邵莉芳　黄保冲

摘要：引水建筑物在引水式电站中所占投资比例较大，发电引水隧洞是引水式电站较为简单和常用的引水建筑物，因而发电引水隧洞型式选择对引水建筑物乃至工程布置、工程投资及效益影响较大。文章分析了发电引水隧洞压力状态对引水建筑物和工程布置的影响。

关键词：发电引水隧洞；压力状态选择；引水建筑物；引水式电站；工程布置；工程投资 文献标识码：A

中图分类号：TV732 文章编号：1009-2374（2016）20-0125-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.062

引水建筑物在引水式电站中所占投资比例较大，发电引水隧洞是引水式电站较为简单和常用的引水建筑物，因而发电引水隧洞型式选择对引水建筑物乃至工程布置、工程投资及效益影响较大。发电引水隧洞选择有压隧洞还是无压隧洞对引水式电站的工程布置、工程投资及效益影响很大。

1 发电引水隧洞压力状态选择对引水建筑物和工程布置的影响

1.1 对引水建筑物型式和布置的影响

引水式电站的有压引水建筑物一般由有压进水口、有压引水隧洞、调压室及地下式压力管道等部分组成，引水式电站的无压引水建筑物一般由无压进水口、无压引水隧洞（或渠道）、前池及地面式压力管道等部分组成。

1.1.1 对进水口型式和布置的影响。有压引水隧洞进水口型式一般采用有压进水口，无压引水隧洞进水口型式一般采用无压进水口。进水口一般除满足过栅流速和闸门布置要求外，有压进水口水力计算主要应满足最小淹没深度的要求，而无压进水口水力计算主要应满足进水口过流能力的要求。一般情况下，有压进水口结构比无压进水口结构复杂且投资大。

1.1.2 对引水隧洞型式和布置的影响。SL279对有压引水隧洞型式和布置的有关规定：有压引水隧洞要求在最不利的运行条件下，洞顶以上应有不小于2.0m的压力水头；有压引水隧洞的垂直和侧向最小覆盖厚度应符合第3.1.7条的规定；有压隧洞宜采用圆形断面，在围岩稳定性较好、内外水压力不大时，可采用便于施工的其他断面形状。SL279对无压引水隧洞型式和布置的有关规定：在低流速无压隧洞中，若通气条件良好，在恒定流情况下，洞内水面线以上的空间不宜小于隧洞断面积的15%，且高度不应小于400mm；在非恒定流条件下，若计算中已考虑了涌波时，上述数值允许适当减小；对较长的隧洞和不衬砌或锚喷衬砌的隧洞，上述数值可适当增加；无压隧洞地质条件较好时宜采用圆拱直墙式断面，圆拱中心角为90°～180°；断面的高宽比应根据水力学和地质条件选用，宜为1.0～1.5，洞内水位较大时宜采用大的比值；无压隧洞地质条件较差时，可选用圆形或马蹄形断面。

由以上规定可知，发电引水隧洞压力状态对引水隧洞型式和布置的影响是较大的。由于有压引水隧洞洞顶以上的最小压力水头不应小于2.0m，且有压引水隧洞的垂直和侧向最小覆盖厚度应符合SL279第3.1.7条的规定，以及有压引水隧洞的最高与最低水头压力线受水库校核洪水位与死水位和调压室的最高与最低涌波水位控制，因此有压引水隧洞的埋深要比无压引水隧洞的埋深大很多。当然，发电引水隧洞压力状态对引水隧洞影响较大的还是在隧洞结构和渗透稳定性方面的区别，尤其是在地质条件较差时影响就更大些。

1.1.3 对调压设施型式和布置的影响。有压引水隧洞末端一般应设置调压室（引水隧洞长度较短时除外），无压引水隧洞末端一般应设置前池或调节池（采用自动调节隧洞除外）。设置调压室往往比布置前池要简单很多且工程投资要省很多，这主要是由于前池一般开挖量较大，而且前池或前池上游附近一般需设置溢流堰，这对于高水头电站或前池附近地形地质条件较差时，前池的边坡开挖与挡护量和溢流堰泄水槽的工程量较大；而调压室的结构则较简单，且调压室一般无需设置溢流堰，也不存在明挖而形成高边坡及其处理问题。

