宋春华

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635)

1 工程概况

乐昌峡水利枢纽工程位于广东省乐昌市境内北江一级支流武水乐昌峡河段内，坝址在原塘角火车站附近，下距乐昌市约14 km，距韶关市81.4 km，坝址以上集雨面积为4 988 km2。

乐昌峡水利枢纽工程是以防洪为主、结合发电、兼顾航运、灌溉等综合利用的枢纽工程，主要建筑物包括碾压混凝土重力坝、输水系统、地下厂房、电站进出水口、交通道路、库岸工程及过坝设施。

电站采用引水式地下厂房方案。输水系统布置在左岸，引水、尾水隧洞均采用1洞1机共3洞3机的布置形式，垂直厂房进出水。引水系统纵剖面采用一级小斜井加平洞的方案。引水系统水道衬砌形式，除引水洞末段采用钢衬外，其余均采用钢筋混凝土衬砌。引水系统主要包括3部分：进水口、输水隧洞和出水口[1-2]。

2 输水方式的比较及选定

2.1 布置原则

根据水力过渡过程计算成果，不设置上下游调压井的情况下，引水隧洞直径为6.2 m，尾水隧洞直径增大到6.8 m[3]。为了进一步优化输水系统，在推荐的左岸地下厂房方案的基础上，进行了输水方式的比较，即引水和尾水系统分别采用1洞1机和1洞3机的方案进行比较。

1) 各方案进水口均采用分层取水的布置方式[4]，相同的厂房位置；

2) 为保证相同的发电量和电站效益，各方案采用水头损失相同的原则。考虑引水钢支管较短，且须与蜗壳进水口衔接，支管直径不变，均取5.4 m。1洞3机方案，主洞需要过3倍的机组流量，且该方案存在体型复杂的引水、尾水岔管，局部水头损失较大，故主管管径需要增大，经水头损失计算，引水、尾水隧洞直径需增大到11.0 m。

2.2 方案布置

引水系统1洞1机共3洞3机的方案，垂直厂房进水，引水隧洞洞径为6.2 m，引水钢管管径为5.4 m。考虑运行检修维护，每个进水口设置1道检修闸门和1道工作闸门，共3个检修门和3个工作门。尾水系统1洞1机共3洞3机的方案，垂直厂房出水，尾水隧洞洞径为6.8 m，出水口设置3个检修闸门。

引水系统1洞3机的方案，在厂房上游设置钢筋砼岔管，主管分岔为3条支管垂直厂房进水。引水隧洞主洞直径为11.0 m，引水支管管径为5.4 m。考虑运行检修维护方便，避免单台机检修对其他机组的影响，厂房内每台机组前设置1个蝶阀共3个蝶阀，需要在原有厂房上游侧增加蝶阀及控制设备布置，使得主厂房跨度在1洞1机方案基础上增加3.0 m，达到22.0 m。由于机组前有蝶阀快速响应，且引水只有1条主洞，进水口只需设置1个检修闸门；尾水系统1洞3机的方案，垂直厂房轴线出水。厂房下游设钢筋砼岔管，将3条尾水支管汇合成1条主管出水。尾水支管管径为6.8 m，尾水隧洞主洞直径为11.0 m。考虑运行检修维护方便，避免单台机检修对其他机组的影响，在厂房下游侧设置尾闸室，每台机组设置1个尾水闸门共3个闸门。由于尾水管后设有闸门，且尾水只有1条主洞，出水口只需设置1个检修闸门。

2.3 方案比较

1) 地形地质条件

引水隧洞穿过的地层为寒武系八村群下亚群∈bca-4、∈bca-3(2)～∈bca-3(4)岩组，岩石以石英砂岩为主，夹绢云母板岩和粉细砂岩。隧洞沿线山体雄厚，隧洞埋藏较深。地下水主要为基岩裂隙水，赋存于岩层界面和断层、裂隙之中。洞身岩石透水率大部分小于3Lu，具弱透水性。岩层产状N20°～40°W/NE∠40°～60°，为反坡向岩层。沿线主要断层有北东组，次为北西组，分别有F6、F7等断层，断层带中多为片状构造岩、糜棱岩、构造角砾岩，宽1～3 m，一般为硅质胶结，胶结较好，多属逆断层。此外，尚发育规模较小的次一级断层和层间挤压破碎带。

