復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面調(diào)壓室工程施工技術(shù)初探

吳勇，陳波

(四川二灘國(guó)際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610072)

近年來(lái)，隨著水電工程開發(fā)的不斷深入，一批地質(zhì)條件復(fù)雜且開挖斷面巨大的調(diào)壓室相繼開工建設(shè)，其施工期的圍巖穩(wěn)定性和運(yùn)行期的結(jié)構(gòu)安全性問題非常突出，已成為制約該類水電工程建設(shè)周期、投資和安全的關(guān)鍵技術(shù)問題。為此，筆者結(jié)合川西地區(qū)福堂、桑坪、姜射壩、柳坪、毛爾蓋等多個(gè)水電站的調(diào)壓室工程實(shí)例，從施工特點(diǎn)和難點(diǎn)、設(shè)計(jì)意圖與施工關(guān)鍵技術(shù)三個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié)和探討。

1 施工特點(diǎn)和難點(diǎn)

這些調(diào)壓室工程處于四川省阿壩州茂汶黑地區(qū)，地質(zhì)條件均較復(fù)雜，有的雖為花崗巖，但處于強(qiáng)卸荷巖帶，巖體破碎，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，卸荷強(qiáng)烈，部分呈松動(dòng)或松散狀態(tài)，完整性很差;有的為千枚巖夾灰?guī)r，處于強(qiáng)卸荷帶內(nèi)，各類結(jié)構(gòu)面發(fā)育，裂隙呈張開狀，巖體破碎呈碎裂結(jié)構(gòu)，巖層傾倒變形顯著，且多為IV、V 類圍巖。以上所述各水電站調(diào)壓室工程特性見表1。

表1 各水電站調(diào)壓室工程特性表

結(jié)合上述工程實(shí)際，筆者將這些調(diào)壓室工程的施工特點(diǎn)和難點(diǎn)歸納為以下三個(gè)主要方面:調(diào)壓室的斷面大、深度高，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，防止井壁坍塌是施工的重點(diǎn)和難點(diǎn);施工組織方案的合理性，在保證質(zhì)量和安全的前提下，可加快施工進(jìn)度，控制工程投資;做好關(guān)鍵部位的施工管控。

2 設(shè)計(jì)意圖

(1)調(diào)壓室是設(shè)置在壓力水道上、具有下述功能的建筑物:①由調(diào)壓室自由水面(或氣墊層)反射水擊波，限制水擊波進(jìn)入壓力引(尾)水道，以滿足機(jī)組調(diào)節(jié)保證的技術(shù)要求;②改善機(jī)組在負(fù)荷變化時(shí)的運(yùn)行條件及供電質(zhì)量。

(2)調(diào)壓室的設(shè)計(jì)可參閱《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5058-1996)。

關(guān)于桑坪水電站調(diào)壓室工程的穩(wěn)定性及其結(jié)構(gòu)特性以及初期安全支護(hù)設(shè)計(jì)和永久襯砌設(shè)計(jì)，已通過模擬試驗(yàn)得出研究成果，其在四川大學(xué)水電學(xué)院的研究報(bào)告“調(diào)壓室穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)特性三維有限元分析報(bào)告”中已有論述。筆者從該報(bào)告中摘錄了一些淺顯、實(shí)用的結(jié)論，以便大家對(duì)調(diào)壓室工程的結(jié)構(gòu)特性有所了解和認(rèn)識(shí)。

①在調(diào)壓室采用分層開挖、及時(shí)錨噴支護(hù)和滯后一層混凝土襯砌施工過程中，大井支護(hù)結(jié)構(gòu)(襯砌)變形具有兩個(gè)特點(diǎn):一是中下部高程襯砌向井內(nèi)的變形值大于底部和上部高程;二是同一高程井周的襯砌變形存在明顯的不對(duì)稱性，隧洞側(cè)和鋼管側(cè)的襯砌變形明顯大于上下游(另外兩側(cè))，這種不對(duì)稱變形以上部高程表現(xiàn)尤為突出，甚至出現(xiàn)上游側(cè)向井外側(cè)變形的情況，整個(gè)大井襯砌變形近似為“橢圓形”。

