青龍水電站引水隧洞優(yōu)化設(shè)計(jì)

牛斌，劉宇

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都610072)

1 工程概況

青龍水電站屬白水江水電規(guī)劃一庫(kù)七級(jí)方案中的第七級(jí)梯級(jí)電站，為引水式開(kāi)發(fā)。引水隧洞長(zhǎng)13.924 km，電站發(fā)電引用流量132.66 m3/s，設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力0.15～0.71 MPa，屬于低水頭、大斷面引水隧洞，位于白水江左岸。隧洞線路布置主要受木正溝、抹地溝、大壩溝、牧馬溝、梨兒溝5條支溝及荷葉坡堆積體、魏家半山堆積體控制，除抹地溝規(guī)模較大外，其余溝規(guī)模較小、縱坡降較大。根據(jù)隧洞區(qū)的地形地質(zhì)條件，隧洞線路布置采用繞溝方式，隧洞從溝谷和堆積體下部基巖中通過(guò)。引水隧洞沿線布置了6條施工支洞。

由于各設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)要求及深度不同，為保證工程安全、降低造價(jià)、方便施工，各設(shè)計(jì)階段根據(jù)補(bǔ)充地勘工作及其揭示的地質(zhì)條件，適時(shí)地對(duì)引水隧洞的布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。

2 初步設(shè)計(jì)階段引水隧洞的布置

在初步設(shè)計(jì)階段，引水隧洞從進(jìn)水口至調(diào)壓室全長(zhǎng)約13.498 km，隧洞進(jìn)口底板頂高程為1 257 m，至調(diào)壓室處底板頂高程降為1 234.1 m，隧洞縱坡i=1.7‰。隧洞布置主要受荷葉坡堆積體、抹地溝和魏家半山堆積體控制。

初設(shè)階段地質(zhì)評(píng)價(jià)隧洞圍巖以Ⅲ類為主，部分為Ⅳ、Ⅴ類，隧洞圍巖整體條件較好。經(jīng)對(duì)圓形斷面和馬蹄形斷面兩種襯砌斷面型式進(jìn)行綜合分析比較，為方便施工和避免圓形斷面施工中多挖多填而導(dǎo)致的施工附加量較大等問(wèn)題，引水隧洞斷面型式采用平底馬蹄形，底寬6.5 m，高8.5 m。

3 招標(biāo)設(shè)計(jì)階段引水隧洞的布置及優(yōu)化

在招標(biāo)設(shè)計(jì)階段，進(jìn)一步細(xì)化了各段圍巖條件，重點(diǎn)對(duì)隧洞過(guò)荷葉坡、抹地溝、魏家半山段補(bǔ)充了地表地質(zhì)測(cè)繪并補(bǔ)充了四個(gè)鉆孔進(jìn)行補(bǔ)勘，對(duì)以Ⅲ－2類圍巖為主的洞段可能存在的錯(cuò)動(dòng)帶、構(gòu)造擠壓帶、夾層風(fēng)化帶的分布和影響范圍進(jìn)行了地表調(diào)查和輔助剖面分析，并根據(jù)上一級(jí)雙河水電站引水隧洞開(kāi)挖揭示的地質(zhì)條件，將(引)0+000～0+910洞段軸線調(diào)整為與地層走向呈大角度相交。

通過(guò)本階段對(duì)引水隧洞布置的設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整，引水隧洞洞線長(zhǎng)度由初設(shè)的13 498 m增至13 630 m，雖然洞線增長(zhǎng)了132 m，但提高了調(diào)整洞段圍巖的穩(wěn)定性和施工安全性。由于本階段地質(zhì)評(píng)價(jià)隧洞圍巖仍以Ⅲ類為主，部分為Ⅳ、Ⅴ類，故引水隧洞永久襯砌斷面型式仍采用平底馬蹄形。

4 技施設(shè)計(jì)階段引水隧洞的布置及優(yōu)化

(1)技施設(shè)計(jì)階段引水隧洞洞線的優(yōu)化調(diào)整。

在技施設(shè)計(jì)階段，根據(jù)1#～6#施工支洞開(kāi)挖揭示的地質(zhì)條件，結(jié)合地表地質(zhì)補(bǔ)充調(diào)查、物探TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果及1 245±15 m高程地質(zhì)平切圖(隧洞進(jìn)口底板高程為1 257 m，隧洞末端底板高程為1234.1 m)，分別于2008年6月和2009年6月對(duì)引水隧洞進(jìn)行了兩次洞線優(yōu)化調(diào)整。

