固滴水電站引水隧洞Ⅳ類偏好圍巖襯砌優(yōu)化設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用

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(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司成都分院，成都，610091)

固滴水電站引水隧洞Ⅳ類偏好圍巖襯砌優(yōu)化設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用

王志鵬，賀雙喜，張高，羅遠(yuǎn)純

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司成都分院，成都，610091)

引水隧洞工期是固滴水電站關(guān)鍵線路，投資占總投資比例較大。對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化研究是有必要的。固滴水電站引水隧洞總長(zhǎng)10852.32m，其中Ⅳ類偏好圍巖洞段約占全洞長(zhǎng)20%，具備襯砌設(shè)計(jì)優(yōu)化的可行性。通過(guò)固結(jié)灌漿能夠提高引水隧洞圍巖力學(xué)參數(shù)，使襯砌與圍巖形成承載圈，從而達(dá)到加固引水隧洞圍巖的作用，同時(shí)也可提高引水隧洞圍巖防滲性能。本文研究思路及技術(shù)路線可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

襯砌結(jié)構(gòu) 引水隧洞 固結(jié)灌漿 設(shè)計(jì)優(yōu)化 固滴水電站

1 工程概況

固滴水電站系水洛河干流(額斯～捷可)水電規(guī)劃“一庫(kù)十一級(jí)”的第六個(gè)梯級(jí)，上游接鉆根水電站，下游接新藏水電站，閘址位于四川省涼山彝族自治州木里藏族自治縣境內(nèi)麥日鄉(xiāng)俄西村下游約4km的峽谷段。壩址處控制流域面積7249km2，多年平均流量為107m3/s。固滴水電站采用引水式開(kāi)發(fā)，水庫(kù)正常蓄水位2311.00m，相應(yīng)庫(kù)容91萬(wàn)m3，總庫(kù)容104萬(wàn)m3。電站裝機(jī)容量138MW，工程開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧下游生態(tài)環(huán)境用水。

引水隧洞為平底馬蹄形斷面，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e33.893m2，線路靠河邊山體布置，平面布置3個(gè)彎道，轉(zhuǎn)彎半徑均為50m。隧洞圍巖主要以Ⅲ、Ⅳ類為主，其中Ⅳ類偏好圍巖洞段約占全洞長(zhǎng)20%。隧洞長(zhǎng)度10852.32m，沿線承受內(nèi)水壓力為0.13MPa～0.76MPa。地層巖性為砂巖、玄武巖夾灰?guī)r、板巖等。招標(biāo)階段Ⅳ類圍巖洞段采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度0.60m，縱坡i=3.442‰。

水工隧洞的投資和工期是控制整個(gè)工程投資和工期的重要因素之一。對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步分析計(jì)算研究是必要的，可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。固滴水電站招標(biāo)階段引水隧洞Ⅳ類偏好圍巖設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌混凝土及配筋量均較大。根據(jù)施工階段引水隧洞實(shí)際圍巖揭露情況，Ⅳ類偏好圍巖洞段所占比例較大，具備進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。

2 工程地質(zhì)

2.1 地形條件

引水隧洞沿線為玄武巖、砂板巖等形成的中高山區(qū)，軸線地表高程2400m～2895m，絕大部分洞段埋深大于100m，最大埋深約590m(2+130m樁號(hào)附近)。其中埋深100m～400m洞段長(zhǎng)7660m，約占全洞長(zhǎng)72%，埋深大于400m洞段長(zhǎng)2960m，約占全洞28%。

2.2 地層巖性

隧洞沿線穿越地層自上而下為T3q2、T3q3、T3q、T2、T1l5、T1l4、T1l3、T1l2、T1l1，巖性涉及玄武巖、輝綠巖、變余砂巖與板巖夾少量薄層灰?guī)r。其中玄武巖、輝綠巖洞段長(zhǎng)約2530m，約占全洞長(zhǎng)23%，其余為變余砂巖、板巖夾少量灰?guī)r洞段，約占全洞長(zhǎng)77%。

