雅康高速二郎山隧道斜井引水發電可行性淺析

鄭建國 林國進 李玉文 陳行

【摘要】二郎山隧道長13.4 km，是雅安至康定高速公路的控制性工程之一。隧道運營能耗高，結合二郎山隧道運營通風方案，充分利用隧址區地形、水文、氣象等條件，運用開拓性思維，奇思妙想，在公路交通行業創造性的首次提出了利用康定端斜井引水發電進行節能減排的新舉措，有效降低隧道運營費用，具有較大的社會經濟效益。

【關鍵詞】二郎山特長隧道; 節能減排; 引水發電; 斜井

【中國分類號】TV74【文獻標志碼】A

1 二郎山隧道

隨著國民經濟快速發展，中西部及少數民族地區經濟發展差距縮小的需求，帶動了我國西部地區大型工程項目的蓬勃發展[1-3]，然而極其復雜和脆弱的地質環境致使我國西部交通工程橋隧比高、運營耗能大、供電困難，對交通、新能源、環保提出了新課題和發展機遇[4-5]。同時，我國西部水資源十分豐富，水能是一種取之不盡、用之不竭、可再生的清潔能源[6-7]。水力發電對環境影響較小，且有利于改善交通、電力供應和經濟發展，促進節能減排[8]。為此，充分利用建設工程地形地貌、水文、氣象條件，合理開發工程區水能進行引水發電成為推進西部地區綠色發展的重要途徑[9]。本文以雅康高速公路二郎山隧道為例，探討“隧道斜井引水發電”實現其節能減排的可行性。

雅安至康定高速公路通往我國及四川省西部藏族地區，是《國家公路網規劃》高速公路G42橫線“上?！啥肌奔癎4218聯絡線“雅安—葉城”的重要組成部分，是連接成都至康定的重要通道，是通往藏區的重要國防線和生命線，在區域路網及社會經濟發展中具有重要的地位和作用。

二郎山隧道是雅安至康定高速公路重大控制性工程之一，長約13.4 km，埋深超過1 500 m，具有極其復雜的地形條件、極其復雜的地質條件、極其敏感的環境條件等特點。

二郎山隧道通風采用三區段送排式通風方案，分段長度為（3 680+5 320+4 406） m，雅安端風井：右線為平導（2 153 m/-0.33 %）+斜井（885 m/+14.67 %），左線為斜井（2 280 m/+13.37 %）;康定端斜井：右線斜井（1 710 m/+10.56 %），左線斜井（1 734 m/+11.09 %）。

2 二郎山隧道運營能耗分析

二郎山隧道運營能耗較大，主要為隧道運營通風和照明系統，設備功率8 600 kW，每年耗電量約1 400×104 kW/h，電費約98 070元，因此運用新能源、新技術進行節能減排意義重大（表1）。

根據交通部《公路水路交通運輸節能減排“十二五”規劃》，“在公路基礎設施建設和運營領域，積極組織開展先進適

用節能減排技術的推廣應用工作，降低能耗與排放水平”，“公路隧道節能減排技術改造與應用，大力推進太陽能、風能等可再生能源應用”。切實響應國家節能減排政策，二郎山隧道利用康定端斜井進行引水發電，有效降低隧道運營費用，具有較大的社會經濟效益。

3 利用康定端斜井引水發電

3.1 建設條件

二郎山呈南北走向，為大渡河和青衣江的分水嶺。東、西坡分屬青衣江和大渡河流域。二郎山隧道進出口分別位于東坡的長河壩和西坡的五里溝。

五里溝為大渡河支流，受大氣降水（雨、雪）及冰雪融化水、地下水補給，其中主要為大氣降水補給。本流域降水量主要集中在5～10月，占年降雨量的75 %～80 %，其中又以6～9月最多，降雨日達180 d以上。

二郎山隧道出口位于五里溝溝口，康定端斜井位于五里溝上游支溝，支溝流域面積19 km2。支溝坡降大，兩岸陡峭，切割較深，呈“V”字型，因此具有“易漲易落”的特點，雨季流量大于0.8 m3/s;平水期流量較穩定，約0.5 m3/s。旱季枯水期水量小于0.5 m3/s。

瀘定地處四川盆地到青藏高原過渡帶上，受東南、西南季風和青藏高原冷空氣雙重影響，氣候垂直差異明顯，海拔1 800 m以下地區屬亞熱帶季風氣候，為有名的干熱河谷地區。瀘定氣候冬無嚴寒，夏無酷暑，冬季干燥溫暖，季均溫度7.5 ℃;夏季溫涼濕潤，季均溫度22.7 ℃;年平均氣溫16.5 ℃，年平均無霜期279 d，年均降雨量664.4 mm。

3.2 裝機容量測算

根據五里溝支溝徑流情況以及徑流式小型水電站特點[10-13]，利用斜井可修建徑流式小型水電站，水頭高差H=192 m。采用直徑500 mm的引水管，引水管坡度11 %，水管水流速5.55 m/s，滿管流量Q=1.09 m3/s。

