甲米河一級水電站引水隧洞圍巖災害處置方案比較

祁向明，唐平康

(四川鹽源甲米河水電開發(fā)有限公司，四川鹽源，615700)

1 工程概況

甲米河一級水電站取水樞紐位于鹽源縣鹽塘河(甲米河段)甲米村上游5.3km的手爬巖，距縣城約54.7km，為鹽塘河干流甲米河段梯級開發(fā)中的第一梯級，其下游為甲米河二級水電站。工程開發(fā)的主要任務是發(fā)電，兼顧下游減水河段生態(tài)環(huán)境用水要求。

甲米河一級水電站系具日調(diào)節(jié)功能的引水式電站，裝機3×12MW，多年平均發(fā)電量15509萬kW·h。電站工程為Ⅳ等小(一)型工程，由首部樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)樞紐三部分組成。

引水隧洞布置于河道右岸，隧洞全長11059m(至調(diào)壓井中心)，首端底板高程2146.65m，末端底板高程2127.57m，隧洞設計縱坡為1.725‰;隧洞斷面為馬蹄形，開挖直徑上半圓為6.2m，下半部分側(cè)拱半徑為6.2m，圓心角30°，底部為平底，底寬4.36m。引水隧洞設置5個施工支洞，施工支洞單工作面控制長度為1.0km～1.5km。

工程區(qū)位于橫斷山脈北西側(cè)雅礱江右岸鹽塘河甲米河段，屬川西南山地褶皺高山、峽谷地貌。區(qū)內(nèi)出露地層有二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖和二疊系樂平組，三疊系下統(tǒng)青天堡組、中統(tǒng)鹽塘組、白山組、下博大組和上中博大并組，第四系殘坡積層。

與本工程密切相關的較大斷裂有查瓦甲米斷裂和麥架坪斷裂。其中，甲米斷裂為南北向構(gòu)造，出露長32km，傾向E，傾角60°～70°。該斷層軸線與本工程近于平行，與引水隧洞、壩址相距3km～7km，與廠區(qū)相距約7km;麥架坪斷裂為南東向，出露長 42km，走向 N40°～50°E，傾角 60°～70°，斷層的伴生成分以南北、東西兩組扭節(jié)理常見。該斷層軸線距本工程壩址區(qū)約12km，距廠區(qū)約1.3km。

引水隧洞位于鹽塘河甲米段右岸，引水隧洞Ⅲ類圍巖占12.1%，Ⅳ類圍巖占50.6%，Ⅴ類圍巖占37.2%。

2 災害情況及原因分析

2.1 涌水和塌方情況

引水隧洞樁號1+597m～1+590m在開挖時出現(xiàn)多處點狀和線狀滲水，現(xiàn)場技術(shù)人員查看后決定打排水孔引排，對已變形鋼筋格柵拱架進行加強錨桿加固。由于當時未完全了解掌子面情況，加固措施僅為常規(guī)支護，因此加固后不久發(fā)生流量約為600m3/h的涌水(后在清理石碴過程中發(fā)現(xiàn)下游1+553m樁號右側(cè)頂拱塌陷形成一孔洞)，同時涌出大量直徑小于5cm的小顆粒石碴，從掌子面開始逐漸向上游堆積，涌水很快將引水隧洞1#支洞及其上、下游工作面淹沒。

涌水出現(xiàn)后立即暫停了洞挖施工，增加排水泵和排水管線全力抽排，3周后涌水逐漸減小至150m3/h。洞內(nèi)施工通道恢復后，開始下游塌方石碴的清理，當清理至樁號1+553m部位，右側(cè)頂拱出露直徑約1.8m孔洞，從孔洞內(nèi)滑落的石碴在40min內(nèi)堆積約300m3。塌方石碴粒徑小于10cm，多為破碎狀灰?guī)r。

2.2 原因分析

涌水、塌方洞段圍巖為三迭系中統(tǒng)鹽塘組(T2y)，巖性以長石巖屑砂巖為主，夾泥質(zhì)灰?guī)r。砂巖具細粒結(jié)構(gòu)，巖屑成份為石英、長石、巖屑、云母等，少量有機質(zhì)碎片。灰?guī)r具細晶結(jié)構(gòu)，巖石成份以方解石為主，含有白云石及少量黃鐵礦，自生石英，自生長石和泥質(zhì)，巖層產(chǎn)狀為115°∠58°。凡波拉達溝為常年流水沖溝，位于本次涌水、塌方洞段東北側(cè)，受構(gòu)造影響，裂隙發(fā)育，巖體完整性差。塌方段雖已穿過沖溝，但離溝底不遠，仍在沖溝匯集地表水及地下水的范圍，裂隙水的補給源是分水嶺地段的地下水及沖溝匯集兩側(cè)地表水的入滲。經(jīng)組織省內(nèi)知名水工、地質(zhì)和施工等專業(yè)的專家組認真調(diào)查與分析，認為本次涌水、塌方事故發(fā)生的主要原因為惡劣的水文地質(zhì)環(huán)境。