1.1.4 对压力管道型式和布置的影响。有压引水隧洞末端的调压室后接压力管道的型式一般采用地下埋管，如果压力管道边坡的地形地质条件较好时也可采用地面明管。无压引水隧洞末端的前池或调节池后接压力管道的型式一般采用地面明管，如果压力管道边坡的地形地质条件较差时也可采用地下埋管或地下埋管与地面明管相结合的形式。不管是采用有压还是无压隧洞引水，压力管道型式和布置方式一般应结合边坡的地形地质条件根据技术经济比较进行确定，在一般情况下或边坡的地形地质条件较好时采用地面明管较为经济，否则采用地下埋管较为有利。

1.2 对工程布置的影响

发电引水隧洞压力状态不同除对引水建筑物自身的布置有影响外，还对取水枢纽和电站厂房的布置有一定影响。

1.2.1 对取水枢纽布置的影响。无压引水隧洞进水口型式一般采用无压进水口，无压进水口一般为低坝引水，大坝挡水高度仅需满足进水口的引水和冲沙要求。为了满足进水口“门前清”，无压进水口布置一般应与冲沙闸布置紧密结合，进水口前的拦沙坎顶部高程一般高于冲沙闸底板高程1.5～2.0m以上。

有压引水隧洞进水口型式一般采用有压进水口，即潜没式进水口，对水库式与引水式混合开发的电站，由于水库内水流流速较小，加之大坝冲沙孔或底孔较低，有压引水隧洞进水口的泥沙和拦污问题并不突出。而对于引水式电站往往取水枢纽高度不大，这种取水枢纽类似于无压进水口的低坝引水，但如果作为有压进水口，尚需满足最小淹没深度的要求，要么降低进水闸的底板高程，要么适当增加坝高或在坝顶上安装钢闸门（或砼翻板闸）以满足有压进水口最小淹没深度和冲沙的要求。

1.2.2 对电站厂房布置的影响。发电引水隧洞压力状态对电站厂房的布置没有直接影响，但由于引水隧洞压力状态的不同会影响引水建筑物的调压设施和压力管道的型式和布置，而调压设施和压力管道的型式和布置将直接影响厂区建筑物布置。调压室和地下埋管对厂区建筑物布置影响较小，而前池和地面明管则对厂区建筑物布置，特别是对电站厂房的安全影响较大，这是由于前池和地面明管的管床开挖可能会使原来的边坡变陡，如果处理不当，可能会导致电站厂房后的岩土边坡失稳而威胁电站厂房的安全；前池溢流堰和泄水槽位置的选择和布置对厂区建筑物的布置和安全影响较大；地面明管末端接水平的岔支管布置会使坡脚水平开挖宽度加大，也会影响电站厂房的布置。

2 发电引水隧洞压力状态选择对工程投资及效益的影响

2.1 对工程投资的影响

2.1.1 对经济洞径的影响。发电引水隧洞的工程投资主要取决于隧洞横断面尺寸和衬砌工程量，发电引水隧洞的横断面尺寸一般通过技术经济比较确定，隧洞的衬砌型式应通过各种衬砌型式的技术经济比较进行选择，隧洞的衬砌厚度一般通过结构计算和构造要求确定。

无压引水隧洞的经济比降一般不大于1.0‰，混凝土衬砌隧洞的经济流速一般为1.5～2.5m/s，不衬砌或锚喷衬砌隧洞的经济流速一般为0.8～1.5m/s，隧洞的经济流速主要取决于隧洞的衬砌型式和设计流量，一般设计流量越大其经济流速也越大。

有压引水隧洞一般采用混凝土衬砌，其经济流速一般为3m/s左右，不衬砌或锚喷衬砌隧洞的经济流速一般为1.5～2.0m/s。《水利水电工程专业案例·工程规划篇》（黄河水利出版社，2007.4）给出了有压引水隧洞混凝土衬砌断面经济洞径经验公式形式如下：

