某小型水電站引水隧洞底板縱向裂縫成因簡析

郭俊兵

(大唐碧口水力發(fā)電廠，甘肅省文縣 746412)

1 工程簡介

某小型水電站采用徑流引水式開發(fā)，開發(fā)建設(shè)任務(wù)是發(fā)電。電站設(shè)計(jì)發(fā)電流量136 m3/s，電站設(shè)計(jì)水頭28.0 m，引水發(fā)電洞全長約3.7 km，主洞為馬蹄形斷面，設(shè)計(jì)為平底洞，洞徑7.5 m；地下式調(diào)壓井井筒直徑16.0 m，井深38.20 m；地面式廠房。

2 工程地質(zhì)情況

隧洞位于河道右岸，洞線靠山體側(cè)布置，原地勘報(bào)告顯示洞線以Ⅳ類圍巖為主，穩(wěn)定性極差的Ⅴ類圍巖長度576 m，只占洞線長度的15%，Ⅲ類圍巖長度983 m，占洞線長度的26%，Ⅳ類圍巖長度2 226 m，占洞線長度的59%。隧洞上段洞身主要在下二迭統(tǒng)中厚層灰?guī)r局部夾薄層灰?guī)r等硬質(zhì)巖構(gòu)成的基巖山體中通過，中段及下段洞身主要在中泥盆統(tǒng)中厚層灰?guī)r及厚～巨厚層灰?guī)r夾板狀千枚巖構(gòu)成的硬質(zhì)巖夾軟質(zhì)巖中通過。洞身總體上穿行于河流背斜西南翼單斜巖層中，局部巖層有小褶曲和扭曲現(xiàn)象，巖層走向與洞線夾角除上段大于30°外，中段及下段巖層走向與洞線夾角多小于30°；隧洞經(jīng)過的斷裂構(gòu)造主要為區(qū)域逆斷層F1、F9，平移逆斷層F3、和平移正斷層F2及次級(jí)斷裂F4、F5 、F7 、F8等；洞身圍巖中裂隙以層面裂隙為主，次為剪切裂隙；隧洞中、下段因巖層走向與洞線夾角較小，會(huì)產(chǎn)生“片邦”現(xiàn)象，開挖后需及時(shí)支護(hù)；洞身大都位于地下水位以下，為層間脈狀基巖裂隙水，多以滴滲水為主，局部有線狀或股狀流，水質(zhì)在若干溝道段對(duì)普通硅酸鹽水泥有弱硫酸鹽侵蝕性。

3 設(shè)計(jì)施工方案

(1) 一次開挖及支護(hù)

設(shè)計(jì)開挖2條施工支洞，整條隧洞開挖采用全斷面一次鉆孔爆破法，部分砂礫及黏土層地段采用挖掘機(jī)械開挖，頂拱180°范圍布設(shè)7排系統(tǒng)錨桿，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)編錄分為A、B、C、D四種斷面類別，其中A、B斷面錨桿為Φ22、L=2 m，C、D斷面錨桿為Φ25、L=3 m；底板系統(tǒng)錨桿布設(shè)3排，均為Φ22、L=2 m；C、D斷面鎖腳錨桿為Φ25、L=4 m，分別適用于Ⅲ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖。依據(jù)不同斷面，頂拱及邊墻采用Φ6～Φ8、間距150 cm×150 cm的鋼筋網(wǎng)，厚度6～20 cm的混凝土噴護(hù)，局部鋼拱架支撐。

(2) 二次襯砌

二次襯砌采用先澆筑底板，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到后在底板上鋪設(shè)鋼軌采用鋼模臺(tái)車將邊頂拱一次澆筑成型，襯砌厚度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)編錄圍巖類別依次分為A、B、C、D四個(gè)斷面，底板襯砌厚度分別為40、45、50、50 cm，分別適用于Ⅲ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖(其中B斷面形式未采用)，混凝土標(biāo)號(hào)均為C20常規(guī)鋼筋混凝土。

(3) 圍巖灌漿

圍巖灌漿將回填與固結(jié)灌漿相結(jié)合，在洞頂150°范圍內(nèi)進(jìn)行灌漿，孔深1.5 m，間排距2 m×2 m，梅花形布置，全孔一次性、逐步加壓的方式灌漿，初始?jí)毫?.2 MPa，最終壓力0.3 MPa。

