透水理论在南湃水电站高压引水隧洞中的应用

许战军，康晓娟

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

随着中国水电建设水平的提高，出现了许多高压引水隧洞。在这类隧洞中，衬砌体无法承受高的内水压力，混凝土出现开裂，内水外渗，围岩成为承受水压力的主体，衬砌混凝土的作用除减糙、限制裂缝宽度外，最主要的是传递荷载，将内水压力传递给围岩，类似于不衬砌隧洞[1]。中国国内对于衬砌隧洞内水压力有面力理论(认为混凝土衬砌结构不透水结构)和体力理论(认为混凝土衬砌结构为透水结构)2种观点。随着天荒坪和广州抽水蓄能电站的建成，体力理论的合理性得到了进一步的验证。

1 工程概况

老挝南湃水电站属跨流域长引水、高水头电站，电站总装机容量86 MW。引水系统由进水口、压力隧洞段、压力钢管埋管段和地面钢衬钢筋混凝土管段组成。引水系统总长8.2 km，其中引水隧洞长6 705.12 m，由3个平段和2个竖井段组成。隧洞开挖断面为圆形平底，开挖洞径4.4 m(底宽2.9 m)，衬砌后洞径3.5 m(宽2.45 m)，竖井断面为圆形断面，开挖直径2.13 m。隧洞引用流量14.45 m3/s，最大内水压力570 m。

上平段围岩为“薄层凝灰岩”，Ⅲ1类围岩约占5.98%、Ⅲ2类围岩约占57.22%、Ⅳ类围岩约占30.74%、Ⅴ类围岩约占6.06%。

中平段围岩以”中厚层凝灰岩“为主，局部间夹薄层黑色板岩、或薄层凝灰岩，Ⅱ类围岩约占6.33%、Ⅲ1类围岩约占41.44%、Ⅲ2类围岩约占40.57%、Ⅳ类围岩约占11.66%。

下平段围岩以“中厚层凝灰岩”为主，局部间夹薄层黑色板岩、或薄层凝灰岩，Ⅲ1类围岩约占37.2%、Ⅲ2类围岩约占53.0%、Ⅳ类围岩约占9.8%。

2 支护设计

南湃水电站引水系统处在工期关键线路上，支护工程对水电站的工期影响较大。为节约投资和节省工期，该隧洞按透水理论设计。该理论必须满足岩石最小覆盖准则(挪威准则、雪山准则)、最小主应力准则(水力劈裂准则)和渗透稳定准则，这“三大准则”从避免可能发生的上抬、水力劈裂和渗透稳定3种破坏形式的角度对不衬砌或钢筋混凝土衬砌隧洞设计原则进行了限定。南湃水电站在进行隧洞布置时以同时满足“三大准则”为目标，设计按围岩类别，结合内水压力量级、固结灌浆质量要求和水头损失综合考量支护型式。

(1) Ⅱ、Ⅲ类围岩

上平段和中平段的Ⅱ、Ⅲ类围岩洞段，最大内水头350 m，在围岩稳定的情况下采用挂网喷的支护型式。下平段Ⅱ、Ⅲ类围岩洞段除考虑围岩稳定外，主要从提高灌浆质量的角度采用全断面钢筋混凝土衬砌。

(2) Ⅳ、Ⅴ类围岩

Ⅳ、Ⅴ类围岩由于岩体结构面发育，岩体破碎，围岩稳定性差，因此全断面采用混凝土衬砌以抵抗外压(外水压力和山岩压力)和内水压力(通过渗流计算确定内外水压差)。

3 固结灌浆设计

对于长引水隧洞衬砌设计，除了考虑引水隧洞安全之外，沿线渗透量也是衬砌设计关注的问题之一，渗透量过大不仅影响水电站的发电效益，而且影响隧洞安全。渗透问题是无衬砌压力隧洞稳定的一个重要问题，国外不少工程失事就是由渗漏引起的[2]。目前规范上没有对渗透量大小做出限制，南湃水电站进行了隧洞的渗流计算，计算结果显示在正常运行情况下，渗漏量主要发生在中平段和下平段，总渗透量约为642 L/s，单位长度渗透量约为0.15 L/s。但这个计算结果的可靠性受到渗透边界以及计算参数的影响，一般情况下很难算准，只能作一个量级上的参考。

为了控制隧洞渗水量，全洞均布置了固结灌浆，灌浆压力按不小于内水压力的1.0倍考虑。详见表1。

表1 引水隧洞各段固结灌浆参数表

注：通过试验确定固结灌浆的设计参数。

4 排水设计

高压引水隧洞经过长期运行渗透稳定后，会对隧洞一定范围内的地下水产生影响，当隧洞放空时衬砌体要承担这部分外水压力。为了保证放空时衬砌结构的安全，也为使衬砌结构受力边界更为清晰，南湃水电站在下平段衬砌混凝土上(Ⅱ、Ⅲ类洞段)布置了系统排水孔，排水孔利用固结灌浆孔扫孔而成，入岩0.3 m。排水孔布置如图1所示。

图1 排水孔布置示意图

5 结 语

南湃水电站引水隧洞采用透水设计节约了工期和投资，取得良好的经济效益。目前隧洞已经充水运行8个多月，隧洞运行状态良好，现场实测渗透量为0.12 m3/s(为引用流量的0.83%)，充分说明隧洞衬砌设计的合理性。总结该隧洞支护设计有以下几点对类似水电站有积极的借鉴意义。

(1) 透水理论的核心是衬砌体为透水结构，岩石是承受内水压力的主体。满足“三大准则”是该类隧洞设计的前提。在此基础上可结合糙率、围岩抗外压稳定性以及灌浆质量控制等因素综合决定采用何种衬砌方式。但该理论在Ⅳ、Ⅴ类围岩、软岩和遇水恶化的高压隧洞中要谨慎使用。

(2) 重视对隧洞局部缺陷的处理。引水隧洞或多或少存在一定的地质缺陷，这些部位是隧洞支护设计的重点部位，特别重视可能引发渗透破坏的地质缺陷，如断层、张性裂隙密集带等缺陷的处理。

(3) 重视固结灌浆的作用。在透水理论设计的隧洞中，固结灌浆不仅仅起加固围岩的作用，更起到防渗的作用，减少发生渗透破坏的风险。南湃水电站通过现场灌浆试验验证了合适的固结灌浆设计对降低围岩一定范围内的渗透性效果非常有效。

总之，高压隧洞衬砌设计是一个复杂的设计过程，需要综合多方面的因素做出选择，不可一概而论。地质缺陷部位是隧洞衬砌设计的重点，无论隧洞对渗漏量有无要求，从渗透稳定的角度讲都必须重视隧洞防渗设计。