吉牛水電站建設(shè)中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題與對(duì)策

肖 培 偉， 顏 志 衡

(四川革什扎水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 丹巴 626300)

1 概 述

吉牛水電站位于四川省甘孜州丹巴縣革什扎河干流上，裝機(jī)240 MW(2×120 MW)，工程主要由首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠房樞紐等組成。首部樞紐大壩長(zhǎng)175.43 m，最大壩高22 m；引水系統(tǒng)主要由有壓引水隧洞、調(diào)壓室及壓力管道組成，引水隧洞全長(zhǎng)22.377 km，縱坡降2.24‰，城門(mén)洞形；廠區(qū)樞紐位于革什扎河與大金川河交匯口附近。

吉牛水電站位于青藏高原東南部川西北強(qiáng)烈隆起區(qū)的南端，以高山峽谷地貌為主，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性相對(duì)較差。工程建筑區(qū)主要由一套震旦系至三疊系變質(zhì)的海相碎屑巖、泥質(zhì)巖及碳酸鹽巖組成。閘址區(qū)出露基巖為震旦系下統(tǒng)(Za)厚～巨厚層變粒巖，偶夾中～薄層二云英片巖，為軟基建壩；引水隧洞穿越的地層巖性為震旦系厚～巨厚層變粒巖、志留系茂縣群第1～4巖組中～厚層二云英片巖、大理巖、石英巖及中～薄層二云片巖等，圍巖遇水易軟化。引水隧洞沿線山體雄厚，谷坡陡峻，海拔4 700～4 800 m，嶺谷高差1 200～

1 800 m，谷坡自然坡度一般為50°～75°，沿線范圍內(nèi)分別發(fā)育有簡(jiǎn)歷溝、繞拉溝、東方紅溝、大水溝、大雪溝、柯?tīng)柦饻系葲_溝，各溝一般為常年流水溝；廠房位于革什扎河口上游約0.2 km的大金川河右岸Ⅰ級(jí)階地上，出露地層為志留系第四巖組(Smx4)薄～中層二云英片巖、二云片巖夾石英巖，廠基覆蓋層較深厚，為軟基建廠。

2 閘壩深覆蓋層基礎(chǔ)處理

閘址區(qū)河床覆蓋層厚80.8 m，自下而上可分為4層。第①層：含泥卵礫石層，厚10.1 m；第②層：含漂砂卵礫石層，厚42.52～47.02 m；第③層分2個(gè)亞層：③-1層為粉細(xì)砂層，厚3～9.05 m，③-2層為含礫中細(xì)砂層，厚3.3～7.06 m；第④層：含漂砂卵礫石層，厚14.64～19.86 m。各水工建筑物持力層主要為第④層含漂砂卵礫石層，粗顆粒基本構(gòu)成骨架，據(jù)標(biāo)貫試驗(yàn)成果和相對(duì)含水量、液性指數(shù)判別，閘基第③層含礫粉細(xì)砂層和分布于左岸閘基第④層中的上層含卵(碎)礫石砂透鏡體需采取相應(yīng)的工程處理措施后才能解決地基承載力、抗滑穩(wěn)定性及砂土液化問(wèn)題。

2.1 設(shè)計(jì)方案

為增強(qiáng)首部樞紐基礎(chǔ)第④-1層地基承載能力并防止第③-1、③-2、④上層液化并減少地基不均勻沉降，設(shè)計(jì)對(duì)第③-1、③-2、④上層地基采用振沖碎石樁進(jìn)行加固處理。振沖碎石樁以等邊三角形布置，設(shè)計(jì)成樁直徑為0.9 m，取水口和左岸擋水壩基礎(chǔ)范圍內(nèi)樁間距為2 m，沖沙閘、1#～2#泄洪閘、右岸擋水壩、鋪蓋及部分護(hù)坦范圍樁間距為2.5 m。振沖碎石樁處理深至第③-1層底部，其平面布置情況見(jiàn)圖1。

