古城水電站調(diào)壓井的設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)介

楊 敬，許 韜，陳亞琴

(1.中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072；2.四川大學(xué)水電學(xué)院，四川 成都 610065)

1 工程概況

古城水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州理縣及汶川縣境內(nèi)的雜谷腦河上，屬雜谷腦流域水電規(guī)劃“一庫(kù)七級(jí)”開發(fā)規(guī)劃方案中的第七級(jí)梯級(jí)電站。

古城水電站的工程任務(wù)是發(fā)電，采用引水式開發(fā)，裝機(jī)容量168MW，多年平均年發(fā)電量8.07億kW·h。電站水庫(kù)正常蓄水位1 554.50m，相應(yīng)庫(kù)容93.9萬(wàn)m3，汛期排沙運(yùn)行水位1 550.0m，水庫(kù)死水位1 550.0m，調(diào)節(jié)庫(kù)容58萬(wàn)m3，具有日調(diào)節(jié)能力。

調(diào)壓室布置在引水隧洞末端，根據(jù)調(diào)壓井位置的地形地質(zhì)條件，采用露頂阻抗式調(diào)壓室。最高涌浪水位1 596.29m，最低涌浪1 524.42m。為使調(diào)壓室基礎(chǔ)置于較完整巖體及減少壓力管道施工難度，調(diào)壓室連接井底高程(隧洞底板高程)1 506.00m，井筒頂高程1 607.00m，井筒高101.00m，內(nèi)徑19.0m；阻抗孔高程1 514.20m，孔徑5.0m，屬超大型調(diào)壓井。

古城水電站調(diào)壓井位置谷坡大多被覆蓋層覆蓋，1 490m高程以下基巖裸露，臨江坡高大于200m。該區(qū)巖層為志留系茂縣群第三組(Smx3)絹云千枚巖、變質(zhì)砂巖，巖層產(chǎn)狀N70°～85°E，SE(NW)∠70°～80°，為陡傾橫向谷。調(diào)壓井部位巖體風(fēng)化、卸荷明顯，強(qiáng)卸荷水平深度約60m，弱卸荷、弱風(fēng)化水平深度約150m，巖體中無(wú)較大規(guī)模的斷層分布，主要發(fā)育層面裂隙和少量小型擠壓破碎帶。巖體完整性差。

調(diào)壓井高程1 569m以上段為強(qiáng)卸荷巖體，其圍巖巖性軟弱，強(qiáng)度較低，巖體破碎，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖層傾倒，成井條件較差，圍巖分類為Ⅴ類；高程1 569m以下為弱微風(fēng)化巖體，圍巖分類為Ⅲ～Ⅳ類。

據(jù)地表地質(zhì)調(diào)查，開挖揭示調(diào)壓井后坡覆蓋層較深厚，最深可達(dá)50m，主要由坡殘積層組成，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，基巖與覆蓋層界線傾角約14°。

2 可研階段設(shè)計(jì)情況

根據(jù)可研階段提供的地質(zhì)條件，調(diào)壓井位置的基覆界線約為1 607.00m高程左右，井筒置于基巖內(nèi)。其后坡為覆蓋層邊坡，為減小邊坡開挖高度,邊坡按1∶1開挖坡比設(shè)計(jì)(天然坡比也約為1∶1)，起坡點(diǎn)為井筒外壁，在1 635.00m高程處設(shè)置一條3.0m寬?cǎi)R道，坡面采用混凝土框格梁支護(hù)，框格梁間排距2.0m×2.0m，框格梁尺寸40cm×40cm，縱、橫框格梁節(jié)點(diǎn)處設(shè)錨筋束(3Φ32，L=9.0m，入框格梁35cm)。最大開挖坡高約60m。

調(diào)壓井井筒一期支護(hù)采用錨噴支護(hù)，參數(shù)為噴C20混凝土，厚10cm，錨桿Φ25，L=5.0m和L=3.0m、間排距150cm交錯(cuò)布置，掛鋼筋網(wǎng)φ8@20cm。

3 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)變化

施工過程中，調(diào)壓井后坡采用自上而下邊開挖邊支護(hù)的工序施工，邊坡開口高程為1 671.00m，實(shí)際開挖至原設(shè)計(jì)高程1 607.00m時(shí)未見基巖出露，在1 613m高程以下局部調(diào)整開挖坡比為1∶0.8，開挖至1 603.00m時(shí)，仍未見基巖出露?，F(xiàn)場(chǎng)停止施工，且對(duì)開挖1∶0.8部分作回填壓坡處理，設(shè)計(jì)補(bǔ)充了鉆孔確定基覆界線。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)勘確認(rèn)，基覆界線整體較原估計(jì)下調(diào)約15.5m(見表1)。

表1 古城調(diào)壓井基覆界線調(diào)整 m

4 問題分析

根據(jù)開挖揭示的實(shí)際地質(zhì)條件，調(diào)壓井或邊坡應(yīng)作相應(yīng)設(shè)計(jì)調(diào)整。由于本工程的具體條件，勢(shì)必產(chǎn)生如下的問題：

