小水電站采用無(wú)壓引水隧洞的探討

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摘   要：針對(duì)已建的小水電引水工程中普遍采用的無(wú)壓引水隧洞方案，總結(jié)分析其投資、施工技術(shù)條件和對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，并就有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討。表１個(gè)。
    關(guān)鍵詞：小水電水電站引水系統(tǒng)引水隧洞隧洞設(shè)計(jì)無(wú)壓隧洞

    １、概況
    截至２００３年漳浦縣已建小水電站５９座，總裝機(jī)２．８３萬(wàn)ｋＷ，其中從１９９８年至２００３年的６年期間新建２１座，總裝機(jī)１．１４萬(wàn)ｋＷ。全縣已建的水電站采用無(wú)壓引水隧洞有１１處總長(zhǎng)１１．８６ｋｍ，占總引水線路長(zhǎng)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(fù)雜多變，開(kāi)挖明渠后需全斷面護(hù)砌，同樣的輸水流量，其單位渠長(zhǎng)的投資與無(wú)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(fèi)用，減少土地征用和青苗賠償費(fèi)用，保護(hù)環(huán)境，獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)可避免由于處理土地征用和賠償問(wèn)題而延誤工期。因此，近幾年小水電站引水工程普遍采用無(wú)壓引水隧洞方案。目前，小水電建設(shè)熱潮方興未艾，采用無(wú)壓引水隧洞方案普遍得到投資者的認(rèn)可，對(duì)改善和保護(hù)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(duì)已建的幾處水電站的引水工程統(tǒng)計(jì)分析，引水流量在１．２～５ｍ３/ｓ的無(wú)壓引水隧洞，斷面為城門(mén)形，寬１．５～２ｍ，高２．５ｍ（直墻高２ｍ，矢高０．５ｍ），單位長(zhǎng)度投資６００～１０５０元（含襯砌，下同），其中開(kāi)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(zhǎng)１２０６ｍ，縱坡１/５００，投資１３０萬(wàn)元，單位渠長(zhǎng)投資１０８０元；無(wú)壓引水隧洞３處長(zhǎng)２６０５ｍ，縱坡１/５００，斷面為城門(mén)形，寬２ｍ，直墻高２ｍ，矢高０．５ｍ，投資３０２萬(wàn)元，單位長(zhǎng)度投資１１６０元，其中開(kāi)挖投資１４４萬(wàn)元，單位洞長(zhǎng)投資５５０元。三角潭水電站建引水隧洞２處長(zhǎng)９００ｍ，斷面為城門(mén)形，寬２ｍ，直墻高２ｍ，矢高０．５ｍ，投資５１萬(wàn)元，單位長(zhǎng)投資５６０元，其中開(kāi)挖投資５２５元。另外，統(tǒng)計(jì)近３年以來(lái)興建的無(wú)壓引水隧洞５處總長(zhǎng)６２６０ｍ，洞寬１．５～２ｍ，至拱頂高２．２～２．５ｍ，單位洞長(zhǎng)投資為７１５～５６０元，其中開(kāi)挖投資５３０～４５０元。統(tǒng)一分析表明，隧洞與明渠的平均單位長(zhǎng)投資比較接近。隨著施工隊(duì)伍的增加，通過(guò)投標(biāo)競(jìng)爭(zhēng)，隧洞施工承包價(jià)會(huì)逐漸下降。
    ２）從技術(shù)方面，隧洞的施工技術(shù)逐漸提高。對(duì)小斷面隧洞施工，各地均有專業(yè)施工隊(duì)伍，機(jī)械設(shè)備配套較完善，工人對(duì)鑿巖、支承、襯砌以及洞內(nèi)安全保護(hù)措施，對(duì)塌方的處理和預(yù)防都有一套較成熟的經(jīng)驗(yàn)。因此，小斷面隧洞施工，在技術(shù)上已沒(méi)有障礙。
    ３）在引水工程中，隧洞方案可縮短引水線長(zhǎng)度，減少因明渠段開(kāi)挖所需的土地征用、青苗賠償和拆遷賠償費(fèi)用。在工程建設(shè)中，因解決土地征用和賠償?shù)日咝缘膯?wèn)題，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(shè)計(jì)流量１．５ｍ３ｓ。原設(shè)計(jì)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(zhǎng)４００ｍ采用鋼筋砼圓涵。就因?yàn)榻鉀Q渠道通水滲漏對(duì)下樓村群眾造成危害性和處理沿途拆遷賠償?shù)葐?wèn)題，用了近半年時(shí)間還是未能達(dá)成協(xié)議。后來(lái)將原傍山渠道方案改為隧洞線方案，隧洞長(zhǎng)３４０ｍ，改線后渠段比原來(lái)縮短５４１ｍ。實(shí)施后工程投資比原方案減少７萬(wàn)元，其中減少賠償費(fèi)用４．５萬(wàn)元。