②三維非線性有限元計(jì)算成果表明:調(diào)壓室采用分層開挖，錨噴支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)和混凝土滯后一層形成的施工程序是可行的，但分層的高度應(yīng)結(jié)合調(diào)壓室圍巖類別加以分析確定。

③受斜坡地形因素影響，調(diào)壓室所賦存的地應(yīng)力環(huán)境存在偏壓現(xiàn)象，中上部高程圍巖厚度存在較大差異，致使施工期和運(yùn)行期調(diào)壓室結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力沿井周分布存在不均勻性，這種不均勻性在圍巖質(zhì)量較差的上部高程表現(xiàn)相對(duì)突出，故在工程中應(yīng)注意由此產(chǎn)生的影響，在分層開挖過程中應(yīng)盡早形成沿井周閉合的混凝土襯砌，以改善襯砌的受力條件，提高圍巖的穩(wěn)定性。

④建議在調(diào)壓室施工過程中開展地下水位、圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和圍巖穩(wěn)定性，以確保施工期和運(yùn)行期調(diào)壓室的安全。

3 調(diào)壓室工程施工的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 超前預(yù)固結(jié)灌漿加固井周圍巖，對(duì)井口及外側(cè)邊坡采取防護(hù)措施

(1)福堂水電站和桑坪水電站的調(diào)壓室工程均采取超前預(yù)固結(jié)灌漿+錨筋束的施工技術(shù)。所不同的是鑒于其復(fù)雜的地質(zhì)條件，福堂水電站調(diào)壓室超前預(yù)固結(jié)灌漿的耗量很大;而桑坪水電站超前預(yù)固結(jié)灌漿采取了延米單耗包干的形式，從而控制了工程投資。故在圍巖條件稍好的前提下，建議研究采用鋼管群樁加固的比較方案，即:在造孔階段，只對(duì)孔壁做固壁處理，滿足成孔要求即可，可避免出現(xiàn)灌漿費(fèi)用過高的現(xiàn)象;成孔后下鋼管并注漿封孔;對(duì)于井壁巖體局部穩(wěn)定問題，可以通過在開挖時(shí)及時(shí)做好深錨桿掛網(wǎng)噴護(hù)或采用小導(dǎo)管注漿予以解決。

(2)受斜坡等地形因素影響，調(diào)壓室所賦存的地應(yīng)力環(huán)境存在偏壓現(xiàn)象。不論是否采取倒掛混凝土襯襯，鎖口混凝土都是必要的，其通?？梢酝瑫r(shí)作為超前預(yù)固結(jié)灌漿的蓋重混凝土，且施工便捷，可有效控制成本。鎖口混凝土一般設(shè)置在開挖結(jié)構(gòu)線外，且采用鋼筋混凝土形式較為穩(wěn)妥，其斷面形式見圖1。

(3)開敞式調(diào)壓室布置受地形和地質(zhì)條件限制，多數(shù)場(chǎng)地狹窄:其一，調(diào)壓室口接后邊坡的坡腳，在大室開挖后，該部位應(yīng)力調(diào)整且應(yīng)力集中，易出現(xiàn)開裂或滑移現(xiàn)象。例如茂縣吉魚水電站調(diào)壓室，對(duì)其坡腳部位采取了抗滑樁處理措施。其二，調(diào)壓室同一平切高程室周變形存在不均勻性，鋼管側(cè)井壁變形明顯大于隧洞側(cè)，這種差異在中上部高程表現(xiàn)相對(duì)突出，主要是由于外側(cè)邊坡水平埋深較淺、鋼管側(cè)圍巖相對(duì)單薄所致。

