第四节　锦屏二级水电站深埋水工隧洞群

一、工程概况

本书大量引用了锦屏二级水电站深埋隧洞工程的岩石力学研究和工程实践成果,为方便读者阅读,本节简要介绍该工程的相关背景。

锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的雅砻江干流锦屏大河湾上,是雅砻江干流上的重要梯级电站。其上游紧接具有年调节水库的龙头梯级锦屏一级水电站,下游依次为官地、二滩和桐子林水电站。

锦屏二级水电站工程规模巨大,开发河段内河谷深切、滩多流急、不通航,沿江人烟稀少、耕地分散,无重要城镇和工矿企业,工程开发任务为发电。锦屏二级水电站利用雅砻江卡拉至江口下游河段150km长大河湾的天然落差,通过长约17km的引水隧洞,截弯取直,获得水头约310m。电站总装机容量4800MW,单机容量600MW,额定水头288m,多年平均发电量242.3亿kW·h,保证出力1972MW,年利用小时5048h,是雅砻江上水头最高、装机规模最大的水电站。

工程枢纽主要由首部低闸、引水系统、尾部地下厂房等建筑物组成,为一低闸、长隧洞、大容量引水式电站,三维效果图如图1-7所示。首部拦河闸坝位于雅砻江锦屏大河弯西端的猫猫滩,最大坝高34m,上距锦屏一级坝址7.5km。闸址以上流域面积10.3万km2,多年平均流量1230m3/s。水库正常蓄水位1646m、死水位1640m,日调节库容为496万m3。电站进水口位于闸址上游2.9km处的景峰桥。首部枢纽采用闸坝与进水口相分离的布置方案。地下发电厂房位于雅砻江锦屏大河弯东端的大水沟。引水洞线自景峰桥至大水沟,采用“四洞八机”布置,引水隧洞共四条。隧洞沿线上覆岩体一般埋深1500～2000m,最大埋深约为2525m,引水隧洞具有埋深大、洞线长、洞径大的特点,为世界上规模最大的水工隧洞洞室群工程。

锦屏二级水电站的勘测设计工作始于20世纪60年代,80年代后期开始开展了一系列的研究工作,筹建期项目于2003年初开始陆续施工,2007年1月30日主体工程正式开工建设,2012年12月31日第一批两台机组发电,2014年年底八台机组全部投产发电。工程具体布置如图1-7、图1-8所示。

锦屏二级水电站具有一个庞大的地下洞室建筑群。横穿锦屏山平行布置有7条隧洞,包括4条单洞长约16.67km的引水隧洞、与之平行的长为17.5km的2条辅助洞和1条排水洞,最大开挖洞径14.6m;发电厂房上游4座调压室断面直径26m,高度140m;主副厂房、主变洞、尾水调压室三大洞室平行布置,其中主副厂房长352.4m、宽28.3m、高72.2m。锦屏二级电站地下工程总开挖方量在1320万m3以上,引水隧洞、厂房洞室、交通洞、施工支洞、排水洞纵横交错,如此规模的地下洞室建筑群在世界水电开发史上是绝无仅有的。

图1-7　锦屏二级引水发电系统三维效果图

图1-8　锦屏二级工程背景与隧洞布置示意图

在7条横穿锦屏山的隧洞中,除大埋深引起的高应力以外,前期勘探揭示该工程的另一特点是高压大流量地下水问题。工程施工期间揭示了最大水压力超过10MPa、单点瞬时流量达到7m3/s以上。为此,在引水隧洞开工之前即开始了排水洞的开挖,采用一台直径7.3m的TBM从东端向西端单向掘进,排水洞TBM掘进为后续引水隧洞TBM施工提供了可以直接借鉴的经验。

图1-9显示了隧洞轴向为SE—NW向,从东西两端开挖掘进,在中部贯通。为方便起见,工程中将这两个端部分别简称为东端和西端,本书的相关叙述中也引用了该称谓。此外,书中还引用了工程中的桩号表示具体位置,锦屏二级深埋引水隧洞进水口布置在西端,桩号从洞口起算,比如引(1)3+300表示1号引水隧洞距离西端洞口3300m的位置。