3 處置方案技術(shù)經(jīng)濟分析

根據(jù)現(xiàn)場情況，參建各方經(jīng)討論提出了三個處置方案:①采取管棚+鋼支撐強行通過(簡稱“強行通過方案”);②隧洞向山體內(nèi)側(cè)改線;③隧洞向山體外側(cè)改線(見圖1)。

圖1 三種方案平面布置示意

3.1 強行通過方案

采用φ108mm@400L=15m注漿管棚、I22工字鋼間距400mm鋼拱架支撐，開挖采用上下半洞分臺階中部留核心土的方法開挖。

3.1.1 支護措施

小導管(灌漿管)+開口斷面擴挖+大管棚+壓漿固結(jié)

首先在掌子面封閉壓漿，固結(jié)松軟的淤碴，使其成為整體，為管棚提供支撐，給超前措施提供必要的條件。

在此采用密排大管棚，形成棚狀支撐體，同時注漿導管施工完后采用純水泥漿液對圍巖進行固結(jié)灌漿，局部地下水較大可注水泥——水玻璃漿液，在管內(nèi)雙液注漿可以達到管、巖體與水泥、水玻璃之間的相互咬合，從而使其融為一體，形成強有力的管棚超前支護，可以有效地防止突泥、突水甚至坍塌。具體措施如下(見圖2):

(1)在1+545.0mⅣ類圍巖處擴挖至Ⅴ類圍巖斷面并進行鋼拱架加固;

(2)在淤碴表面上噴C20混凝土全面封閉加固，厚度為20cm;

(3)在拱頂采用注漿大管棚固結(jié)。管棚施工斷面向外擴挖40cm，用Φ108mm大管棚注漿加固，管長15m，環(huán)向間距40cm，兩排管棚之間搭接長度為2.5m，管棚呈5°～10°仰角打入;

(4)在拱頂大管棚間隙內(nèi)采用注漿小導管加密固結(jié)。小導管布置在兩根Φ108mm鋼管之間，φ42mmL=6m，環(huán)向間距40cm，小導管呈45°仰角打入。注漿水灰比為1∶0.7，水玻璃∶水泥為1∶0.55;

(5)第一排管棚和加密小導管施工完畢后，施工管棚起始端I22工字鋼拱架，間距40cm，與管棚起始端焊接成整體。后續(xù)施工的工字鋼拱架之間采用［10槽鋼連接，間距100cm。每榀工字鋼拱架布置13Φ25mmL=4.5m鎖腳錨桿;

(6)全斷面布設Φ50mmL=3m花管排水管，間排距為2.5m×2.5m，涌水集中處適當加密。排水管需在灌漿完成后實施，并滯后灌漿工作面一個循環(huán)。

3.1.2 開挖措施

開挖采用上下半洞分臺階中部留核心土的方法開挖，每次進尺不超過1m，鋼支撐緊跟開挖掌子面。上半洞開挖3m后下臺階及時跟進，下半洞工字鋼拱架施工后跟進澆筑700×400C20混凝土地基梁。

3.1.3 工期分析

根據(jù)類似項目施工經(jīng)驗，管棚每段施工時間15天，第一段管棚施工準備7天，涌水(涌碴)段共計4段管棚，共需67天;開挖及支護每天完成1個循環(huán)(半洞1.0m)，完成1段管棚開挖支護需18天，累計施工時長139天。

3.1.4 投資分析

強行通過方案需要增加鋼支撐及其附件、大管棚、小導管、管棚灌漿、錨桿、噴混凝土和塌方體開挖等工程量(詳見表1)。按估算工程量計算，預計將增加投資383萬元。

表1 強行通過方案主要工程量

3.2 向山體內(nèi)側(cè)改線方案

向山體內(nèi)側(cè)改線起點樁號為1+499.279m，末端樁號1+868.27m，長度為368.99m，與原設計線路相比增長42.9m。加上已開挖報廢洞段97.72m，新線路與原線路交叉長度11.95m，需要全斷面重新開挖長度為128.67m(見圖1)。

3.2.1 支護措施

(1)新線路開口前，先對交叉口部位前后5m原洞段進行加固。加固措施為:鋼筋格柵拱架@500+掛鋼筋網(wǎng)(φ6.5@200×200)+錨桿 Φ25L=4.5m@1000×1000;

(2)新線路開口前，在開口輪廓線外0.5m布置兩圈鎖口錨桿Φ25L=3m@1000×1000;