2007年10月～2008年6月，根據(jù)1#～6#施工支洞開(kāi)挖揭示的地質(zhì)條件及地表地質(zhì)調(diào)查和測(cè)繪復(fù)核資料，結(jié)合隧洞地質(zhì)平切面和剖面進(jìn)行分析:若按招標(biāo)洞線方案圍巖類別將發(fā)生較大變化，Ⅲ類圍巖由原來(lái)的79.23%變?yōu)?0.5%，Ⅳ類圍巖由13.61%變?yōu)?4.6%，Ⅴ類圍巖由7.16%變?yōu)?4.9%。為改善引水隧洞的圍巖工程地質(zhì)條件，盡量避開(kāi)不利圍巖段，考慮將洞線置于圍巖條件較好的中厚～厚層灰?guī)r中，盡量大角度穿越圍巖條件較差的薄層、薄板狀灰?guī)r及灰?guī)r夾板巖區(qū)段，從而減小施工難度，加快施工進(jìn)度。因此，對(duì)(引)2+170后的引水隧洞洞線進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，調(diào)整后引水隧洞洞線總長(zhǎng)度為14 078 m，較招標(biāo)長(zhǎng)度增加約448 m。2009年6月，根據(jù)5#～6#施工支洞間主洞的開(kāi)挖情況，及時(shí)對(duì)(引)12+343～13+240段洞線進(jìn)行了微調(diào)，洞線調(diào)整后長(zhǎng)度縮短了154 m。

經(jīng)過(guò)技施階段兩次洞線優(yōu)化調(diào)整后，引水隧洞洞線總長(zhǎng)度為13 924 m，較招標(biāo)階段長(zhǎng)度增加約294 m，較初設(shè)階段長(zhǎng)度增加約426 m。雖然引水隧洞洞線增長(zhǎng)了，但提高了調(diào)整洞段圍巖的整體穩(wěn)定性，減少了初期支護(hù)的工程量，降低了開(kāi)挖施工期的施工難度，提高了隧洞開(kāi)挖施工期的安全性。

(2)技施設(shè)計(jì)階段引水隧洞斷面型式的優(yōu)化調(diào)整。

①引水隧洞斷面型式優(yōu)化調(diào)整的必要性。

在初步設(shè)計(jì)階段，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察成果，表明引水隧洞工程區(qū)圍巖整體質(zhì)量較好，成洞條件較好，圍巖類別以Ⅲ類為主，選擇了全線馬蹄形襯砌斷面，以達(dá)到節(jié)約工程投資、方便施工的目的。

在技施設(shè)計(jì)階段，根據(jù)2009年5月圍巖類別復(fù)核成果，Ⅳ、Ⅴ類圍巖比例相對(duì)初設(shè)和招標(biāo)階段提高較多，在已開(kāi)挖的8 568 m洞段Ⅳ、Ⅴ類圍巖比例約占45%，并且大部分分布在隧洞4#～5#支洞關(guān)鍵線路上。由于Ⅳ、Ⅴ類圍巖的增加，整個(gè)隧洞鋼筋、混凝土量、回填灌漿量、固結(jié)灌漿量均較招標(biāo)階段增加較多，隧洞工程投資也較初設(shè)階段和招標(biāo)階段增加較多，并且部分洞段邊墻發(fā)生變形導(dǎo)致初期支護(hù)部分侵占了永久結(jié)構(gòu)斷面。因此，為了降低工程投資和保障變形處理時(shí)隧洞施工的安全，盡量減少變形洞段處理的工程量，對(duì)隧洞襯砌斷面型式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整很有必要。

