小水電站采用無壓引水隧洞的探討

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摘   要：針對已建的小水電引水工程中普遍采用的無壓引水隧洞方案，總結分析其投資、施工技術條件和對生態(tài)環(huán)境的保護，并就有關問題進行探討。表１個。
    關鍵詞：小水電水電站引水系統(tǒng)引水隧洞隧洞設計無壓隧洞

    １、概況
    截至２００３年漳浦縣已建小水電站５９座，總裝機２．８３萬ｋＷ，其中從１９９８年至２００３年的６年期間新建２１座，總裝機１．１４萬ｋＷ。全縣已建的水電站采用無壓引水隧洞有１１處總長１１．８６ｋｍ，占總引水線路長度的７２％。
    已建小水電的引水流量大都在１．２～５ｍ３?ｓ，由于引水渠線沿途山坡較陡峻，地形復雜多變，開挖明渠后需全斷面護砌，同樣的輸水流量，其單位渠長的投資與無壓引水隧洞接近。而采用隧洞方案可縮短引水線路，減少管理維修費用，減少土地征用和青苗賠償費用，保護環(huán)境，獲得更好的經(jīng)濟效益，同時可避免由于處理土地征用和賠償問題而延誤工期。因此，近幾年小水電站引水工程普遍采用無壓引水隧洞方案。目前，小水電建設熱潮方興未艾，采用無壓引水隧洞方案普遍得到投資者的認可，對改善和保護生態(tài)環(huán)境大有益處，符合可持續(xù)發(fā)展的思想。
    ２、被普遍采用的原因
    １）從工程投資方面看，能被投資者所接受。對已建的幾處水電站的引水工程統(tǒng)計分析，引水流量在１．２～５ｍ３/ｓ的無壓引水隧洞，斷面為城門形，寬１．５～２ｍ，高２．５ｍ（直墻高２ｍ，矢高０．５ｍ），單位長度投資６００～１０５０元（含襯砌，下同），其中開挖投資在５５０元以下。如澎水電站的二期東線引水工程，引水流量５ｍ３/ｓ，引水明渠長１２０６ｍ，縱坡１/５００，投資１３０萬元，單位渠長投資１０８０元；無壓引水隧洞３處長２６０５ｍ，縱坡１/５００，斷面為城門形，寬２ｍ，直墻高２ｍ，矢高０．５ｍ，投資３０２萬元，單位長度投資１１６０元，其中開挖投資１４４萬元，單位洞長投資５５０元。三角潭水電站建引水隧洞２處長９００ｍ，斷面為城門形，寬２ｍ，直墻高２ｍ，矢高０．５ｍ，投資５１萬元，單位長投資５６０元，其中開挖投資５２５元。另外，統(tǒng)計近３年以來興建的無壓引水隧洞５處總長６２６０ｍ，洞寬１．５～２ｍ，至拱頂高２．２～２．５ｍ，單位洞長投資為７１５～５６０元，其中開挖投資５３０～４５０元。統(tǒng)一分析表明，隧洞與明渠的平均單位長投資比較接近。隨著施工隊伍的增加，通過投標競爭，隧洞施工承包價會逐漸下降。
    ２）從技術方面，隧洞的施工技術逐漸提高。對小斷面隧洞施工，各地均有專業(yè)施工隊伍，機械設備配套較完善，工人對鑿巖、支承、襯砌以及洞內安全保護措施，對塌方的處理和預防都有一套較成熟的經(jīng)驗。因此，小斷面隧洞施工，在技術上已沒有障礙。
    ３）在引水工程中，隧洞方案可縮短引水線長度，減少因明渠段開挖所需的土地征用、青苗賠償和拆遷賠償費用。在工程建設中，因解決土地征用和賠償?shù)日咝缘膯栴}，涉及面廣，往往延誤了工期，使工程施工處于尷尬狀態(tài)。如本縣的下樓電站引水渠，渠道設計流量１．５ｍ３ｓ。原設計方案位于渠線３＋１０９～４＋２５９的渠段為傍山渠道，其中途經(jīng)下樓社后渠段長４００ｍ采用鋼筋砼圓涵。就因為解決渠道通水滲漏對下樓村群眾造成危害性和處理沿途拆遷賠償?shù)葐栴}，用了近半年時間還是未能達成協(xié)議。后來將原傍山渠道方案改為隧洞線方案，隧洞長３４０ｍ，改線后渠段比原來縮短５４１ｍ。實施后工程投資比原方案減少７萬元，其中減少賠償費用４．５萬元。