(3)新線路開口后，新洞按照Ⅴ類圍巖加強支護，即采用鋼筋格柵拱架@500+掛鋼筋網(wǎng)(φ6.5@200×200)+錨桿Φ25L=4.5m@1000×1000+C20噴混凝土20cm厚。并在頂拱布置超前注漿小導管φ42L=4.5m，相鄰兩圈超前小導管之間搭接長度不小于1m;

(4)在頂拱打φ50mm排水孔，入巖深度3m，間排距為@2000mm×2000mm，對有滲水部位布置隨機排水孔，所有排水孔內(nèi)埋設0.5m長φ48mm排水管。

3.2.2 開挖措施

(1)進洞10m范圍采用“先上半洞后下半洞、短進尺、弱爆破”的原則進行開挖，上半洞開挖每茬炮進尺控制在0.5m，支護緊跟到掌子面。上半洞3m完成開挖支護后及時對下半洞跟進開挖。下半洞每茬炮進尺控制在1m，支護緊跟到掌子面，并做好與上半洞支護的搭接;

(2)完成進洞口10m范圍開挖后，采用全斷面開挖，每茬炮進尺不大于1m。

3.2.3 工期分析

新老線路交叉段擴挖及支護工程量小，11.95m長度擴挖及支護工期按7天計算。每茬炮進尺不大于1m，每天一個循環(huán)計算，完成128.67m洞段開挖需要129天，故向內(nèi)改線總工期為136天。

3.2.4 投資分析

向內(nèi)改線增加的工程量主要包括:報廢洞段改線重新開挖、支護和未利用洞段封堵，線路增長洞段開挖、支護、襯砌及灌漿，交叉洞段的擴挖及未利用斷面混凝土回填等(詳見表2)，根據(jù)向內(nèi)改線增加的工程量估算，投資將增加210萬元。

3.3 向山體外側(cè)改線方案

向山體外側(cè)改線起點樁號為1+499.279m，末端樁號1+827.398m，長度為328.12m，與原設計線路相比增加2.02m。加上已開挖報廢洞段97.72m，新線路與原線路交叉長度17.41m，需要全斷面重新開挖長度為82.33m(見圖1)。

表2 向內(nèi)改線方案增加投資分析

3.3.1 支護措施和開挖方案

(1)對開口段前后加固、鎖口、進洞超前支護、系統(tǒng)支護和排水措施同3.2.1;

(2)開挖措施同3.2.3。

3.3.2 工期分析

新老線路交叉段擴挖及支護工程量小，17.41m長度擴挖及支護工期按10天計算。重新開挖段按照每茬炮進尺不大于1m，每天一個循環(huán)計算，工期為83天，故向外改線總工期為93天。

表3 向外改線方案增加投資分析

3.3.3 投資分析

向山體外側(cè)改線增加的工程量主要包括:報廢洞段改線重新開挖、支護和封堵，線路增長洞段開挖、支護、襯砌及灌漿，交叉洞段的擴挖及未利用斷面混凝土回填等(詳見表3)。根據(jù)向內(nèi)改線增加的工程量估算，投資將增加145萬元。

4 結(jié)論

表4 三種處置方案工期、投資對比

三種方案工期、投資對比見表4。

經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較分析，引水隧洞1#支洞下游1+545m～1+597m涌水及塌方處置方案，采取隧洞向山體外側(cè)改線的工期和投資最少;與強行通過相比技術(shù)難度較低，工期可控度高;與向山體內(nèi)側(cè)改線相比重新開挖洞段最短，增加的直線工期相對較短。而且根據(jù)已經(jīng)開挖洞段揭露的地質(zhì)條件、涌水點與洞軸線的關系和涌水來源等因素綜合判斷，采取向山體外側(cè)改線的方案，報廢洞段位于新的洞軸線和涌水補給源之間，可起到排水洞的作用，改線后開挖過程中地下水對隧洞正常施工的影響將有所降低，改線后再次遇到同等規(guī)模涌水的概率也會相應降低。

綜上所述，最終確定選定了向山體外側(cè)改線的方案。

向外改線后成功繞過了強涌水、易坍塌不良地質(zhì)洞段，通過方案的實施驗證，證明采取隧洞改線方案是技術(shù)上可行、投資增加較少、工期可控的技術(shù)方案。

〔1〕唐平康．新奧法施工在色爾古水電站破碎圍巖開挖施工中的應用．四川水利，2010，(3):49～52．

〔2〕羅友兵．甲米一級水電站引水隧洞線路布置的關鍵技術(shù)淺析．四川水利，2010，(3):46 ～48．

〔3〕劉乃武 譯．隧洞施工的分析方法．地下空間，1992，(2):167 ～174．

〔4〕朱維申等．復雜條件下圍巖穩(wěn)定性與巖體動態(tài)施工力學．北京:科學出版社，1995．7．