哈薩克斯坦瑪依納水電站引水隧洞設(shè)計特點

程 春，馬 林

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072)

1 工程概況

瑪依納水電站位于哈薩克斯坦共和國東南部阿拉木圖州萊姆別克區(qū)的伊犁河左岸一級支流——恰倫河上，為一座綜合性水利樞紐，主要任務(wù)為發(fā)電，其次是灌溉。電站為混合式開發(fā)，其主要建筑物由首部大壩樞紐、右岸地下引水系統(tǒng)和地面廠區(qū)樞紐等建筑物組成。當(dāng)?shù)夭牧蠅?，壩?4.0m，總庫容2.38×107m3，引水隧洞全長4 913m，壓力管道主管長4 322m，設(shè)計水頭約500m，發(fā)電引用流量74.0m3/s，電站裝設(shè)2臺沖擊式水輪機，裝機容量300MW(150 MW×2)。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

瑪依納水電站引水發(fā)電樞紐區(qū)地層主要為石炭系下統(tǒng)克特緬組(C1t-V1kt)火山巖，廠區(qū)附近有奧陶系上統(tǒng)(γO3)花崗巖侵入。電站大壩和主要建筑地段場地的地震烈度為MSK-64烈度表的IX度。

根據(jù)瑪依納水電站引水隧洞地下洞室開挖揭示的地層巖性、構(gòu)造、物理地質(zhì)現(xiàn)象、地下水活動狀態(tài)、巖體結(jié)構(gòu)類型以及垂直埋深等，按照規(guī)范確定的圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)，引水隧洞圍巖物理力學(xué)指標(biāo)值詳見表1。

表1 瑪依納水電站地下洞室圍巖分類及巖體力學(xué)參數(shù)建議值

注：Ⅳ1為Ⅳ類偏好圍巖，Ⅳ2為Ⅳ類偏差圍巖。

2.2 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)屬大陸性干旱少雨氣候區(qū)，地下水補給源主要為雨季降雨和冬季降雪，大氣降水補給相對較少。引水隧洞區(qū)進口段及末端地下水活動弱，洞段多干燥；蘇爾坦別克薩依溝、1號支洞溝以及其間洞段其地下水活動相對較活躍，且主要集中于匯水面積相對較大的蘇爾坦別克薩依溝、1號支洞溝附近洞段。其余部位地下水活動弱，洞段多潮濕～干燥。

根據(jù)哈方工程師對引水隧洞區(qū)環(huán)境水樣和地下水樣的水化學(xué)分析復(fù)核試驗表明，恰倫河水對鋼筋混凝土中的鋼筋具中等侵蝕性，HCO31-對于抗?jié)B性為W4的混凝土具弱侵蝕性，而對于抗?jié)B性為W6和W8的鋼筋混凝土則為非侵蝕性。

3 引水隧洞布置設(shè)計

引水系統(tǒng)主要由有壓引水隧洞、調(diào)壓井和壓力管道等建筑物組成。

鑒于引水隧洞區(qū)的地質(zhì)條件較差、隧洞所承受的內(nèi)水壓力較大，并結(jié)合引水隧洞區(qū)地表平緩、沿線溝脊相間起伏較大的地形特點，隧洞布置設(shè)計中在滿足“挪威準(zhǔn)則”的前提下抬高了隧洞的底板高程，以降低隧洞內(nèi)水壓力并減小隧洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計難度和減少鋼筋量，同時縮短施工支洞的長度以節(jié)省工期。結(jié)合引水隧洞進水口及調(diào)壓井位置，隧洞在平面布置上設(shè)置了2個轉(zhuǎn)彎點，立面上設(shè)置了1個轉(zhuǎn)彎點，洞線全長4 913m。

為滿足隧洞開挖和襯砌的需要，引水隧洞共設(shè)置2條施工支洞；為便于隧洞的檢修，在2號施工支洞與主洞交匯處設(shè)置了手推式鋼閘門作為永久檢修通道。

引水系統(tǒng)平面及縱剖面布置示意見圖1。

圖1 引水系統(tǒng)平面及縱剖面布置示意

4 引水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 引水隧洞設(shè)計內(nèi)壓、襯砌斷面及襯砌材料確定

引水隧洞承受的內(nèi)水壓力隨水庫水位和調(diào)壓井涌浪的變化而變化，其控制內(nèi)水壓力按水庫正常蓄水位1 770.0m和調(diào)壓室最高涌浪水位1 787.61m確定，因此，隧洞沿線承受的最大內(nèi)水壓力為0.52(隧洞進口處)～1.83MPa(調(diào)壓井處)。