4 底板縱向裂縫情況

該引水隧洞在2014年8月份進(jìn)行的發(fā)電前洞身專項(xiàng)檢查中，發(fā)現(xiàn)5處較大底板順?biāo)鞣较虻目v向裂縫，樁號(hào)分別為：0+523.00 m～0+532.00 m段(9 m)、0+564.00 m～0+579.00 m段(15 m)、0+612.00 m～0+648.00 m段(36 m)、2+550.00 m～2+574.00 m段(24 m)、3+200.00 m～3+230.00 m段(30 m)，裂縫最寬為2 cm，均位于底板中央位置。原設(shè)計(jì)單位提出加固處理意見，原承包單位進(jìn)行了加固處理，驗(yàn)收合格后充水投運(yùn)。經(jīng)歷近4個(gè)月發(fā)電運(yùn)行，于2015年1月份再次專項(xiàng)檢查，原裂縫未發(fā)現(xiàn)有發(fā)展跡象，但又新發(fā)現(xiàn)底板較大縱向裂縫5處，樁號(hào)分別為：1+045.00 m～1+079.00 m段(34 m)、2+550.00 m～2+559.00 m段(9 m)、2+577.00 m～2+597.00 m段(20 m)、3+250.00 m～3+280.00 m段(30 m)、3+281.00 m～3+318.00 m段(37 m)，最大裂縫寬度約3 cm，同時(shí)有表面出現(xiàn)白色狀析出物的細(xì)微裂縫多條。

5 主要原因分析

(1) 洞線的變更

在該引水隧洞開挖支護(hù)初期，設(shè)計(jì)方案對(duì)主洞洞線進(jìn)行了更改，更改后的洞線偏向于臨江一側(cè)，變更后的主洞長度縮短了約250 m左右，但地質(zhì)情況較初始設(shè)計(jì)發(fā)生了較大變化，頂部覆蓋層變薄，地下水更為豐富，具有腐蝕性的地表水更易對(duì)隧洞造成影響，同時(shí)圍巖由Ⅲ、Ⅳ類為主變化為Ⅳ、Ⅴ類為主，變更后的圍巖條件變差。

(2) 底板體型的更改

在可研設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，施工方案將襯砌體型進(jìn)行了優(yōu)化變更，馬蹄形斷面的底板形式由最初的反弧變?yōu)樗?，這樣造成圍巖壓力、外水壓力及混凝土自重等荷載全都作用在水平的底板上面，同時(shí)設(shè)計(jì)方案將二期襯砌的混凝土厚度變薄，特別是底板混凝土厚度有較大變化，所配的鋼筋也做了相應(yīng)的調(diào)整，這樣C20常規(guī)混凝土的平底板在相應(yīng)荷載的作用下極易發(fā)生形變。

(3) 灌漿形式的改變

設(shè)計(jì)方案中圍巖灌漿部分將回填與固結(jié)灌漿相結(jié)合進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)施一次灌漿，且只在洞頂150°范圍內(nèi)進(jìn)行灌漿，孔深為1.5 m，而根據(jù)水利水電工程隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范要求灌漿應(yīng)先回填灌漿后固結(jié)灌漿，孔深不小于洞徑的50%，由此可見該隧洞設(shè)計(jì)方案中灌漿效果未作用于“圍巖松動(dòng)圈”，圍巖未形成拱圈效應(yīng)，圍巖很大部分壓力作用在二期襯砌混凝土上。

(4) 外水壓力的影響

該隧洞所在區(qū)域地表水及地下水極為豐富，隧洞沿途有3處較大沖溝，有2處常年流水，且水量較大；在隧洞施工過程中，隧洞內(nèi)也是極為豐富，多處洞段出現(xiàn)常年流水現(xiàn)象。設(shè)計(jì)方案未對(duì)此做相應(yīng)的工程措施，未采取減壓排水等措施，導(dǎo)致外水壓力

無法釋放，幾乎都集中在二期混凝土之上，無疑加大了外部荷載。后期洞底鉆孔處理出現(xiàn)多處射水、最大0.4 MPa的外水壓力等現(xiàn)象均能反映這一問題。

(5) 工程管理的影響

該小型水電站采用工程總承包(即設(shè)計(jì)-采購-施工一體化)模式，總承包單位在管理技術(shù)能力水平上存在不足，面對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)情況和困難的施工條件未能提出安全穩(wěn)妥的應(yīng)對(duì)措施，面對(duì)多點(diǎn)多面同時(shí)施工缺乏有效的工程管控，施工各環(huán)節(jié)未能實(shí)施有效的嚴(yán)格把控，特別是隧洞滲水較大的問題一直未能有效的解決，對(duì)優(yōu)化過的設(shè)計(jì)方案未能采取有效的保障措施。

6 結(jié) 語

該隧洞新出現(xiàn)的裂縫已按照設(shè)計(jì)單位再次現(xiàn)場(chǎng)勘查后提出的補(bǔ)強(qiáng)加固方案進(jìn)行處理，目前已基本完成相關(guān)工作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查看實(shí)際情況，前期出現(xiàn)的并進(jìn)行加固處理的底板縱向裂縫未出現(xiàn)新的發(fā)展跡象，經(jīng)設(shè)計(jì)單位復(fù)核后認(rèn)為滿足安全穩(wěn)定使用的要求。

百年大計(jì)、質(zhì)量第一，工程質(zhì)量安全關(guān)系重大，無論設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、建設(shè)或監(jiān)督管理單位面對(duì)重大問題都應(yīng)采取科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，上述5點(diǎn)原因分析可供其它工程參考。

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