取水、生態(tài)基流下放等功能，并可利用生態(tài)基流及水庫棄水發(fā)電，一舉多得，具有簡化工程布置、縮短工期、顯著節(jié)省工程投資的優(yōu)點(diǎn)，為類似地質(zhì)災(zāi)害體治理工程提供了一種新的設(shè)計(jì)思路，具有參考借鑒意義。