柬埔寨達岱水電站引水發(fā)電洞豎井下彎段圍巖塌方原因及工程處理

呂興民，任夢寧

(機械工業(yè)勘察設計研究院，陜西西安 710043)

1 工程概況

達岱水電站［1］位于柬埔寨國公省達岱河上，距首都金邊350 km，離國公省50 km。達岱水電站流域面積1 073 km2，多年平均流量為69.20 m3/s。為混凝土面板堆石壩，位于達岱河干流和STUNG KEP支流交匯上游1.3 km的河流上，壩高分別為110 m和77 m，壩長依次為882.3 m和713.5 m。水庫正常設計水位為215.0 m，死水位為180 m。兩座大壩所形成的水庫由明渠相連。引水發(fā)電洞為有壓洞，長11 120.21 m;電站廠房尾水位為0.5 m，平均發(fā)電水頭為185.5 m，設計流量為151.8 m3/s，裝機容量為246 MW。

引水發(fā)電洞位于達岱河左岸山體內(nèi)，因后半段上覆圍巖厚度較薄，將Ps0+240—Ps0+350.909 m段設計優(yōu)化為豎井式，由上下轉彎段和井筒組成，斷面為圓形，直徑9.6 m。上、下轉彎段中線轉彎半徑為25 m，長度37.52 m。井筒段長度35.869 m。

本工程于2010年5月進入施工階段，原計劃在2013年8月底第一臺機組運行發(fā)電，截止目前大壩、廠房及其附屬建筑物已基本完成。而引水發(fā)電洞出現(xiàn)諸多不利因素，影響了工程進度，使工期一再拖延，未能達到預期目的。

2 塌方原因及機理

2.1 塌方狀況

豎井段由侏羅系中統(tǒng)沉積巖組成，產(chǎn)狀:247°～260°∠5°～3°，微風化。沿層面及裂隙局部有滲、滴水或偶有線狀流水出露。在Ps0+319 m上部為長石石英砂巖，青灰色，層理較發(fā)育，厚層—中厚層，沿層間常夾有極薄層泥質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖，使層間結合力下降。裂隙較發(fā)育，以陡傾角為主。巖體較完整。下部為長石石英砂巖與泥質(zhì)粉砂巖互層結構，出露厚度為14.4 m。青灰、深灰色，層理發(fā)育，呈薄層狀，單層厚度8～25 cm。裂隙發(fā)育。長石石英砂巖為堅硬巖，飽和抗壓強度80 MPa以上;泥質(zhì)粉砂巖飽和抗壓強度22 MPa。泥巖飽和抗壓強度3～5 MPa(如圖1、圖2)。

圖1 Ps0+348處圍巖及塌方情況Fig.1 Wall rock and collapse about Ps0+348

在開挖過程中，下彎段頂拱圍巖為砂巖與粉砂巖互層結構，常不能自穩(wěn)，陸續(xù)出現(xiàn)坍塌掉塊現(xiàn)象，未能及時采取有效的支護措施，導致Ps0+319.5—Ps0+353.3 m段發(fā)生了塌方，最大塌落高度為13.6 m(總高度23.6 m)，順洞向長度15.2 m，寬度方向 13 m，方量約2 750 m3。

2.2 塌方原因

(1)豎井上下游貫通后，使下彎段頂拱三角地段的圍巖，在兩面臨空的情況下，出現(xiàn)應力松弛，砂巖與粉砂巖互層結構的層面裂隙易形成拉裂、折斷。

圖2 豎井段地質(zhì)縱剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of geological longitudinal profile of vertical shaft

(2)施工方法不當。下彎段下半段采用導洞(洞徑約6 m)開挖掘進到下彎段中部，然后對豎井自上而下進行擴挖，于2013年2月19日與其貫通。因?qū)Ф闯叽绮荒軡M足設計要求，對已做了錨噴鋼拱架支護的圍巖進行擴挖，使圍巖松弛擾動。

(3)支護不力，工序銜接不夠緊密。在下半段擴挖過程中，對擴挖好的洞室支護不及時，工序脫節(jié)，在長達8個月未進行襯砌的情況下，于2013年10月21日發(fā)生塌方。