式中：

D——隧洞经济洞径（m）

Q——隧洞设计流量（m3/s）

H——隧洞设计水头（m）

由上式可知，隧洞的经济洞径主要与设计流量和设计水头有关。

2.1.2 对工程投资的影响。发电引水隧洞作为引水式电站引水建筑物的主要组成部分，其投资在工程总投资中所占比例较大，下面仅分析发电引水隧洞不同压力状态对投资的影响。发电引水隧洞的土建工程投资由隧洞开挖、隧洞支护与衬砌及隧洞灌浆、防渗和排水等部分组成，其中隧洞灌浆、防渗和排水等所占土建工程投资比例较小，那么发电引水隧洞的土建工程投资主要由隧洞开挖、隧洞支护与衬砌等部分组成。从发电引水隧洞压力状态对经济流速的影响分析可见，无压隧洞的经济流速比有压隧洞的经济流速要小得多，加之要求无压隧洞水面线以上的空间不宜小于隧洞断面积的15%，这样有压隧洞的经济断面积一般为无压隧洞经济断面积的50%～60%左右。这样有压隧洞的开挖工程量要比无压隧洞的开挖工程量小得多。发电有压引水隧洞多采用混凝土衬砌，对地质条件好的Ⅰ、Ⅱ类围岩的低压隧道也可考虑采用不衬砌或锚喷衬砌，但不衬砌或锚喷衬砌隧洞的底部应用现浇混凝土找平，厚度不宜小于100mm。无压引水隧洞在稳定性好的洞室中一般可采用不衬砌或喷射混凝土衬砌，对稳定性较差的洞室一般采用混凝土衬砌或锚喷衬砌或钢架支护以及各种组合式支护与衬砌。但一般情况下，无压引水隧洞的衬砌要比有压引水隧洞的衬砌简单一些，这主要是由于有压隧洞要比无压隧洞的衬砌结构受力复杂、防渗严格。

综上分析可知，有压引水隧洞横断面尺寸比无压引水隧洞横断面尺寸小，因而有压隧洞的开挖工程量要比无压隧洞小得多，但有压引水隧洞的衬砌一般要比无压引水隧洞投资增加较多，所以有压引水隧洞与无压引水隧洞的投资孰大孰小一般要通过技术经济比较确定，但一般情况下有压引水隧洞比无压引水隧洞投资小。

2.2 对工程效益的影响

当然发电引水隧洞的工程投资和工程效益是相辅相成的一对矛盾，但发电引水隧洞压力状态对工程效益的影响是不同的。无压引水隧洞的沿程水头损失只取决于隧洞比降（即断面尺寸），而有压引水隧洞的沿程水头损失除取决于隧洞断面尺寸外，还取决于流量（即流速）的变化。因为在隧洞长度和断面尺寸确定的情况下，无压引水隧洞的沿程水头损失是恒定值，而有压引水隧洞的沿程水头损失是随流量的不同而变化的，有压隧洞的沿程水头损失与流速（即流量）的平方成正比（有压隧洞的局部水头损失也与流量的平方成正比）。这样有压隧洞的平均沿程水头损失一般为其设计水头损失（即最大水头损失）的20%～30%。

显然，有压隧洞的平均沿程水头损失一般要小于无压引水隧洞的设计沿程水头损失。

2.3 对工程投资及效益的影响结论

一般情况下，发电引水隧洞采用有压隧洞要比无压隧洞的工程投资较小而发电量较大，即发电引水隧洞采用有压隧洞一般要比无压隧洞更为经济，这也符合SL279第4.1.1条“发电引水隧洞宜采用有压隧洞”的规定。

3 结语

通过以上发电引水隧洞压力状态对引水建筑物型式及工程布置和工程投资及效益的影响分析可见，发电引水隧洞压力状态选择对引水式水电站工程的影响是相当大的，因此在进行引水式水电站工程的设计中一定要重视发电引水隧洞压力状态的选择；另一方面，采用有压隧洞还是采用无压隧洞，主要视工程布置、水力条件、地质条件、经济、工程安全等方面综合考虑，如果在条件允许时，宜尽量采用有压隧洞。这样，作为设计工作者，一定要把“发电引水隧洞宜采用有压隧洞”的观念作为常态，而把“发电引水隧洞非采用有压隧洞”作为非常态。无压隧洞常用于隧洞断面较小、地质条件较差（如稳定性较差的Ⅳ、Ⅴ类围岩或土洞）的低水头小型引水式水电站中，应注重通过经济技术分析比较加以论证后提出每个引水式水电站工程适宜的发电引水隧洞压力状态。

参考文献

[1] 水工隧洞设计规范（SL279-2002）[S].

[2] 水利水电工程专业案例·工程规划篇[M].郑州：黄河水利出版社，2007.