2.2 施工方案

地基振沖碎石樁施工工藝為引孔加振沖工藝，采用沖擊鉆機(jī)造孔穿透砂卵石層，再用150 kW振沖器在下部砂層內(nèi)造孔，達(dá)到設(shè)計(jì)孔深后全孔采用l50 kW振沖器填料加密完成制樁。主要施工工序?yàn)檎駴_準(zhǔn)備、造孔、填料、振密。造孔過(guò)程中保持振沖器處于懸垂?fàn)顟B(tài)，每貫入1～2 m記錄電流、水壓、時(shí)間；碎石樁填料采用級(jí)配碎石，其飽和抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于40 MPa，含泥量不大于3%，填料粒徑在20～150 mm之間。填料采用強(qiáng)迫填料法自下而上邊振邊填，每次加料以孔內(nèi)增高不大于0.5 m控制，保持小水量補(bǔ)給，使填料處于飽和狀態(tài)。填料后保證振沖器能貫入到原提起前的深度，防止漏振；振沖樁密實(shí)程度以振沖器電機(jī)工作時(shí)顯示的電流為控制標(biāo)準(zhǔn)，必須保證各個(gè)深度上樁體均達(dá)到規(guī)定的加密電流值。

2.3 質(zhì)量檢測(cè)

圖1 基礎(chǔ)振沖碎石樁平面布置圖

振沖碎石樁施工完成后進(jìn)行了全面質(zhì)量檢測(cè)。動(dòng)力觸探和標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果表明振沖碎石樁在測(cè)試范圍內(nèi)的密實(shí)度達(dá)到密實(shí)狀態(tài)；樁間土標(biāo)貫擊數(shù)均大于Ⅶ度地震液化標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；開(kāi)挖檢查結(jié)果表明樁體均勻密實(shí)，平均樁徑在1.3 m左右，成樁質(zhì)量良好；單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)和超重型動(dòng)力觸探檢測(cè)結(jié)果表明單樁豎向承載力特征值≥700 kN，壓縮模量≥60 MPa，復(fù)合地基承載力380～406 kPa>350 kPa，復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度φsp=31.4°～32.8°>25°。地基經(jīng)振沖碎石樁處理后，閘基第③層含礫粉細(xì)砂層和分布于左岸閘基第④層中的④-1層含卵(碎)礫石砂透鏡體在Ⅶ度地震烈度條件下為不可能液化砂土，同時(shí)，地基承載力得到了較大程度地提高，地基處理效果滿足設(shè)計(jì)要求。

3 閘壩堆石混凝土的應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)單位在吉牛水電站大壩右岸9#、10#、11#全長(zhǎng)66.71 m擋水壩段采用了堆石混凝土，上游壩坡1∶0.4，下游壩坡1∶0.7，頂寬7.5 m，底寬24.2 m?？紤]到堆石混凝土密實(shí)性在大規(guī)模施工中不確定因素較多，可能出現(xiàn)滲水；同時(shí)，考慮到大壩迎水面部分區(qū)域布置有鋼筋，橫縫兩側(cè)布置有止水，因此，大壩迎水面和橫縫兩側(cè)1 m范圍內(nèi)不進(jìn)行堆石，而直接采用C20自密實(shí)混凝土澆筑，以保證迎水面有足夠的防滲性能，并能保證混凝土與鋼筋緊密結(jié)合，以減少鋼筋施工受堆石混凝土的影響，防止堆石混凝土施工破壞止水。壩體頂部由于電纜溝、模板架立鋼筋等的影響，為方便施工，采用厚1 m的C20常態(tài)混凝土澆筑。由于基礎(chǔ)面上的防滲墻需要與壩體采用止水緊密結(jié)合，且基礎(chǔ)面上如出現(xiàn)貫穿性的混凝土滲漏通道極易造成地基滲透破壞而難以補(bǔ)救，因此，為安全起見(jiàn)，在大壩下部1～1.5 m采用C20常態(tài)混凝土；除此以外，全部采用C20堆石混凝土。堆石混凝土量為12 553 m3，自密式混凝土和常態(tài)混凝土量為5 647 m3，堆石混凝土使用比例為69%。堆石混凝土是利用專用自密實(shí)混凝土充填堆石空隙形成完整密實(shí)的混凝土，具有低碳環(huán)保、低水化熱、工藝簡(jiǎn)便、造價(jià)低廉、施工速度快等特點(diǎn)。本工程堆石混凝土采用先放置堆石后用自密實(shí)混凝土澆筑工藝。堆石混凝土壩段設(shè)計(jì)剖面見(jiàn)圖2。