2.3 塌方機理

對于水平層(板)狀巖石構成的隧洞，其圍巖頂板的穩(wěn)定性，主要取決于巖石的強度和厚度，以及節(jié)理裂隙對巖石的切割程度。如巖石的強度較低，在垂直山巖作用下巖層會向下彎曲，圍巖頂板會發(fā)生拉張破壞，在裂隙切割下，會發(fā)生掉塊、坍塌，這種破壞往往是漸進式的，如不及時進行錨固或支護襯砌，則由小塌方發(fā)展為大塌方，崩塌高度會越來越大，這已被工地多次塌方所證實。在這里頂板塌方高度為13.6 m，因其頂板為厚層堅硬的長石石英砂巖，其強度足以保證頂拱的穩(wěn)定。

這種破壞有如梁板結構［2］，如圖3-a，破壞變形于否，取決于梁板的強度與厚度，薄板易破壞，而厚板的穩(wěn)定性好，錨桿的作用是可將多層薄板梁錨串成一層厚板梁，其強度和穩(wěn)定性必然增加。

而在豎井與水平向隧洞交匯地段，水平向?qū)訝顜r體表現(xiàn)為懸臂式板狀結構，如圖3-b。在垂直壓力作用下，更易發(fā)生彎曲、折斷、坍塌。

地下水降低了巖石強度，而裂隙破壞了巖石的完整性，使得這種變形破壞更易發(fā)生。

圖3 梁板結構破壞示意圖Fig.3 Schematic diagram of failure of brick-concrete building

3 工程處理

因該洞段要承受水頭140～175 m的內(nèi)水壓力，圍巖要提供抗力，不至于使襯砌砼發(fā)生破壞，影響工程安全運行。為了確保施工人員安全及工程質(zhì)量，本著“安全有效、質(zhì)量保證、方便快捷、經(jīng)濟合理”的原則，先后提出了三個方案進行比選，以便選擇更合理的方案。

3.1 方案一

考慮到現(xiàn)塌腔頂板厚層砂巖強度高，完整，穩(wěn)定性好。按如下步驟進行施工:

(1)對塌腔兩側及其下游壁噴C20砼，厚度保證15～20 cm。

(2)對塌腔壁進行全面錨固。重點是頂板及右壁，按梅花形布置錨桿，間距1.5 m，入巖長度5 m。錨桿頭預留長度約1 m，以便對將來回填砼起到懸吊作用，減輕對襯砌砼的壓力。

(3)在塌腔內(nèi)中線位置(沿洞線)布置兩個鋼塔結構，對塌腔頂板進行支撐，防止頂板再次出現(xiàn)彎折變形破壞。該項與(2)盡可能同時進行。

(4)在目前情況下，盡可能將洞線提高，以減少洞頂塌腔空間和砼填筑量。同時加強襯砌結構，以滿足工程需要。

(5)接下平洞襯砌上游面向井筒方向分段襯砌、分層回填塌腔砼，最后進行回填灌漿。

3.2 方案二(如圖4)

(1)抬高隧洞高程。將井筒、下平段延長，采用圓心角為90°、中心線轉彎半徑為8.8 m的圓弧隧洞與其連接。

(2)從井筒和下彎段下游兩個方向往塌腔內(nèi)澆筑C20砼。在澆筑到一定高程時，在井筒中心位置，預留斷面約4 m×3 m(長×寬)的空腔(作為后續(xù)二次擴挖豎井的溜碴井;若現(xiàn)場條件許可，直接在豎井直線段對應的底部虛碴上開始預留)。再繼續(xù)澆筑到塌腔頂板位置。