(1)由于上部邊坡已經(jīng)開挖成形，如繼續(xù)按原設(shè)計(jì)坡比下挖至基巖面，調(diào)壓井井筒需外移約16m，而現(xiàn)場(chǎng)的地形條件不允許，1 607m高程處的井筒外壁側(cè)覆僅有10余m；

(2)如按1∶1設(shè)計(jì)坡比重新開挖邊坡，則調(diào)壓井后坡的覆蓋層邊坡最大坡高將超過100m，邊坡高度增加，對(duì)坡面穩(wěn)定不利。

且已經(jīng)完成已開挖坡面的臨時(shí)支護(hù)，正在進(jìn)行的永久邊坡支護(hù)將報(bào)廢；

(3)一般情況下，如不改變坡口位置及坡腳位置，可通過調(diào)整開挖坡比來實(shí)現(xiàn)下挖。本工程若通過調(diào)整坡比下挖15.5m，則總體坡比將達(dá)1∶0.7左右，這對(duì)高達(dá)76m的 覆蓋層邊坡顯然是不現(xiàn)實(shí)的。

(4)若井口下挖，將使約17m井筒垂直外露，不利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及抗震安全。

通過以上分析，古城水電站調(diào)壓井宜采取不重新削坡，對(duì)1 590m高程以上的井筒按覆蓋層井筒垂直下挖施工來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

由于古城水電站調(diào)壓井井筒尺寸大，地形、地質(zhì)條件十分不利，覆蓋層段的井筒開挖施工期安全問題非常突出，需要特別重視。

5 設(shè)計(jì)調(diào)整思路

古城水電站調(diào)壓井為超大型調(diào)壓井，具有開挖尺寸大，上、中部置于覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化強(qiáng)卸荷基巖中，外側(cè)側(cè)覆小等特點(diǎn)。對(duì)開挖揭示出的地質(zhì)條件的變化，由于各種條件的制約，既不能通過調(diào)整調(diào)壓井的位置來應(yīng)對(duì)，也不宜采用調(diào)整開挖坡比和重新削坡來處理。設(shè)計(jì)中對(duì)1 590m以上的井筒按覆蓋層井筒開挖進(jìn)行了工程設(shè)計(jì)。由于下伏及后坡均為覆蓋層，覆蓋層段的井筒施工期的安全問題十分突出，設(shè)計(jì)分析了采用沉井法下挖、對(duì)已成形邊坡加強(qiáng)支擋后下挖及采用抗滑樁后下挖幾個(gè)方案，以確保調(diào)壓井井筒施工期安全。

(1)由于調(diào)壓井內(nèi)徑達(dá)19.0m，開挖半徑過大，沉井相對(duì)而言為薄壁結(jié)構(gòu)，受周圍不均衡土壓力易變形破壞，由于調(diào)壓井覆蓋層為塊碎石土，施工中不易保證沉井均勻下沉。

(2)如對(duì)已有1 603～1 612m高程坡腳進(jìn)行鎖邊處理，增加抗滑力的方式，需設(shè)置混凝土墻壓重并增加錨索處理。通過計(jì)算復(fù)核坡腳穩(wěn)定。但由于前期邊坡起坡線緊靠井筒邊壁，基本無(wú)布置混凝土擋墻的條件；且井筒下挖時(shí)，由于基覆界線位于擋墻之下，潛在滑移面可能位于混凝土擋墻以下，導(dǎo)致?lián)鯄κА?/p>

(3)由于井筒后側(cè)覆蓋層邊坡最終高度將達(dá)76m左右，抗滑樁對(duì)這類邊坡的穩(wěn)定是最有效的工程措施之一。通過抗滑樁作用，保證后坡整體穩(wěn)定，對(duì)樁后井筒范圍內(nèi)的覆蓋層全部開挖。雖然通過施設(shè)抗滑樁保障了調(diào)壓井后坡的穩(wěn)定，但僅此不能保證井筒開挖過程中的井筒周圈側(cè)壁覆蓋層穩(wěn)定，因此，在開挖前，沿井筒開挖面周圈外設(shè)置了兩排鋼管樁，以維系側(cè)壁覆蓋層穩(wěn)定。鋼管樁深入基巖，井筒下挖時(shí)，鋼管樁不斷外露，當(dāng)鋼管樁懸露至一定長(zhǎng)度后，鋼管樁不能承受土壓力，故在內(nèi)側(cè)靠鋼管樁設(shè)置環(huán)型鋼支撐，以保證鋼管樁的擋土功效，開挖面形成相應(yīng)的拱效應(yīng)，暫時(shí)抵抗側(cè)壁土壓力。隨著井筒下挖至基巖及以下時(shí)，抗滑樁的作用將逐漸失效，此時(shí)暫停開挖作業(yè)，澆筑覆蓋層內(nèi)上部井筒一期混凝土，形成鋼管樁和工字鋼的型鋼混凝土井筒，形成相對(duì)剛性的上部混凝土井筒，同時(shí)考慮井筒繼續(xù)下挖存在上部井筒混凝土懸空而下滑的情況，調(diào)整覆蓋層內(nèi)調(diào)壓井混凝土襯砌厚度為2.5m，一期襯厚為1.0m。覆蓋層內(nèi)調(diào)壓井混凝土坐落于基巖上。為保證基覆界線基巖不出現(xiàn)受上部混凝土壓重影響出現(xiàn)剪切破壞。在基巖內(nèi)設(shè)置鎖口錨桿。