圖1 鎖口(蓋重)混凝土結(jié)構(gòu)圖

若調(diào)壓室及壓力管道的外側(cè)邊坡為坡積體之類的不良地質(zhì)條件，應(yīng)高度重視邊坡的防護(hù)處理，否則易出現(xiàn)滑塌。在吉魚水電站，其調(diào)壓室外側(cè)的壓力管道邊坡就出現(xiàn)過較大的滑塌事故。

3.2 適時(shí)、合理地開挖分區(qū)及可行的支護(hù)方案，可有效地防止室壁坍塌

(1)無(wú)論何種形式的調(diào)壓室開挖，導(dǎo)井開挖都是調(diào)壓室開挖成功的關(guān)鍵因素。從某種意義上講，導(dǎo)井開挖成功，調(diào)壓室開挖就成功了一半。在此，筆者重點(diǎn)介紹了利用反井鉆機(jī)開挖導(dǎo)井的施工方法。利用反井鉆機(jī)開挖導(dǎo)井的施工程序?yàn)?沿豎井中心線布置LM300型反井鉆機(jī)，自上而下形成φ216導(dǎo)孔，導(dǎo)孔完成后，在豎井底部安裝擴(kuò)孔鉆頭，自下而上擴(kuò)挖溜渣井(φ1400)，溜渣井形成后，其直徑尚不能滿足正常的溜渣需要，應(yīng)采用人工擴(kuò)孔將孔徑擴(kuò)大至2.5～3 m 為宜(圖2)。

(2)根據(jù)調(diào)壓室開挖斷面面積及地質(zhì)條件，井身開挖應(yīng)采取光面爆破，預(yù)留保護(hù)層，減少超挖及回填工程量，控制工程投資;大斷面調(diào)壓室應(yīng)分區(qū)開挖，同時(shí)跟進(jìn)必要的初期安全支護(hù)，防止井壁出現(xiàn)大型坍塌。常采用的支護(hù)形式有錨網(wǎng)噴、格柵拱架、鋼支撐等或是幾種形式的聯(lián)合支護(hù)，也可采取錨網(wǎng)噴+倒掛混凝土初襯的形式。茂縣吉魚水電站調(diào)壓室(開挖直徑為35 m)采取鋼支撐+錨網(wǎng)噴作為初期安全支護(hù)，跟進(jìn)了有效的施工期安全監(jiān)測(cè)措施，保證了大井的安全貫通。

圖2 導(dǎo)井開挖施工程序圖

(3)對(duì)于開敞式調(diào)壓室，采用錨網(wǎng)噴+倒掛混凝土初襯，在井壁開挖成型后，應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)錨網(wǎng)噴支護(hù)封閉巖面，與圍巖結(jié)合形成共同受力的結(jié)構(gòu);根據(jù)桑坪水電站調(diào)壓室的施工經(jīng)驗(yàn)，倒掛混凝土可以采取小鋼模+鋼管支撐的方式，施工便捷，節(jié)約成本。對(duì)于埋藏式調(diào)壓室而言，宜采取邊挖邊襯的方式，以確保井壁開挖施工期間的安全。

(4)調(diào)壓室下部、阻抗孔與隧洞結(jié)合部位的防坍塌施工技術(shù)。姜射壩水電站在進(jìn)行調(diào)壓室底部井壁坍塌處理時(shí)，阻抗孔下部隧洞因地質(zhì)原因出現(xiàn)了邊頂拱以上部位的大面積塌方事故，搶險(xiǎn)處理費(fèi)時(shí)一個(gè)月，造成發(fā)電目標(biāo)推遲。為防患于未然，在桑坪水電站引水隧洞開挖時(shí)，對(duì)調(diào)壓室下部的隧洞部位采取工字鋼+錨網(wǎng)噴初期強(qiáng)支護(hù)，并對(duì)阻抗孔部位降低了支護(hù)強(qiáng)度(考慮挖掘機(jī)須從阻抗孔部位出去，適當(dāng)加大了該部位)，以便阻抗孔擴(kuò)挖時(shí)，不會(huì)對(duì)強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)造成大的破壞，進(jìn)而引起初期支護(hù)成本浪費(fèi)或坍塌等安全事故。在后期混凝土施工中，將阻抗孔下部的隧洞洞身混凝土與阻抗孔孔壁混凝土一起澆筑，從而保證了該部位的整體性。