(3)按設計要求，完成塌腔頂板上3 m范圍豎井襯砌，然后對塌腔頂部及塌方體分別進行回填、固結灌漿。

圖4 方案二示意圖Fig.4 Schematic diagram of scheme 2

(4)在下平段塌方入口處打超前、徑向錨桿，孔排距1.5 m，孔深6 m。再進行豎井下彎段的下半段開挖施工。

(5)下半段開挖采用“邊開挖、邊襯砌”的原則。開挖襯砌至下彎段中部。

(6)開挖下彎段的上半段，先自下而上完成溜碴井開挖(若預留溜碴井與下彎段下半段貫通，就無需此項工作)，再自上而下進行擴挖，直至貫通。

(7)對下彎段洞頂進行回填灌漿。

3.3 方案三(如圖5)

(1)在目前情況下，盡可能將洞線提高，以減少洞頂塌腔空間和填筑的砼量。

圖5 方案三示意圖Fig.5 Schematic diagram of scheme 3

(2)接下平洞原來襯砌繼續(xù)朝上游進行砼襯砌，以下游塌方邊界為基準，向塌腔內(nèi)延伸5 m，并在頂部埋設3 m長的砼注入管。

(3)在塌方體上填筑石碴，距上游塌方邊界垂直距離約5 m，填筑面向下平洞方向傾斜，坡比為1∶1.25，封堵住下平洞襯砌洞口。

(4)首先通過砼注入管向塌腔內(nèi)注入砼，保證厚度不少于3 m。待凝固后，繼續(xù)澆筑回填砼至回填石碴邊緣。

(5)從回填石碴表面到上游塌方邊界向上3 m范圍打徑向砂漿錨桿，并自下而上分段襯砌，到達塌方邊界時一次性將剩余塌腔進行砼回填。然后在塌方邊界及其以上9 m范圍的豎井下游面，打俯角砂漿錨桿，以便對回填砼起到懸吊作用。

(6)將設計襯砌斷面內(nèi)及其到回填砼間的石碴開挖后，接(2)向上游分段襯砌。

(7)對襯砌斷面以外石碴及襯砌與回填砼間進行固結、回填灌漿。

3.4 方案比選

方案一 優(yōu)點:施工程序簡單，材料用料少，用時較短，僅用3個月。缺點:支護用時長，難以保證施工人員安全。若再次發(fā)生塌方，后果較嚴重，貽誤工期。

方案二 與原設計方案比較增加了洞線和襯砌長度，增加了塌腔空間回填砼量;回填砼占據(jù)了豎井及洞室的空間，要進行鉆爆開挖。在爆破過程中對周圍回填砼及圍巖有擾動和破壞作用，勢必要跟進支護，增加了材料用量和施工難度。施工安全。估算工期需要7.5 個月。

方案三 優(yōu)點:與原設計方案比較，縮短了洞線長度，減少了塌腔空間回填砼量，預留了豎井、洞室及其砼襯砌空間位置，只需將設計開挖斷面下限以上的回填石碴機械挖除即可襯砌。施工安全有保證。缺點:工序較復雜，估算工期需要3.5個月。

通過上述分析，方案三優(yōu)于其它方案，可確保施工安全，基本不用爆破，又可節(jié)省人力、物力和財力，同時能加快施工進度，工期可以保證，經(jīng)業(yè)主、地質(zhì)、設計和施工等單位研究分析，成為塌方處理的首選方案。

3.5 處理效果

用方案三對塌方進行了處理，進展順利，用時較短，效果理想。通過監(jiān)測，未發(fā)現(xiàn)異常，確保了工程安全，達到了預期目的。

4 教訓

(1)對水平狀軟硬相間的互層狀結構巖體，只有對頂拱及時采取有效錨固支護措施，才能保證頂拱圍巖的穩(wěn)定，頂拱穩(wěn)定則洞室穩(wěn)定。(2)對于豎井下彎洞段的施工，在兩面臨空的環(huán)境下，更應及時錨固支護，增加頂拱圍巖的整體性和抵抗彎曲拉裂破壞變形能力。

［1］機械工業(yè)勘察設計研究院.柬埔寨達岱水電站工程地質(zhì)勘察報告［R］.西安:機械工業(yè)勘察設計研究院，2011.

［2］濮聲榮.工程地質(zhì)實踐與探索［M］.西安:陜西科學技術出版社，2012:360－362.