圖2 堆石混凝土壩段設(shè)計(jì)剖面圖

3.2 過(guò)程控制

堆石料要保證新鮮、完整、潔凈，中部或局部厚度控制在30～100 cm，飽和抗壓強(qiáng)度不小于50 MPa。堆石厚度一般為1.5～2 m，施工中嚴(yán)格控制堆石料粒徑和含泥量；自密實(shí)混凝土配合比經(jīng)實(shí)驗(yàn)室確定后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核試驗(yàn)后最終確定，坍落度控制在250～280 mm、坍落擴(kuò)展度控制在550～720 mm，V型漏斗通過(guò)時(shí)間為4～20 s；自密實(shí)混凝土采用泵送入倉(cāng)，澆筑點(diǎn)均勻布置于整個(gè)倉(cāng)面，其間距不超過(guò)3 m，按Z字型單向順序澆筑。澆筑完成后除表層自密實(shí)混凝土外，每一倉(cāng)的澆筑頂面應(yīng)留有塊石棱角，塊石棱角的高度高于自密實(shí)混凝土頂面約5～20 cm，以便于下一倉(cāng)的粘結(jié)；自密實(shí)混凝土應(yīng)保持澆筑的連續(xù)性，獨(dú)立的倉(cāng)面應(yīng)連續(xù)澆筑完成；堆石混凝土若室外平均氣溫連續(xù)5 d低于5 ℃時(shí)，且最低氣溫低于-3 ℃時(shí)不能澆筑。

3.3 檢測(cè)方法及結(jié)果

堆石混凝土的過(guò)程和最終質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果為：自密實(shí)混凝土坍落度檢測(cè)120次，平均值為269 mm，合格率為96.4%；坍落擴(kuò)展度檢測(cè)120次，平均值為690 mm，合格率為98.5%；V漏斗通過(guò)時(shí) 間 檢 測(cè) 120 次，平 均 值 為12 s，合 格 率 為

96.6%；抗壓強(qiáng)度檢測(cè)50次，平均值為22.9 MPa，合格率為100%；堆石混凝土每個(gè)壩段鉆孔取芯樣表面光滑，整體密實(shí)，與塊石粘結(jié)緊密；堆石混凝土現(xiàn)場(chǎng)共施打3個(gè)壓水試驗(yàn)孔，共6個(gè)孔段，壓水試驗(yàn)檢測(cè)透水率均為0，表明堆石混凝土不透水，滿足設(shè)計(jì)小于0.01 Lu的要求，整體抗?jié)B性能良好；堆石混凝土容重檢測(cè)結(jié)果(取芯芯樣容重2.5 t/m3)，滿足設(shè)計(jì)要求；自密實(shí)混凝土抗壓試驗(yàn)共20組，平均抗壓強(qiáng)度為22.9 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 富含云母引水隧洞的開(kāi)挖

4.1 引水隧洞圍巖物理力學(xué)特性

(1)云母含量。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行云母含量測(cè)定得知：巖石樣本云母平均含量為28%，最高含量達(dá)39%。

(2)聲波測(cè)試。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單孔和跨孔聲波速度測(cè)試得知：隧洞圍巖巖體波速穩(wěn)定且起伏不大，其波速主要集中在3 259～5 177 m/s，平均波速為4 206 m/s。