3.3 確定合理的施工流程并做好施工組織

(1)對(duì)于開敞式調(diào)壓室工程，根據(jù)類似工程成熟的施工經(jīng)驗(yàn)制定的施工程序一般為:超前預(yù)固結(jié)灌漿施工→導(dǎo)井施工→大井開挖→錨噴初期安全支護(hù)+倒掛混凝土護(hù)壁→滑模井筒混凝土→固結(jié)灌漿。對(duì)于埋藏式調(diào)壓室工程，多采取邊挖邊襯的方式，同時(shí)澆筑井內(nèi)橫向支撐大梁構(gòu)成整體受力框架系統(tǒng)以保證每一層井身穩(wěn)定，同時(shí)為下一層的開挖和混凝土澆筑提供可靠的安全施工環(huán)境。

(2)合理的擴(kuò)挖分區(qū)+錨網(wǎng)噴支護(hù)+倒掛混凝土初襯的施工方案合理有效，可有效解決進(jìn)度、安全與投資之間的矛盾。在桑坪水電站調(diào)壓室工程實(shí)際施工中，考慮到調(diào)壓室的開挖斷面面積大，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工資源的配置情況，將大井?dāng)U挖的斷面分為了四個(gè)區(qū)，形成了井身擴(kuò)挖、錨網(wǎng)噴支護(hù)和初襯倒掛混凝土三道工序的循環(huán)作業(yè)，形成了流水作業(yè)面，有效地解決了井壁開挖施工中的安全問題，未出現(xiàn)傷人毀機(jī)的安全事故。倒掛混凝土初襯采取小鋼模+鋼管支撐，比起福堂水電站的大型全圓鋼模倒掛系統(tǒng)(由卷?yè)P(yáng)機(jī)提升系統(tǒng)和框架式全圓定型組合模板兩大部分組成)，可節(jié)約不少施工成本。在實(shí)踐中，桑坪水電站的調(diào)壓室開挖(含倒掛混凝土)正常月進(jìn)尺可達(dá)9～12 m?？梢哉f該方案是成功的。

(3)對(duì)于深、大調(diào)壓井(室)工程，下井安全爬梯的設(shè)計(jì)、井內(nèi)所需材料的垂直運(yùn)輸安全、井內(nèi)設(shè)備的安全防護(hù)、井口安全防護(hù)措施以及井內(nèi)通風(fēng)、照明、通訊等一系列問題都是在調(diào)壓井(室)施工中必須確保萬(wàn)無(wú)一失的。

3.4 結(jié)合工程特點(diǎn)，實(shí)施固結(jié)灌漿及滲控措施

(1)在桑坪水電站調(diào)壓室井身固結(jié)灌漿中，設(shè)計(jì)將環(huán)向固結(jié)灌漿孔改為豎孔灌漿，雖然施工便捷，但增加了灌漿延米數(shù)量。在有超前預(yù)固結(jié)灌漿的基礎(chǔ)上，本次固結(jié)灌漿后期采取降低灌漿壓力、1∶1開灌水灰比、越級(jí)變漿等方式，適當(dāng)?shù)乜刂屏斯酀{超耗量。另外，應(yīng)加強(qiáng)施工過程中的質(zhì)量控制，以便在保證施工質(zhì)量的同時(shí)控制工程投資。