输水隧洞围岩以Ⅱ、Ⅲ类为主，其中Ⅱ类约占20%，Ⅲ类约占60%，Ⅳ类约占15%，Ⅴ类约占5%。

由于1洞1机方案和1洞3机方案输水线路布置位置相近，同属一个地质块体，只是局部构造有差异，因此，从地形地质条件方面来看，2个方案基本相同。

2) 水力条件

由于电站进出口位置比较开阔，各方案进、出水流均比较平顺，水流条件较好，没有明显的区别。但由于1洞3机方案进水口距离大坝较近，大坝泄洪对电站发电入流存在一定的干扰。从水头损失来看，1洞3机方案有岔管，局部水头损失增加，使得水头损失比1洞1机方案略大。从水力过渡过程计算成果来看，1洞1机方案尾水管真空度略优于1洞3机方案，其他2项控制参数两方案相差不大。

故从水力条件来看，输水系统采用1洞1机略好于1洞3机方案。

3) 工程布置

从工程布置上考虑，两方案大坝布置完全相同，输水系统的平面线路布置位置基本相同，纵剖面布置均为一级小斜井加平洞的方案。

输水系统布置存在的主要差别有以下几个方面：

① 1洞1机方案比1洞3机方案多2根主管，相应进、出水口的个数均是1洞3机方案的3倍；

② 1洞3机方案有钢筋砼岔管，而1洞1机方案没有；

③ 1洞1机引水隧洞洞径为6.2 m，尾水隧洞洞径为6.8 m，而1洞3机引水、尾水隧洞洞径为11.0 m。

厂房系统布置的主要区别如下：1洞3机方案考虑到后期运行检修方便，1台机设备需要检修时，不影响其他2台机正常发电，故在厂房上游侧内部布置3个蝶阀，在厂房下游侧设置尾闸室，设置3个闸门；由于蝶阀布置需要增加一部分空间，故主厂房跨度在1洞1机方案基础上增加3.0 m，达到22.0 m。

从结构受力考虑，1洞3机洞径较大，达到11.0 m，而1洞1机洞径为6.2 m或6.8 m，因此,1洞3机方案隧洞结构受力相对1洞1机方案较差。特别是钢筋砼岔管，受力比较复杂，且PD值高，达900 t/m，增加了结构设计难度。根据《水工隧洞设计规范》(SL279)第9.6.1条规定“钢筋混凝土岔管宜布置在Ⅰ、Ⅱ类围岩中，Ⅲ类围岩地段经论证后可布置钢筋混凝土岔管。Ⅳ、Ⅴ类围岩地段不得布置钢筋混凝土岔洞。”考虑本电站地下厂房位置可调整空间很小，岔管的位置基本确定；同时地下厂房距离岸边较近，地形地质条件还有一定的不确定性；同时，从初设探明的地质资料可知，输水系统围岩分类中，Ⅲ类占的比例较大，达到60%，且存在15%的Ⅳ类围岩，故钢筋砼岔管存在布置在围岩较差地段的风险。而1洞1机方案洞径相对较小，受力相对较好，且没有混凝土岔管，结构带来的施工风险相对较小。

从厂房系统来看，厂房跨度对地下厂房的围岩稳定很关键，特别对于地质条件不是太好的区域，显得尤为突出。1洞3机方案比1洞1机方案的地下厂房跨度增加3.0 m，达到22.0 m(跨度相对较大)，对厂房围岩稳定影响相对较大。同时，1洞3机方案设置尾闸室，在厂房后增加了1个相邻洞室，对厂房区域的围岩稳定也将带来不利的影响。

因此，从工程的布置来看，输水系统采用1洞1机方案优于1洞3机方案。

4) 工程施工

从施工布置条件上看，1洞1机方案有3条隧洞，施工作业面较多，与厂房等其它施工面几乎没有干扰。而1洞3机方案岔管、钢管等部分的施工与地下厂房施工存在一定的干扰；且1洞3机方案进水口距离大坝较近，与大坝施工也存在一定的干扰。

从施工难度上考虑，由于1洞3机方案洞径较大，且输水系统进出口段地质条件较差，因此，开挖成洞相对困难，同时对实际施工过程中为保证施工安全增加的临时支护及永久衬砌的投资相对难控制；而1洞1机方案洞径较小，成洞较容易。另外，1洞3机方案有钢筋混凝土岔管，由于岔管的体型相对较复杂，使得施工立模、浇筑的难度大大增加，且施工质量相对难于保证。