理論裝機容量：

N=AQH

A：出力系數A=0.6～8.5，取7.5，

則N=7.5×1.2×245=1570 kW。

此為滿管發電裝機容量，根據支溝雨季流量流量大于0.8 m3/s計算，因此實際裝機容量可確定為1 100 kW。

3.3 年發電量測算

五里溝主要接受大氣降雨補給，降雨主要集中在5～10月，占年降雨量的75 %～80 %，降雨日達180 d以上，年均降雨量664.4 mm。斜井口支溝處流域面積19 km2，年降雨量1 262×104 m3。雨季支溝流量大于0.8 m3/s。滿負荷發電天數150 d，年發電量：

E=N×T=1100×24×150=396×104 kWh。

隧道運營期間，隧道照明系統設備功率為600 kW，因此利用斜井引水發電可全部滿足隧道照明用電和部分滿足隧道通風用電。

3.4 投資估算

同類型小型水電站投資為1.0萬元/kW，其中土建費用0.6萬元/kW，機電費用0.4萬元/kW。本水電站為利用斜井進行引水發電，土建費用僅為地下發電廠房和變電廠房土建費用，因此本水電站應比同類型水電站工程規模要大大降低，按0.5萬元/kW進行估算，需投資550萬元。

發電為自用電，省去上網審批等程序及相關費用，暫按用電0.7元/kWh計算，每年隧道運營可減少電費277萬元，2.5年即可收回投資。

根據《交通運輸節能減排專項資金管理暫行辦法》，根據項目性質、投資總額、實際節能減排量以及產生的社會效益等綜合測算確定補助額度。本項目爭取申請交通運輸節能減排專項資金。

3.5 引水發電建筑物布置

二郎山隧道供電項目壩址在高速公路通風斜井出口，位于白沙溝匯入五里溝的匯合點下游150 m處。首部樞紐建筑物主要由攔河取水建筑物、暗涵、沉礫池組成。攔河壩由進水閘、沖沙閘、溢流壩建筑物組成。進水閘采用寬頂堰取水，進口寬1.5 m，設有攔污柵與進水閘門各一扇。進水閘末端后緊接暗涵，長20.0 m，為矩形箱涵結構，底坡i=1/200，斷面尺寸b×h=1.0 m×1.5 m，采用30 cm厚的C20鋼筋混凝土襯砌。沉砂池位于箱涵末端，布置在壩址下游左岸階地上，沉砂池總長60 m，寬5 m（圖3）。

廠址定于二郎山隧洞已開挖的洞內，為洞內廠房。廠區建筑物主要有主廠房、高壓開關室、二次設備室、尾水渠等?？紤]到進廠公路與二郎山隧洞通風斜井、壓力管道，從通風斜井（壓力管道）進入廠區，并從端部進入主廠房，安裝間布于主廠房左部，高壓開關室、二次設備室布置在主廠房右側。

4 風險控制

4.1 尾水排放

發電站尾水流量最大流量0.8 m3/s（約6.9×104 m3/d），經隧道主洞中央排水溝排出隧道。隧道縱坡0.5 %，中央水溝尺寸120×0.75 cm，單洞水溝最大流量1.69 m3/s（約14.6×104 m3/d），雙洞水溝最大流量3.04 m3/s（約29.2×104 m3/d），出口段隧道最大涌水量約0.61 m3/s（5.3×104 m3/d）。隧道中央排水溝排水能力約29.2×104 m3/d，遠遠大于最大涌水量和引水發電尾水量（共約12.2×104 m3/d）。

為方便緊急情況下或洞內某段維修左右洞交通轉換，二郎山隧道設置了2處大斷面洞內聯絡道，聯絡道也設置了中央水溝。聯絡道中央水溝將左、右洞中央水溝連接起來，可調節左、右洞中央水溝流量，使左、右洞中央水溝流量更均衡，最大限度的發揮中央水溝的排泄能力。

4.2 爆管風險控制

為了有效避免引水管爆管，影響行車安全。在斜井底部設置蓄水池和導流洞，爆管水流進入蓄水池，經導流洞直接排入中央排水溝，不會導致爆管水流進入地下風機房和隧道主洞路面。

4.3 運營管理風險

目前水電站發電、變電技術成熟，設備先進，不存在較大運營管理風險。引水發電不會對隧道運營安全產生風險。

5 結論

為響應國家節能減排政策，利用康定端斜井引水發電工程可行，初步測算裝機容量1 100 kW，年發電量396×104 kWh，投資約550萬元，預計2.5年收回投資。引水發電可完全滿足隧道營運照明用電和部分通風用電，具有較大的社會經濟效益。

利用斜井引水發電，運用開拓性思維，奇思妙想，在公路交通行業創造性的首次提出了利用康定端斜井引水發電進行節能減排的新舉措，將水電和公路交通建設聯系起來，有效降低隧道運營費用，具有較大的社會經濟效益，同時為公路交通行業節能減排提供了新思路、新舉措。

依此為鑒，打破常規，開拓思維，希望能提出更多、更好的隧道建設新技術、新工藝。所有這一切都賦予了小水電新的歷史使命，為小水電的發展提供了廣闊的空間。

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