图1-9　锦屏二级深埋隧洞沿线地质背景

图1-9表示了锦屏二级隧洞沿线基本地质条件,主要地层为三叠系大理岩,其次为砂板岩,以及数百米洞段的泥片岩。沿线地层组成了紧闭的尖棱状构造,发育一系列的褶皱构造,且埋深最大的锦屏山中心段为向斜核部。褶皱以外,隧洞沿线还发育断裂构造,主要有和岩层走向基于平行的压性构造,其次为NWW向张扭构造,为本地区的主要导水构造。研究和工程实践表明,岩性和构造条件控制了沿线初始地应力场的基本特征,尤其是构造条件和现场出现的应力型围岩破坏有着内在的关系。

二、工程技术难度

锦屏二级引水隧洞具有埋藏深、洞线长、洞径大、地质条件复杂的特点,是目前世界上规模最大、难度也是最大的水工隧洞工程。隧洞沿线水文地质条件复杂,其超过100MPa的地应力、10MPa的高外水压力和长期稳定的水源补给,对隧洞施工及结构设计带来了极大的难度[4]。

锦屏二级引水隧洞埋深超过1500m洞段占全洞长度的75%左右,最大达2525m,超过世界著名的辛普伦公路隧洞(最大埋深2135m),与目前世界上埋深最大的法国谢拉水电站引水隧洞(最大埋深2619m)相近,但深埋段长度远超过谢拉水电站引水隧洞。锦屏二级引水隧洞的最大洞径13m,远大于秦岭隧洞(D=8.8m)和谢拉隧洞(D=5.8m)的洞径。引水隧洞轴线和锦屏山脊线近乎正交,沿线山体陡峭雄厚,受地形条件限制中间地段无法布置施工支洞、斜井或竖井。隧洞单洞长度超过国内已建和在建各种类型隧道的长度,与秦岭铁路隧道、福堂电站隧洞长度相近。

锦屏二级深埋隧洞沿线水文地质条件复杂,其超过1000m的高外水压力和长期稳定的水源补给及超过100MPa的地应力等,对隧洞施工、结构设计带来了一系列的技术难度。建设过程中,高应力破坏现象明显,高地应力破坏洞段占整个开挖洞段的50%,开挖过程中遇到岩爆超过千次,其中发生强～极强岩爆百余次。高地应力以及极其复杂的地质条件形成了锦屏二级引水隧洞洞群工程区复杂和恶劣的外在客观环境条件,这在国内外尚不多见,缺乏相关可供借鉴的先例和工程经验,给引水隧洞的设计和施工提出了巨大的挑战。

在采矿工程中,南非矿山的开采深度已经超过了4km,在欧洲阿尔卑斯山脉底部,交通隧洞的埋深超过了2km,但在我国地下工程的埋深一般都不大,矿山的埋深基本都在1km深度以内。尽管近年来出现了一些深埋交通隧洞工程,但总体上,我国地下工程的设计经验基本上是建立在浅埋工程实践经验的基础上,而深埋问题与浅埋问题相比存在着显著的差别,这些差别体现在从获取基本地质条件和力学参数的分析思路和方法手段到工程设计的基本理念和方案措施等整个工程的设计过程。与深埋矿山工程发达的一些国家(例如加拿大、南非)相比,我国岩体工程涉及深部、工程实践中出现非同寻常响应的工程实例并不多,深埋实践的积累相对较少,当工程由浅埋条件变为深埋条件时,过去所积累的经验和认识是否存在偏差、是否可行就成为在进行深埋地下工程实践中所必须面对的一个基本问题。

解决此问题的基本出发点就是重新认识深埋条件下围岩的基本力学特征,尤其是与浅埋条件下相比力学特征的特殊表现形式,并有可能由于埋深的变化引起的力学特征的变化最终导致的整个设计过程的变化。