小水电站采用无压引水隧洞的探讨

    １、概况
    截至２００３年漳浦县已建小水电站５９座，总装机２．８３万ｋＷ，其中从１９９８年至２００３年的６年期间新建２１座，总装机１．１４万ｋＷ。全县已建的水电站采用无压引水隧洞有１１处总长１１．８６ｋｍ，占总引水线路长度的７２％。
    已建小水电的引水流量大都在１．２～５ｍ３?ｓ，由于引水渠线沿途山坡较陡峻，地形复杂多变，开挖明渠后需全断面护砌，同样的输水流量，其单位渠长的投资与无压引水隧洞接近。而采用隧洞方案可缩短引水线路，减少管理维修费用，减少土地征用和青苗赔偿费用，保护环境，获得更好的经济效益，同时可避免由于处理土地征用和赔偿问题而延误工期。因此，近几年小水电站引水工程普遍采用无压引水隧洞方案。目前，小水电建设热潮方兴未艾，采用无压引水隧洞方案普遍得到投资者的认可，对改善和保护生态环境大有益处，符合可持续发展的思想。
    ２、被普遍采用的原因
    １）从工程投资方面看，能被投资者所接受。对已建的几处水电站的引水工程统计分析，引水流量在１．２～５ｍ３/ｓ的无压引水隧洞，断面为城门形，宽１．５～２ｍ，高２．５ｍ（直墙高２ｍ，矢高０．５ｍ），单位长度投资６００～１０５０元（含衬砌，下同），其中开挖投资在５５０元以下。如澎水电站的二期东线引水工程，引水流量５ｍ３/ｓ，引水明渠长１２０６ｍ，纵坡１/５００，投资１３０万元，单位渠长投资１０８０元；无压引水隧洞３处长２６０５ｍ，纵坡１/５００，断面为城门形，宽２ｍ，直墙高２ｍ，矢高０．５ｍ，投资３０２万元，单位长度投资１１６０元，其中开挖投资１４４万元，单位洞长投资５５０元。三角潭水电站建引水隧洞２处长９００ｍ，断面为城门形，宽２ｍ，直墙高２ｍ，矢高０．５ｍ，投资５１万元，单位长投资５６０元，其中开挖投资５２５元。另外，统计近３年以来兴建的无压引水隧洞５处总长６２６０ｍ，洞宽１．５～２ｍ，至拱顶高２．２～２．５ｍ，单位洞长投资为７１５～５６０元，其中开挖投资５３０～４５０元。统一分析表明，隧洞与明渠的平均单位长投资比较接近。随着施工队伍的增加，通过投标竞争，隧洞施工承包价会逐渐下降。
    ２）从技术方面，隧洞的施工技术逐渐提高。对小断面隧洞施工，各地均有专业施工队伍，机械设备配套较完善，工人对凿岩、支承、衬砌以及洞内安全保护措施，对塌方的处理和预防都有一套较成熟的经验。因此，小断面隧洞施工，在技术上已没有障碍。
    ３）在引水工程中，隧洞方案可缩短引水线长度，减少因明渠段开挖所需的土地征用、青苗赔偿和拆迁赔偿费用。在工程建设中，因解决土地征用和赔偿等政策性的问题，涉及面广，往往延误了工期，使工程施工处于尴尬状态。如本县的下楼电站引水渠，渠道设计流量１．５ｍ３ｓ。原设计方案位于渠线３＋１０９～４＋２５９的渠段为傍山渠道，其中途经下楼社后渠段长４００ｍ采用钢筋砼圆涵。就因为解决渠道通水渗漏对下楼村群众造成危害性和处理沿途拆迁赔偿等问题，用了近半年时间还是未能达成协议。后来将原傍山渠道方案改为隧洞线方案，隧洞长３４０ｍ，改线后渠段比原来缩短５４１ｍ。实施后工程投资比原方案减少７万元，其中减少赔偿费用４．５万元。
    ４）对改善和保护生态环境有益。改善和保护生态环境是小水电建设工程的一项主要目标。在一条河流上有水力资源可开发利用的，大都是连续梯级开发建设电站，开挖明渠对植被产生破坏，造成新的水土流失。采用隧洞方案，对实施小水电生态保护工程是一项很好的措施之一。