(3)物理力學(xué)性質(zhì)檢測(cè)。

在上游洞段取樣的二云片巖垂直層理加載的干抗壓強(qiáng)度平均值為21～39.7 MPa，濕抗壓強(qiáng)度平均值為15.4～30 MPa，彈性模量平均值為6.54～13.2 GPa，軟化系數(shù)為0.71～0.75；平行層理加載的干抗壓強(qiáng)度平均值為13.9～25.8 MPa，濕抗壓強(qiáng)度平均值為10.3～19 MPa，彈性模量平均值為8.54～17.5 GPa，軟化系數(shù)為0.69～0.74，存在軟化現(xiàn)象。

4.2 提高開(kāi)挖效率的施工方案

針對(duì)該引水隧洞巖體富含云母造成開(kāi)挖炸藥單耗高、單循環(huán)進(jìn)尺短、洞室成型差等突出問(wèn)題，在炸藥選型方面，對(duì)于抗壓強(qiáng)度達(dá)到50 MPa的堅(jiān)硬巖石，選炸 藥 密 度 為 1～1.2 g/cm3、爆 速 為4 800 m/s的銨油炸藥；對(duì)于抗壓強(qiáng)度低于30 MPa的軟弱巖石，選炸藥密度為1～1.2 g/cm3、爆速為3 000 m/s的硝銨炸藥；在鉆爆參數(shù)方面，增加掏槽孔的排數(shù)、減小孔距，采用三、四層楔形掏槽以降低抵抗線從而為后續(xù)孔爆破創(chuàng)造良好的臨空條件，中心采用多直眼空孔桶形掏槽以形成小掏槽區(qū)從而為先爆孔爆破創(chuàng)造條件，將掏槽區(qū)盡量布置在隧洞中心部位，選擇合理時(shí)間間隔的雷管系列和合理的起爆網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)巖層走向順層掏槽。通過(guò)鉆爆參數(shù)優(yōu)化，開(kāi)挖爆破效率得到了明顯提高。Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖洞段造孔長(zhǎng)度為2.8 m，實(shí)際爆破長(zhǎng)度約2.3 m，爆破效率增加21%，單耗約2 kg/m3，單耗降低26%。Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖洞段造孔長(zhǎng)度為3 m，實(shí)際爆破長(zhǎng)度為2.4 m，爆破效率增加22%，單耗約2.3 kg/m3左右，單耗降低14%。富含云母洞段不同圍巖類(lèi)別爆破優(yōu)化布孔情況見(jiàn)圖3、4。

圖3 富含云母的Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖洞段優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)布孔圖

圖4 富含云母洞的Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖洞段優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)布孔圖

4.3 引水隧洞底板軟化問(wèn)題的治理

該工程引水隧洞圍巖富含云母，巖石抗壓強(qiáng)度低，特別是潮濕施工環(huán)境下巖石強(qiáng)度降低明顯，開(kāi)挖后隧洞底板在潮濕環(huán)境下經(jīng)出渣車(chē)輛碾壓后軟化嚴(yán)重，平均軟化厚度為35～55 cm，進(jìn)而造成較大的底板混凝土超填量。

(1)主要治理措施。

針對(duì)上述現(xiàn)象采用的主要應(yīng)對(duì)措施有：預(yù)留開(kāi)挖保護(hù)層、鋪設(shè)碾壓墊渣層、皮帶機(jī)運(yùn)輸方案、降低混凝土底板設(shè)計(jì)高程、浮渣上澆筑底板混凝土、開(kāi)挖后及時(shí)鋪設(shè)混凝土底板等。本工程采用了預(yù)留開(kāi)挖保護(hù)層、鋪設(shè)碾壓墊渣層、降低混凝土底板設(shè)計(jì)高程、開(kāi)挖后及時(shí)鋪設(shè)混凝土底板等措施，但以上措施均存在利弊。