(2)考慮到桑坪水電站調(diào)壓室與引水隧洞和壓力管道結(jié)合部位在開挖過程中均未發(fā)現(xiàn)地下滲水現(xiàn)象，設(shè)計(jì)人員對(duì)該部位的阻水帷幕灌漿采取了以下幾種方式進(jìn)行處理:①調(diào)壓室豎孔灌漿在外側(cè)(靠廠房后邊坡一側(cè))增加了一排固結(jié)灌漿;②在調(diào)壓室井筒下部21 m 及其底板迎水面(含阻抗孔)、引水隧洞末端50 m 范圍周邊混凝土表面涂刷了帕斯卡PSI-200水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料。該電站已運(yùn)行5年多時(shí)間，期間，經(jīng)歷了2008年“5.12”汶川大地震，調(diào)壓室外側(cè)邊坡穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)有滲漏水現(xiàn)象。

3.5 妥善處理混凝土

倒掛混凝土施工縫的處理措施:①層間施工縫。在桑坪水電站施工中，每層倒掛混凝土澆筑高度為3.6 m，將底部施工縫做成45°外斜面，下層倒掛混凝土頂部設(shè)置30 cm 的楔形體入料口，同時(shí)，加強(qiáng)了對(duì)施工縫面的振搗工作。②垂直施工縫?？蓞⒄崭Ｌ盟娬驹诘箳旎炷链怪笨p面上涂刷建筑工程常用的“界面劑”，以增加倒掛混凝土與滑?；炷林g的粘接力。柳坪水電站調(diào)壓室井壁結(jié)構(gòu)混凝土采取分層倒掛澆筑，應(yīng)用微膨脹混凝土與接縫灌漿相結(jié)合的方式處理反向施工縫，保證了新老混凝土的緊密結(jié)合，避免了滲漏，保證了調(diào)壓室在運(yùn)行期間的安全。

4 幾點(diǎn)體會(huì)

(1)在復(fù)雜地質(zhì)條件下，防止井壁坍塌是調(diào)壓室施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。初期安全支護(hù)的形式多樣，不必死搬硬套，宜結(jié)合工程實(shí)際制定合理的開挖及支護(hù)方案，以保證大井開挖施工安全為先。同時(shí)，筆者認(rèn)為:應(yīng)加強(qiáng)施工期的觀測(cè)，對(duì)初期安全支護(hù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，杜絕初期支護(hù)方案過于保守而浪費(fèi)資源，或是過于冒進(jìn)造成坍塌，導(dǎo)致安全事故，影響施工進(jìn)度。

(2)無(wú)論是開敞式或埋藏式調(diào)壓室的施工，合理的施工組織方案可以有效地解決進(jìn)度、安全與投資之間的矛盾，這就需要我們不斷地進(jìn)行總結(jié)和技術(shù)創(chuàng)新。

(3)調(diào)壓室超前預(yù)固結(jié)灌漿應(yīng)采取措施防止?jié){液流失，進(jìn)而控制工程投資。筆者認(rèn)為:調(diào)壓室井身的固結(jié)灌漿由環(huán)向灌漿孔改為豎向灌漿孔，對(duì)于有超前預(yù)固結(jié)灌漿措施、深度大于60 m 的開敞式調(diào)壓室有一定的實(shí)用價(jià)值，但可否作為成熟技術(shù)進(jìn)行推廣應(yīng)用，則有待于進(jìn)一步研究和論證。

(4)作為水電站引水系統(tǒng)的一個(gè)重要水工建筑物，調(diào)壓室工程有其施工特點(diǎn)和難點(diǎn)。在初步了解其設(shè)計(jì)意圖的基礎(chǔ)上，我們的主要任務(wù)還是照?qǐng)D施工，對(duì)于不同型式的調(diào)壓室工程，實(shí)施合理的施工方案，做好工程管理，提交一個(gè)在質(zhì)量、進(jìn)度、安全和投資等方面整體目標(biāo)最優(yōu)的合格產(chǎn)品。