通過經(jīng)濟洞徑比較，確定隧洞內(nèi)徑D=5.6m；鑒于圓形斷面具有更優(yōu)的水力學(xué)條件和結(jié)構(gòu)受力條件，確定隧洞內(nèi)斷面為圓形；考慮工程區(qū)的氣候條件(冬季寒冷而漫長)和地下水的侵蝕性，隧洞襯砌材料指標(biāo)為C20W8F100。

引水隧洞除末端的過溝段外，其余洞段的垂直埋深和水平(或側(cè)向)埋深均滿足挪威準(zhǔn)則，故采用鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。其襯砌結(jié)構(gòu)形式為：

(1)Ⅲ類圍巖洞段采用單層鋼筋混凝土襯砌，襯厚35cm(含臨時支護)；

(2)Ⅳ類圍巖洞段采用單層或雙層鋼筋混凝土襯砌，襯厚60cm(含臨時支護)；

(3)Ⅴ類圍巖洞段采用雙層鋼筋混凝土襯砌，襯厚60cm(含臨時支護)。

4.2 引水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計原則、計算工況及配筋

結(jié)合隧洞沿線的巖性、圍巖類別、上覆巖體厚度及內(nèi)外水壓力等情況，隧洞鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要采取了如下原則：

(1) 在滿足規(guī)范要求的最小襯厚前提下，盡量減小襯砌厚度，以減小開挖斷面并提高其斷面含筋率；

(2) 在便于施工的前提下，相等的配筋面積宜采用細(xì)鋼筋、密布置的方式，以改善襯砌的受力條件并限制襯砌裂縫的開展；

(3) 配筋除滿足鋼筋容許應(yīng)力σ要求外，并滿足裂縫開展寬度δf要求；

(4) 采取固結(jié)灌漿，以提高圍巖承載力、增強圍巖的抗?jié)B性。

鋼筋混凝土襯砌承載能力按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計，最大裂縫寬度允許值δf≤0.25mm。

隧洞鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)計算主要考慮三種工況，即：施工工況、運行工況和檢修工況。計算中對Ⅲ、Ⅳ類偏好(Ⅳ1)和Ⅳ類偏差(Ⅳ2)圍巖的fk(巖體堅固系數(shù))和K0(彈性抗力系數(shù))取中值，對Ⅴ類圍巖的fk和K0取上限；根據(jù)圍巖的產(chǎn)狀、地下水情況、斷層及裂隙發(fā)育等具體情況，初期支護時對Ⅴ類圍巖基本都進行了鋼架支護，對部分Ⅳ圍巖進行了噴錨支護，對部分Ⅲ類進行了隨機噴錨支護，引水隧洞地下洞室基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；根據(jù)(DL/T5195-2004)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定：“根據(jù)監(jiān)控量測，若初期支護已能滿足圍巖穩(wěn)定要求時，二次支護可不計或少計圍巖壓力”；“當(dāng)作用荷載對結(jié)構(gòu)受力有利時，其作用分項系數(shù)取為0.0”，因此，運行工況時不計圍巖壓力和地下水壓力。

正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合見表2。

表2 正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合

圓形有壓隧洞襯砌靜力計算按(DL/T 5195-2004)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》附錄G中公式進行計算。

根據(jù)內(nèi)水壓力和圍巖指標(biāo)、鋼筋設(shè)計值等參數(shù)，經(jīng)計算，最終的配筋如下：

Ⅲ類圍巖洞段采用單層鋼筋混凝土襯砌，環(huán)向受力筋直徑為Φ16～Φ22，間距為0.2m；縱向架立筋直徑為Φ16，間距為0.2m。

Ⅳ類圍巖洞段采用單層或雙層鋼筋混凝土襯砌，環(huán)向受力筋直徑為Φ16～Φ32，間距為0.1～0.2m；縱向架立筋直徑為Φ12～Φ25，間距為0.2m。

Ⅴ類圍巖洞段采用雙層鋼筋混凝土襯砌，環(huán)向受力筋直徑為Φ25～Φ32，間距為0.071 5～0.143m；縱向架立筋直徑為Φ20～Φ25，間距為0.2m。

4.3 回填灌漿

為使襯砌與圍巖緊密貼合，以使圍巖承受一部分內(nèi)水壓力并保證圍巖壓力均勻傳遞于襯砌上，對引水隧洞鋼筋混凝土襯砌段頂拱進行了回填灌漿設(shè)計?；靥罟酀{孔深入圍巖10cm，采用1孔或2孔交替布置，1孔時位于洞頂，2孔時孔中心線夾角為60°，對稱于隧洞中心鉛垂線，灌漿孔排距250cm；回填灌漿采用填壓式灌漿法，要求在襯砌混凝土達(dá)到70%設(shè)計強度后按分區(qū)和分序原則進行，灌漿壓力采用0.3MPa。