    ４）對改善和保護生態(tài)環(huán)境有益。改善和保護生態(tài)環(huán)境是小水電建設工程的一項主要目標。在一條河流上有水力資源可開發(fā)利用的，大都是連續(xù)梯級開發(fā)建設電站，開挖明渠對植被產(chǎn)生破壞，造成新的水土流失。采用隧洞方案，對實施小水電生態(tài)保護工程是一項很好的措施之一。
    ５）方便管理，提高經(jīng)濟效益。調查本縣１９８０年以來運行的無壓引水隧洞，無發(fā)現(xiàn)因隧洞問題引起的停水事故。因小水電地處山區(qū)多暴雨區(qū)，易產(chǎn)生山洪暴發(fā)而沖毀明渠停止發(fā)電，不但增加維修費用，而且影響電站經(jīng)濟效益。如本縣石坂水電站，１９９９年，引水渠被水沖跨３０ｍ，停止發(fā)電２０天，減少發(fā)電收入６萬元。
    ３、有關問題的探討
    ３．１隧洞選線
    隧洞選線，除了注意洞線的地質條件外，還應把洞線進出口與明渠的連接形式通盤考慮，進行方案比較選定。下樓電站引水工程，在進行下樓隧洞選線過程中，曾對兩種洞軸線方案做較詳細分析比較。第１方案雖洞身短（洞長２４０ｍ），但隧洞出口需經(jīng)過長６０ｍ的深挖方地段，挖方工程量大，施工條件困難，威脅工程安全，挖后還需接長明洞。第２方案為實施方案。為避開出口深挖地段，在距進口１４３ｍ處洞軸線轉向山谷右邊，成為山谷線傍山隧洞。這樣隧洞軸線在平面上由兩直線相交而成，轉折處內夾角１５３°４０′５７″，進口直線段長１４３ｍ，沿山脊線穿過，出口直線段長１９７ｍ，沿山谷右側傍山穿過，隧洞總長３４０ｍ。隧洞軸線通過的地段，山體穩(wěn)定，山坡表面已有巖石暴露，洞軸外側復蓋厚度１６～２０ｍ，洞口挖深７ｍ，且土質良好，挖方工程大大減少。雖然洞長比第１方案多１００ｍ，但兩個方案投資接近。
    ３．２隧洞進出口布置應注意事項
    按一般規(guī)定，開始進洞的位置，洞頂復蓋厚度大于３倍的洞高就可進洞。下樓隧洞的進出口斷面是在開挖深７ｍ就開始進洞（洞高２．２ｍ），提早進洞可減少開挖工作量。洞口位置應盡量選擇在土質好的山脊處，進出口與渠道連接宜采用渡槽跨過山谷或暗渠穿過，這樣可避開洪水對洞口的威脅，對施工以及今后的渠道管理都有利。
    ３．３隧洞斷面的確定
    無壓流隧洞洞身水力計算采用等速流公式。由于小水電引水流量較小，按輸水流量所計算的斷面往往不能滿足施工斷面的要求，因此，需按滿足施工要求的斷面確定。按現(xiàn)有的一般施工方法，并考慮排水和通風管所占的寬度，采用的施工斷面為寬不少于１．５ｍ、高度不少于１．８ｍ（襯砌后）。下樓隧洞計算的寬１．４ｍ，水深１．２ｍ，選用襯砌后的寬１．５ｍ，高２．０６ｍ（其中直墻高１．６８ｍ、拱矢高０．３８ｍ）。
    ３．４關于石洞襯砌與非襯砌投資比較
    巖石堅硬完整地段，對于小斷面隧洞，一般不考慮襯砌。但為了降低糙率，采用局部襯砌（僅對過水面以下的兩側墻和底板）方法，襯砌材料采用Ｍ５砂漿砌片石，襯砌厚度０．１ｍ。當流量、底坡和過水深不變時，經(jīng)過襯砌后迎水面糙率降低，洞寬減少，開挖量減少，從而得出增加襯砌后的單位洞長投資比非襯砌省?，F(xiàn)從下列數(shù)據(jù)加以說明：
    取流量Ｑ＝２．５ｍ３?ｓ，底坡ｉ＝１?５００，水深ｈ＝１．６ｍ，不襯砌取糙率ｎ＝０．０４，襯砌糙率?。睿剑埃埃玻怠１容^結果：進行襯砌比非襯砌單位長投資減少７５元，詳（見表１）。

    ４、結束語
    隨著隧洞施工技術的提高和機械設備的革新，工程投資會逐步下降。當?shù)匦蔚刭|條件適宜的情況下，小水電引水應盡量采用隧洞方案，可獲得更好的經(jīng)濟效益，符合生態(tài)電站建設和可持續(xù)發(fā)展的思想。對結構上不要求襯砌的隧洞，是否通過襯砌降低糙率，節(jié)省投資，要因地制宜，通過比較采用。