    ５）方便管理，提高经济效益。调查本县１９８０年以来运行的无压引水隧洞，无发现因隧洞问题引起的停水事故。因小水电地处山区多暴雨区，易产生山洪暴发而冲毁明渠停止发电，不但增加维修费用，而且影响电站经济效益。如本县石坂水电站，１９９９年，引水渠被水冲跨３０ｍ，停止发电２０天，减少发电收入６万元。
    ３、有关问题的探讨
    ３．１隧洞选线
    隧洞选线，除了注意洞线的地质条件外，还应把洞线进出口与明渠的连接形式通盘考虑，进行方案比较选定。下楼电站引水工程，在进行下楼隧洞选线过程中，曾对两种洞轴线方案做较详细分析比较。第１方案虽洞身短（洞长２４０ｍ），但隧洞出口需经过长６０ｍ的深挖方地段，挖方工程量大，施工条件困难，威胁工程安全，挖后还需接长明洞。第２方案为实施方案。为避开出口深挖地段，在距进口１４３ｍ处洞轴线转向山谷右边，成为山谷线傍山隧洞。这样隧洞轴线在平面上由两直线相交而成，转折处内夹角１５３°４０′５７″，进口直线段长１４３ｍ，沿山脊线穿过，出口直线段长１９７ｍ，沿山谷右侧傍山穿过，隧洞总长３４０ｍ。隧洞轴线通过的地段，山体稳定，山坡表面已有岩石暴露，洞轴外侧复盖厚度１６～２０ｍ，洞口挖深７ｍ，且土质良好，挖方工程大大减少。虽然洞长比第１方案多１００ｍ，但两个方案投资接近。
    ３．２隧洞进出口布置应注意事项
    按一般规定，开始进洞的位置，洞顶复盖厚度大于３倍的洞高就可进洞。下楼隧洞的进出口断面是在开挖深７ｍ就开始进洞（洞高２．２ｍ），提早进洞可减少开挖工作量。洞口位置应尽量选择在土质好的山脊处，进出口与渠道连接宜采用渡槽跨过山谷或暗渠穿过，这样可避开洪水对洞口的威胁，对施工以及今后的渠道管理都有利。
    ３．３隧洞断面的确定
    无压流隧洞洞身水力计算采用等速流公式。由于小水电引水流量较小，按输水流量所计算的断面往往不能满足施工断面的要求，因此，需按满足施工要求的断面确定。按现有的一般施工方法，并考虑排水和通风管所占的宽度，采用的施工断面为宽不少于１．５ｍ、高度不少于１．８ｍ（衬砌后）。下楼隧洞计算的宽１．４ｍ，水深１．２ｍ，选用衬砌后的宽１．５ｍ，高２．０６ｍ（其中直墙高１．６８ｍ、拱矢高０．３８ｍ）。
    ３．４关于石洞衬砌与非衬砌投资比较
    岩石坚硬完整地段，对于小断面隧洞，一般不考虑衬砌。但为了降低糙率，采用局部衬砌（仅对过水面以下的两侧墙和底板）方法，衬砌材料采用Ｍ５砂浆砌片石，衬砌厚度０．１ｍ。当流量、底坡和过水深不变时，经过衬砌后迎水面糙率降低，洞宽减少，开挖量减少，从而得出增加衬砌后的单位洞长投资比非衬砌省。现从下列数据加以说明：
    取流量Ｑ＝２．５ｍ３?ｓ，底坡ｉ＝１?５００，水深ｈ＝１．６ｍ，不衬砌取糙率ｎ＝０．０４，衬砌糙率取ｎ＝０．０２５。比较结果：进行衬砌比非衬砌单位长投资减少７５元，详（见表１）。

    ４、结束语
    随着隧洞施工技术的提高和机械设备的革新，工程投资会逐步下降。当地形地质条件适宜的情况下，小水电引水应尽量采用隧洞方案，可获得更好的经济效益，符合生态电站建设和可持续发展的思想。对结构上不要求衬砌的隧洞，是否通过衬砌降低糙率，节省投资，要因地制宜，通过比较采用。