2.3 主要構(gòu)造

隧洞沿線穿越木機(jī)埡口斷裂(F1)、西勒斷裂(F2、F3)等3條大斷裂、以及F51共4條斷層，經(jīng)鑒定以上斷層均為非活動(dòng)斷層。除F51、F2之間2+730樁號(hào)附近地表發(fā)育一小向斜，兩翼產(chǎn)狀分別為EW/S∠30°～45°、EW/N∠43°外，其余洞段巖層單斜，中至陡傾上游。玄武巖與輝綠巖洞段裂隙較發(fā)育，變余砂巖、板巖夾少量灰?guī)r洞段裂隙密集短小。

2.4 水文條件

隧洞區(qū)水文地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，以孔隙水、基巖裂隙水為主，主要賦存于覆蓋層、巖石風(fēng)化帶、裂隙密集帶與斷層破碎帶內(nèi)。地表少見(jiàn)泉水，主要分布在F2斷層帶附近T3q地層上的第四系覆蓋層中。沿線僅3號(hào)沖溝常年有水。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)可行性分析

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性

水電工程建設(shè)中，長(zhǎng)引水式電站較為常見(jiàn)，主要特點(diǎn)是高水頭、大洞徑。如已建或在建的天生橋二級(jí)水電站(引水隧洞共三條，均長(zhǎng)9.8km，襯砌內(nèi)徑8.7m、9.8m)、獅子坪水電站(引水隧洞長(zhǎng)18.71km，襯砌內(nèi)徑5.5m)、錦屏二級(jí)水電站(四條引水隧洞長(zhǎng)約16.6km，襯砌內(nèi)徑11.8m)、立洲水電站(引水隧洞長(zhǎng)約16.7km，襯砌內(nèi)徑8.2m)等，對(duì)水工隧洞的投資和工期控制是控制整個(gè)工程投資和工期的重要因素之一。因此，對(duì)水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步分析計(jì)算研究是有必要的，可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

固滴水電站引水隧洞全長(zhǎng)10852.32m，平底馬蹄形斷面，引水隧洞圍巖為玄武巖、輝綠巖、變余砂巖、板巖夾少量灰?guī)r。根據(jù)開(kāi)挖揭露的情況，Ⅲ類圍巖約占36.3%，Ⅳ類圍巖約占56.8%(其中Ⅳ類偏好圍巖洞段約占全洞長(zhǎng)20%)，Ⅴ類約占6.9%。Ⅳ類偏好圍巖洞段所占比例較大，采用招標(biāo)階段鋼混襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，襯砌混凝土及配筋量均較大。對(duì)Ⅳ類偏好圍巖洞段永久支護(hù)型式做進(jìn)一步分析、研究具備客觀條件。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)路線

(1)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)：首先選取引水隧洞典型位置，開(kāi)展固結(jié)灌漿試驗(yàn)。采用單孔聲波測(cè)試、壓水試驗(yàn)、變形模量測(cè)試和鉆孔錄像的綜合物探測(cè)試方法，對(duì)引水隧洞固結(jié)灌漿效果進(jìn)行檢測(cè)。了解當(dāng)前灌漿參數(shù)條件下的固結(jié)灌漿效果，并為下一步引水隧洞固結(jié)灌漿結(jié)果分析提供依據(jù)。

(2)結(jié)果分析：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，分析固結(jié)灌漿前后圍巖波速、變形模量提高比例。同時(shí)參考類似已建工程經(jīng)驗(yàn)，分析引水隧洞結(jié)構(gòu)由混凝土襯砌調(diào)整為掛網(wǎng)錨噴支護(hù)的可行性。

4 固結(jié)灌漿試驗(yàn)及結(jié)果分析

固結(jié)灌漿效果、固結(jié)圈的形成是保證引水隧洞工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵，為了解當(dāng)前灌漿參數(shù)條件下的固結(jié)灌漿效果，并為下一步引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)依據(jù)，根據(jù)工程需要，進(jìn)行了引水隧洞固結(jié)灌漿試驗(yàn)區(qū)物探檢測(cè)工作。試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表1～表3，統(tǒng)計(jì)分析如下：

(1)Ⅳ類圍巖灌后單孔聲波測(cè)試波速最小值為3380m/s，波速最大值為5560m/s。試驗(yàn)Ⅰ區(qū)灌后波速平均值為4580m/s，波速大于3500m/s的百分比為87%，灌后波速提高率在1.3%～15.3%之間，波速提高率平均值為6.2%。試驗(yàn)Ⅱ區(qū)波速平均值為4720m/s，波速大于3500m/s的百分比為100%，灌后波速提高率在2%～15.3%之間，波速提高率平均值為5.9%。