②引水隧洞斷面型式的選擇。

2009年4～8月，結(jié)合前期招標(biāo)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況、馬蹄形和圓形結(jié)構(gòu)計(jì)算成果，有針對(duì)性地?cái)M定了全線Ⅳ、Ⅴ類圍巖馬蹄形襯砌方案、馬蹄形和圓形組合襯砌兩種襯砌斷面型式并進(jìn)行了比選。考慮到引水隧洞設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為0.15～0.71 MPa，屬于低水頭隧洞，在綜合考慮結(jié)構(gòu)安全可靠度、結(jié)構(gòu)計(jì)算原理、施工條件和管理、工程造價(jià)等方面因素后，最終決定采用馬蹄形和圓形斷面組合襯砌方案，開(kāi)挖斷面型式仍然為馬蹄形斷面，從而避免了對(duì)剩余洞段開(kāi)挖施工的不利影響。對(duì)于地質(zhì)條件較好的Ⅲ類圍巖洞段仍采用掛網(wǎng)噴錨襯砌，斷面型式采用平底馬蹄形;對(duì)于地質(zhì)條件較差的Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段，采用鋼筋混凝土襯砌，其中對(duì)引水隧洞(引)0+000～5+700上游低水頭洞段采用馬蹄形斷面襯砌型式;對(duì)引水隧洞(引)5+700～13+924下游高水頭洞段采用圓形斷面襯砌型式。

③引水隧洞斷面型式優(yōu)化調(diào)整引起的主要工程量及工程投資變化。

相對(duì)全線馬蹄形斷面襯砌方案，馬蹄形和圓形斷面組合襯砌方案永久襯砌混凝土工程量增加了22 995 m3，但鋼筋量節(jié)省了6 995 t。從兩方案可比部分工程投資看，采用馬蹄形和圓形斷面組合襯砌方案，工程直接投資費(fèi)用節(jié)省3 296萬(wàn)元。

(3)技施設(shè)計(jì)階段引水隧洞固結(jié)灌漿的優(yōu)化。

在初設(shè)階段，引水隧洞Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段固結(jié)灌漿孔深入基巖4.5 m，每排8孔，排距2.5 m。整個(gè)固結(jié)灌漿洞段總長(zhǎng)度為3 375 m，固結(jié)灌漿總延米數(shù)為55 890 m。

在技施階段，由于圍巖條件的變化，Ⅳ、Ⅴ類圍巖比例相對(duì)初設(shè)和招標(biāo)階段提高較多，整個(gè)固結(jié)灌漿洞段總長(zhǎng)度接近8 126m，如果仍采用初步設(shè)計(jì)及招標(biāo)設(shè)計(jì)固結(jié)灌漿參數(shù)，則固結(jié)灌漿總延米數(shù)將達(dá)到117 015 m，并且Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段的裂隙節(jié)理發(fā)育完整性較差，固結(jié)灌漿試驗(yàn)成果表明耗灰量較大。為了控制隧洞工程投資，在隧洞初步固結(jié)灌漿試驗(yàn)、隧洞圍巖巖體質(zhì)量綜合測(cè)試成果(圍巖受爆破影響范圍為1.5～2.25 m)及隧洞水力學(xué)復(fù)核成果基礎(chǔ)上進(jìn)行了隧洞固結(jié)灌漿參數(shù)優(yōu)化調(diào)整。(引)0+000～4+000洞段固結(jié)灌漿孔深入基巖3.5 m，每排8孔，排距3 m;(引)4+000～13+924洞段固結(jié)灌漿孔深入基巖4 m，每排8孔，排距3 m。通過(guò)優(yōu)化調(diào)整后，隧洞固結(jié)灌漿總延米數(shù)為93 244 m，減少固結(jié)灌漿延米數(shù)23 771 m。

5 結(jié)語(yǔ)

青龍水電站引水隧洞屬于低水頭、大斷面引水隧洞，沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，在招標(biāo)技施設(shè)計(jì)階段，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)各施工工作面揭示的實(shí)際地質(zhì)條件，以及進(jìn)一步的補(bǔ)充勘探工作，發(fā)現(xiàn)引水隧洞圍巖條件和前期設(shè)計(jì)結(jié)論存在一定的差異，初期開(kāi)挖支護(hù)變形問(wèn)題突出。為了控制工程安全及投資風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合隧洞現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況、圍巖復(fù)核成果、固結(jié)灌漿試驗(yàn)成果適時(shí)地優(yōu)化調(diào)整了隧洞洞線、斷面型式及固結(jié)灌漿，從而提高了隧洞圍巖穩(wěn)定性，降低了工程安全風(fēng)險(xiǎn)，有效地控制了工程投資的增加。通過(guò)青龍水電站各設(shè)計(jì)階段對(duì)引水隧洞的優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)，對(duì)今后類似工程設(shè)計(jì)優(yōu)化及安全、投資風(fēng)險(xiǎn)控制有一定的借鑒作用。