从施工工期上考虑，由于输水厂房系统工期控制在厂房系统，因此，2个方案工期均不占直线工期，对总工期没有影响。

故从施工方面考虑，1洞1机方案略优。

5) 运行与效益

从电厂的运行检修来看，1洞1机方案布置的主要优点是增加电站运行检修的灵活性，即当输水隧洞或是某台机组及附属设备、或是进出口共用的闸门等出现故障需要检修时，由于以上这些是1洞3机方案3台机共用的，故单台机的检修会影响到全厂3台机都停产；而1洞1机方案的3台机前后都有独立的闸阀(蝶阀和尾水闸门)，各台机组运行是独立的，故只需让需要检修的机组停产，其他机组不受影响，正常运行。尤其是这种某台机因结构或设备故障引起的非计划性停产检修，将影响整个电站的正常稳定运行及调度，也影响到电站的发电小时数和发电效益，故1洞1机方案应对这种突发状况的优势更显著，对电站更有利。

另外，从电站的正常检修维护来看，1洞1机方案3台机相对独立，使电厂检修时段的安排更加灵活，一是避免了因检修而使全厂停产带来的不必要经济损失，二是采取分时段的安排机组检修，可充分利用其他机组正常运行提高电厂的发电效益，从而增加了电厂的经济效益。

从以上的分析比较来看，1洞1机方案运行检修更加灵活，对增加电厂的效益更有利，明显优于1洞3机方案。

6) 工程投资

由于各方案大坝布置相同，故水工专业投资差别主要在水道系统和厂房系统。另外，各方案机电投资有一定的差异。

从输水系统布置来看，按照喷锚支护及水工隧洞规范设计参数要求，开挖直径超过10 m，系统锚杆的间距减小，直径增大，长度增加，有压隧洞的固结灌浆深度增加，1洞3机方案洞径达到11.0 m，相应工程量增加；隧洞受力上，由于压力不变，1洞3机方案洞径增加较多，PD值显著增大，为满足裂缝宽度限制要求，衬砌厚度增加了20 cm，配筋量也随之增加。但1洞1机方案有3条主洞，故输水系统总的投资还是1洞3机方案少。

从厂房系统布置来看，1洞3机方案增加了尾闸室，且为了布置蝶阀增加了厂房跨度，开挖、支护、衬砌的工程量增加较多；

从机电及金属结构来看，1洞3机方案进水口少了3个工作门和两个检修门，出水口少了2个检修门；但增加了3个蝶阀及相关控制设备；同时增加了3个尾闸室的工作闸门，且1洞3机方案主洞的闸门比1洞1机方案的规模大很多。机电及金属结构总的投资上，1洞3机方案是增加的。

2个方案主要投资差异见表1。

表1 各方案分项投资 万元

从表1可知：1洞3机方案的输水系统投资减少约1 101万元，厂房系统投资增加约787万元，蝶阀及控制设备增加约1 350万元，金属结构投资增加约452万元。综合考虑各主要投资差后，1洞1机方案比1洞3机方案少大约1 488万元，投资明显较优。

2.4 方案选择

从输水方式两个方案比较中可知，1洞1机方案可以取消厂房上游侧的蝶阀和尾闸室，厂房跨度及隧洞洞径较小，减少地下洞室，对隧洞结构及厂房围岩稳定有利，同时电站运行检修的灵活性好，投资较小，且对增加电厂的发电效益更有利；1洞3机方案隧洞洞径较大，增加一个尾闸室使厂房跨度增加，对隧洞及厂房区域围岩稳定不利，且由于主洞少了，施工工作面减少，施工干扰相对增加。从工程应用来看，1洞多机方案多应用于输水隧洞比较长的布置；输水隧洞较短时，两方案均应用很广泛，本电站单条输水隧洞总长约500 m。目前，国内已建有以下电站采用单洞单机的布置形式，如广东的长湖水电站、湖南的柘溪水电站、贵州的洪家渡水电站、索风营水电站、思林水电站、沙陀水电站等。

因此，从地形地质、水力条件、工程布置、工程施工、运行效益及投资等方面进行综合技术经济比较后，电站推荐引水尾水均采用1洞1机共3洞3机的输水系统布置方案。

3 结语

乐昌峡水利枢纽是广东省内的大型水利枢纽，目前，电站已建成投产并安全稳定运行多年，电站的输水隧洞经受了实践考验。电站输水系统有多种输水方式的选择，针对于不同电站的特点，需进行多种可行方案的比较，综合选定出适合的布置方案，从而实现既保证电站安全稳定运行，又节约工程投资的目的。