灌前灌后單孔聲波測(cè)試成果對(duì)比表明：試驗(yàn)段中破碎巖體區(qū)域通過(guò)灌漿后得到了固結(jié)加強(qiáng)，完整性得到提高，且波速值越低，提高率越高。

表1 單孔聲波波速統(tǒng)計(jì)

表2 壓水試驗(yàn)成果

表3 變形模量測(cè)試成果

(2)試驗(yàn)區(qū)灌前壓水試驗(yàn)透水率最小值為24.37Lu，最大值為74.83Lu；灌后壓水試驗(yàn)透水率最小值為1.31Lu，最大值為2.87Lu。

壓水試驗(yàn)成果滿足設(shè)計(jì)“壓水檢查孔的標(biāo)準(zhǔn)為q≤3Lu”的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)試驗(yàn)區(qū)Ⅳ類圍巖灌前變形模量測(cè)試最小值為1.89GPa，最大值為4.65GPa；灌后變形模量測(cè)試最小值為2.38GPa，最大值為4.76GPa；提高率在0.4%～25.5%之間；灌后變形模量值主要分布在3GPa～5GPa之間。

灌前灌后變形模量測(cè)試成果對(duì)比表明：試驗(yàn)段中破碎巖體區(qū)域通過(guò)灌漿后得到了固結(jié)加強(qiáng)，完整性、巖體強(qiáng)度得到提高，且灌前變模值越低，提高率越高。

(4)鉆孔錄像成果表明：鉆孔內(nèi)近水平狀和緩傾狀閉合節(jié)理零星發(fā)育，巖體整體較完整，灌漿效果明顯。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

依據(jù)《水洛河固滴水電站引水隧洞固結(jié)灌漿試驗(yàn)區(qū)物探檢測(cè)報(bào)告》試驗(yàn)區(qū)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合地質(zhì)專業(yè)提供的圍巖技術(shù)參數(shù)，同時(shí)參考類似已建工程經(jīng)驗(yàn)，引水隧洞Ⅳ類偏好圍巖洞段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由混凝土襯砌結(jié)構(gòu)調(diào)整為掛網(wǎng)錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)。

一期支護(hù)仍采用“系統(tǒng)錨桿+掛網(wǎng)+噴混凝土”支護(hù)處理方案；永久支護(hù)采用“固結(jié)灌漿+加密錨桿+掛網(wǎng)+噴混凝土”的支護(hù)方案。

圖1 Ⅳ類偏好圍巖永久支護(hù)斷面

圖2 Ⅳ類偏好圍巖固結(jié)灌漿橫剖面

6結(jié)論

(1)Ⅳ類偏好圍巖洞段采用噴錨支護(hù)后，與混凝土襯砌洞段的過(guò)渡段應(yīng)作好防滲措施，建議采用混凝土襯砌搭接噴錨支護(hù)面型式，底板混凝土與邊頂拱錨噴混凝土也應(yīng)作好防滲措施，建議采用邊頂拱錨噴混凝土壓底板混凝土的處理方法；

(2)通過(guò)引水隧洞Ⅳ類偏好圍巖洞段永久支護(hù)由混凝土襯砌結(jié)構(gòu)調(diào)整為掛網(wǎng)錨噴支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)約混凝土約16500m3，節(jié)約鋼筋約1300t，總共節(jié)約工程投資約2600萬(wàn)元，同時(shí)也達(dá)到了縮短一定工期的目的。

〔1〕張志慧，黎昌有，陳汶志.Ⅳ類偏好圍巖采用加強(qiáng)型噴錨支護(hù)的實(shí)踐應(yīng)用[J].水電站設(shè)計(jì)，2013，4(29)：3-65.

〔2〕任旭華，李同春，陳祥榮 .錦屏二級(jí)水電站深埋引水隧洞襯砌及圍巖結(jié)構(gòu)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20(1)：16-19.

〔3〕DL/T5195-2004，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.

TV672.1∶TV543

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2095-1809(2017)05-0109-04

王志鵬(1986-)，男，山東德州人，注冊(cè)土木工程師，主要從事水工專業(yè)設(shè)計(jì)工作。

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