(2)各項(xiàng)治理措施之利弊。

①預(yù)留保護(hù)層開(kāi)挖：其優(yōu)點(diǎn)是底板混凝土超填量明顯減少；缺點(diǎn)是后期底板混凝土澆筑的是未被汽車(chē)碾壓的部位，欠挖處理量非常大。

②鋪設(shè)碾壓墊渣層：采用洞渣料覆蓋的優(yōu)點(diǎn)是減少出渣量，短期改善運(yùn)輸條件；缺點(diǎn)是墊渣層被碾壓后逐步軟化、泥化，將引起再次換填；采用骨料覆蓋的優(yōu)點(diǎn)是底板保護(hù)快速有效；缺點(diǎn)是增加投資和清基量。

③皮帶機(jī)運(yùn)輸方案：優(yōu)點(diǎn)是取消出渣車(chē)輛，減輕了對(duì)底板的碾壓破壞；缺點(diǎn)是皮帶機(jī)架設(shè)后與邊頂拱鋼模臺(tái)車(chē)相互干擾大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)平行作業(yè)。

④降低混凝土底板設(shè)計(jì)高程：優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省投資，既保證了設(shè)計(jì)厚度，又減少了混凝土回填量；缺點(diǎn)是由于Ⅱ、Ⅲ類(lèi)和IV、V類(lèi)圍巖的開(kāi)挖高程和底板軟化厚度不均衡，全洞段無(wú)法統(tǒng)一設(shè)計(jì)高程的降低標(biāo)準(zhǔn)，澆筑后底板面呈起伏狀，邊頂拱混凝土襯砌時(shí)鋼模臺(tái)車(chē)行走困難，同時(shí)水頭損失大。

⑤及時(shí)鋪設(shè)混凝土底板：優(yōu)點(diǎn)是減小了因底板軟化引起的混凝土超填，及時(shí)改善了洞內(nèi)交通條件；缺點(diǎn)是為保證平行作業(yè)工效，需增加人員并強(qiáng)化調(diào)度和管理。

⑥浮渣上澆筑底板混凝土：本工程圍巖富含云母，遇水易軟化，不易采用。

5 結(jié) 語(yǔ)

吉牛水電站首部樞紐、地面廠房均處于深厚覆蓋層區(qū)域，基礎(chǔ)處理難度大且具有代表性，設(shè)計(jì)人員結(jié)合開(kāi)挖揭露的實(shí)際地質(zhì)情況，開(kāi)展了動(dòng)態(tài)

優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅加快了工程施工進(jìn)度，節(jié)約了投資，而且更有利于保證工程質(zhì)量；堆石混凝土首次在水電工程主體工程中應(yīng)用，充分體現(xiàn)了堆石混凝土低碳環(huán)保、低水化熱、工藝簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。筆者總結(jié)了堆石混凝土在加快施工進(jìn)度、控制工程投資、控制工程質(zhì)量等方面的注意事項(xiàng)，特別要根據(jù)工程規(guī)模、質(zhì)量控制要求、料源情況等重點(diǎn)研判了堆石混凝土的使用范圍。富含云母超長(zhǎng)引水隧洞工程施工建設(shè)是該工程最具挑戰(zhàn)性和代表性的個(gè)性特征，開(kāi)挖降效、火工材料超耗、遇水汽車(chē)碾壓軟化等問(wèn)題造成的嚴(yán)重性后果是各參建單位在施工前未能預(yù)見(jiàn)到的，給工程施工質(zhì)量、進(jìn)度、投資、安全文明施工控制等帶來(lái)了極大的困難；同時(shí)，吉牛水電站地處地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)，其管理戰(zhàn)線長(zhǎng)、施工便道高差大且坡度陡等特點(diǎn)使工程安全管理壓力非常大。該工程在采取了超前謀劃地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)對(duì)措施，科學(xué)采取避讓、引導(dǎo)、治理等綜合措施后，確保了工程施工的安全。