通過以上分析，選擇了抗滑樁+鋼管樁+鋼支撐的設(shè)計(jì)調(diào)整方案。

6 實(shí)施方案設(shè)計(jì)

上述設(shè)計(jì)調(diào)整成立與否的關(guān)鍵在于，覆蓋層井筒段開挖完成時(shí)及抗滑樁完全失效后覆蓋層調(diào)壓井段是否會(huì)產(chǎn)生整體剛性位移。因此，必須進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析。

分析方法：采用陳祖煜土坡穩(wěn)定分析程序STAB2005搜索最不利滑移面，并計(jì)算在指定位置的下滑力(不考慮該截面后有任何抗力)，用于支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并驗(yàn)算覆蓋層調(diào)壓井段開挖完成后是否會(huì)產(chǎn)生整體剛性位移。

穩(wěn)定分析的核心在于參數(shù)的選取，通過現(xiàn)場(chǎng)典型位置進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)，實(shí)測(cè)Ф=29.6°～33.4°，C=30～35kPa，且邊坡開挖中揭示的覆蓋層中存在較大孤石，大剪試驗(yàn)提供的抗剪指標(biāo)較覆蓋層整體而言相對(duì)偏低，可作為穩(wěn)定的安全儲(chǔ)備。

通過正常、暴雨及地震三種工況分析，調(diào)壓井施工中按上述措施施工，各期后邊坡覆蓋層整體穩(wěn)定。

經(jīng)過計(jì)算，按前述程序進(jìn)行調(diào)壓井施工，施工期各期邊坡安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，具體工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用：混凝土抗滑樁、鋼管樁、錨索、固結(jié)灌漿和鎖口錨桿。

混凝土抗滑樁靠山內(nèi)側(cè)、調(diào)壓井外邊壁打設(shè)，樁尺寸為2.0m×3.0m，樁長(zhǎng)根據(jù)實(shí)際鉆孔情況確定，抗滑樁入巖深度至少為覆蓋層深度的1/2。

鋼管直徑110mm，布置兩排，排距1m，樁距1m，交錯(cuò)布置，鋼管樁長(zhǎng)根據(jù)實(shí)際鉆孔情況確定，鋼管樁入巖深度為覆蓋層深度的1/3, 鋼管內(nèi)放置3根φ32的鋼筋并綁扎，鋼管內(nèi)澆注M20水泥砂漿。

在邊坡混凝土框格梁節(jié)點(diǎn)上布置2排100 t/根的錨索，間排距為4m，錨索長(zhǎng)度約為65 m，錨固段長(zhǎng)度為8.0m，梅花形布置。

為增加井筒側(cè)壁覆蓋層穩(wěn)定性，沿井筒周圈固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿壓力擬定為0.5MPa，孔距1.5m，孔深靠山內(nèi)側(cè)10m、外側(cè)15m(見圖1、2)。

圖1 調(diào)壓井覆蓋層開挖處理平面示意

圖2 調(diào)壓井覆蓋層開挖處理剖面示意

7 監(jiān)測(cè)資料

為保障井筒開挖支護(hù)施工安全，需及時(shí)掌握調(diào)壓井邊坡變形情況，在調(diào)壓井邊坡增加兩套四點(diǎn)式多點(diǎn)位移計(jì)。

監(jiān)測(cè)資料顯示自2007年5月至2008年5月，邊坡最大變形約6mm，未收斂。2008年“5.12”地震時(shí)，井筒開挖面位于高程1 536.0m左右，震后現(xiàn)場(chǎng)檢查，除噴混凝土局部開裂外，調(diào)壓井邊坡及井筒未見失穩(wěn)現(xiàn)象。2008年9月修復(fù)監(jiān)測(cè)設(shè)施后，調(diào)壓井邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收斂，邊坡基本穩(wěn)定。調(diào)壓井于2009年7月開挖完成(見圖3，4)。

圖3 調(diào)壓井后邊坡多點(diǎn)位移計(jì)M5成果

圖4 調(diào)壓井后邊坡多點(diǎn)位移計(jì)M6成果

8 小 結(jié)

古城電站于2010年11月并網(wǎng)發(fā)電正常運(yùn)行至今。設(shè)計(jì)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，復(fù)核邊坡及井筒開挖穩(wěn)定，并及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)思路，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，綜合分析實(shí)施過程中可能出現(xiàn)的一切不利情況，制定出相應(yīng)切實(shí)可行的處理措施。