4.4 固結(jié)灌漿

為加固圍巖，提高圍巖承載能力和減少滲漏，對引水隧洞鋼筋混凝土襯砌的Ⅳ類和Ⅴ類圍巖洞段進行了固結(jié)灌漿設(shè)計。每250cm布置一排固結(jié)灌漿孔，每排均布8孔，灌漿孔深入基巖4.0m，相鄰兩排成梅花型交錯布置。固結(jié)灌漿應(yīng)在該部位的回填灌漿結(jié)束7d后按環(huán)間分序、環(huán)內(nèi)加密的原則進行。固結(jié)灌漿壓力按1～2倍內(nèi)水壓力設(shè)計，為0.8～2.5MPa，根據(jù)襯砌洞段所處位置(內(nèi)壓)和地質(zhì)條件分別采用不同的灌漿壓力標(biāo)準(zhǔn)，隧洞圍巖固結(jié)灌漿要求灌后巖體透水率≤3Lu。

引水隧洞回填及固結(jié)灌漿孔布置見圖2。

圖2 引水隧洞回填及固結(jié)灌漿孔布置示意

5 施工期物探檢測及動態(tài)設(shè)計

(1)在引水隧洞開挖期間，采用地質(zhì)雷達(dá)對掌子面前方20～30m范圍內(nèi)的圍巖進行超前預(yù)報，其

預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)95%，為隧洞的開挖及支護提供了可靠的依據(jù)，確保了開挖施工安全。隧洞開挖完成后，采用聲波波速測試對隧洞進行松動圈檢測，以判別圍巖松馳深度，為圍巖類別劃分及加固處理、隧洞永久襯砌提供了依據(jù)。隧洞襯砌完成后，采用地質(zhì)雷達(dá)對襯砌厚度、鋼筋分布、混凝土密實度及頂拱脫空情況等進行了檢測，確保了襯砌質(zhì)量。

(2)設(shè)計之初，對引水隧洞鋼筋混凝土襯砌的Ⅳ1和Ⅳ2類圍巖洞段均提出了固結(jié)灌漿要求，但在現(xiàn)場的固結(jié)灌漿實施過程中，為了檢測灌漿效果，項目部對部分Ⅳ類和Ⅴ類圍巖進行了灌前和灌后的物探聲波檢測，經(jīng)對比分析，部分Ⅳ1類圍巖灌前波速為4 000～5 500m/s，灌后波速為5 500～6 000m/s，平均波速提高率僅為4.1%；另外，根據(jù)施工單位提供的圍巖固灌前后壓水試驗透水率和灌漿吸漿量等資料，部分Ⅳ1類圍巖固灌前平均透水率≤3Lu，且吸漿量非常?。痪C合上述情況，設(shè)計經(jīng)研究和分析后取消了引水隧洞(隧)1+510～4+084m間深埋洞段Ⅳ1類圍巖的固結(jié)灌漿，節(jié)約了工程量并節(jié)省了工期。

6 結(jié) 語

(1) 為了及時合理的反映引水隧洞的工作狀態(tài)，為電站在施工期、充水期和運行期的安全提供依據(jù)，在引水隧洞圍巖較差的0+330m和2+590m處襯砌斷面中分別設(shè)置了鋼筋計，對襯砌結(jié)構(gòu)中的鋼筋進行應(yīng)力監(jiān)測。通過對觀測資料的整理和觀測數(shù)據(jù)的分析，隧洞襯砌鋼筋的實際應(yīng)力均小于設(shè)計內(nèi)壓時的計算鋼筋應(yīng)力，襯砌鋼筋有適當(dāng)優(yōu)化的余地。

(2) 瑪依納水電站于2011年12月底對引水系統(tǒng)進行充水并發(fā)電，電站運行情況良好。該電站的引水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計表明，圍巖為承載的主體，在滿足隧洞上覆巖體厚度準(zhǔn)則且圍巖強度較高、完整性好的前提條件下，高內(nèi)壓的引水隧洞采用較薄的鋼筋混凝土襯砌是完全可行的。本工程引水隧洞鋼筋混凝土襯砌段最大設(shè)計內(nèi)壓P接近2.0MPa，洞徑D為5.6m，PD值>1 000，而最大襯厚僅0.6m(含臨時支護)，因此，在隧洞上覆巖體厚度增加、圍巖完整性更好和強度更高的前提下，其設(shè)計內(nèi)壓還可適當(dāng)增大。

(3) 通過適當(dāng)?shù)牡乜?如鉆孔、聲波檢測等)和試驗(如壓水、磨片等)等工作，對圍巖的類別和巖體力學(xué)參數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行細(xì)化，不僅利于精細(xì)化設(shè)計，從而節(jié)約工程量和投資，而且可以節(jié)省工期，達(dá)到了“快而省”的目的。

致謝：本文得到了成都院水道處教授級高工劉朝清的悉心指導(dǎo)和幫助，在此深表感謝！