    ４）對(duì)改善和保護(hù)生態(tài)環(huán)境有益。改善和保護(hù)生態(tài)環(huán)境是小水電建設(shè)工程的一項(xiàng)主要目標(biāo)。在一條河流上有水力資源可開(kāi)發(fā)利用的，大都是連續(xù)梯級(jí)開(kāi)發(fā)建設(shè)電站，開(kāi)挖明渠對(duì)植被產(chǎn)生破壞，造成新的水土流失。采用隧洞方案，對(duì)實(shí)施小水電生態(tài)保護(hù)工程是一項(xiàng)很好的措施之一。
    ５）方便管理，提高經(jīng)濟(jì)效益。調(diào)查本縣１９８０年以來(lái)運(yùn)行的無(wú)壓引水隧洞，無(wú)發(fā)現(xiàn)因隧洞問(wèn)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(fèi)用，而且影響電站經(jīng)濟(jì)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(wàn)元。
    ３、有關(guān)問(wèn)題的探討
    ３．１隧洞選線
    隧洞選線，除了注意洞線的地質(zhì)條件外，還應(yīng)把洞線進(jìn)出口與明渠的連接形式通盤(pán)考慮，進(jìn)行方案比較選定。下樓電站引水工程，在進(jìn)行下樓隧洞選線過(guò)程中，曾對(duì)兩種洞軸線方案做較詳細(xì)分析比較。第１方案雖洞身短（洞長(zhǎng)２４０ｍ），但隧洞出口需經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(zhǎng)明洞。第２方案為實(shí)施方案。為避開(kāi)出口深挖地段，在距進(jìn)口１４３ｍ處洞軸線轉(zhuǎn)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(zhuǎn)折處內(nèi)夾角１５３°４０′５７″，進(jìn)口直線段長(zhǎng)１４３ｍ，沿山脊線穿過(guò)，出口直線段長(zhǎng)１９７ｍ，沿山谷右側(cè)傍山穿過(guò)，隧洞總長(zhǎng)３４０ｍ。隧洞軸線通過(guò)的地段，山體穩(wěn)定，山坡表面已有巖石暴露，洞軸外側(cè)復(fù)蓋厚度１６～２０ｍ，洞口挖深７ｍ，且土質(zhì)良好，挖方工程大大減少。雖然洞長(zhǎng)比第１方案多１００ｍ，但兩個(gè)方案投資接近。
    ３．２隧洞進(jìn)出口布置應(yīng)注意事項(xiàng)
    按一般規(guī)定，開(kāi)始進(jìn)洞的位置，洞頂復(fù)蓋厚度大于３倍的洞高就可進(jìn)洞。下樓隧洞的進(jìn)出口斷面是在開(kāi)挖深７ｍ就開(kāi)始進(jìn)洞（洞高２．２ｍ），提早進(jìn)洞可減少開(kāi)挖工作量。洞口位置應(yīng)盡量選擇在土質(zhì)好的山脊處，進(jìn)出口與渠道連接宜采用渡槽跨過(guò)山谷或暗渠穿過(guò)，這樣可避開(kāi)洪水對(duì)洞口的威脅，對(duì)施工以及今后的渠道管理都有利。
    ３．３隧洞斷面的確定
    無(wú)壓流隧洞洞身水力計(jì)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(jì)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(fēng)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(jì)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(guān)于石洞襯砌與非襯砌投資比較
    巖石堅(jiān)硬完整地段，對(duì)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(duì)過(guò)水面以下的兩側(cè)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(dāng)流量、底坡和過(guò)水深不變時(shí)，經(jīng)過(guò)襯砌后迎水面糙率降低，洞寬減少，開(kāi)挖量減少，從而得出增加襯砌后的單位洞長(zhǎng)投資比非襯砌省。現(xiàn)從下列數(shù)據(jù)加以說(shuō)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?。比較結(jié)果：進(jìn)行襯砌比非襯砌單位長(zhǎng)投資減少７５元，詳（見(jiàn)表１）。

    ４、結(jié)束語(yǔ)
    隨著隧洞施工技術(shù)的提高和機(jī)械設(shè)備的革新，工程投資會(huì)逐步下降。當(dāng)?shù)匦蔚刭|(zhì)條件適宜的情況下，小水電引水應(yīng)盡量采用隧洞方案，可獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，符合生態(tài)電站建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展的思想。對(duì)結(jié)構(gòu)上不要求襯砌的隧洞，是否通過(guò)襯砌降低糙率，節(jié)省投資，要因地制宜，通過(guò)比較采用。