水電工程地質(zhì)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)探討

羅 宇

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072)

1 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

以往的水電工程地質(zhì)設(shè)計(jì)工作往往都是規(guī)范化的設(shè)計(jì)，以設(shè)計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性施工，服務(wù)的意識(shí)和理念都相對(duì)較差。目前水電工程行業(yè)的設(shè)計(jì)、施工已達(dá)到較高水準(zhǔn)，加上市場(chǎng)環(huán)境的改變，催生了PPP、EPC、BOT等多種工程建設(shè)模式的應(yīng)用。單一設(shè)計(jì)水平高已不具競(jìng)爭(zhēng)力，只有改變服務(wù)理念和意識(shí)，才能在新型的市場(chǎng)環(huán)境中得以生存。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是一種設(shè)計(jì)理念的改變，設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)指導(dǎo)施工向服務(wù)施工發(fā)展；設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮造價(jià)效益、施工條件、施工工藝、設(shè)備采購(gòu)等多種問(wèn)題的精細(xì)化設(shè)計(jì)；在技施階段也根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況及時(shí)、適當(dāng)?shù)卣{(diào)整設(shè)計(jì)方案，從而形成一種精細(xì)化動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的新常態(tài)。本文就工程地質(zhì)專業(yè)在實(shí)際工程施工中的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)例加以佐證。

2 工程概況

玉瓦水電站位于四川省九寨溝縣白水江流域一級(jí)支流黑河上游，屬黑河～白水江水電規(guī)劃“一庫(kù)七級(jí)”方案中的第二梯級(jí)引水式電站，裝機(jī)容量49 MW，為小(1)型工程。首部樞紐建筑由重力壩、泄洪閘、沖沙閘和取水口組成，庫(kù)容量13.24萬(wàn)m3，最大閘高14.5 m；引水線路全長(zhǎng)約14.121 km，隧洞主要斷面型式為城門洞形，開挖斷面高5.1～5.8 m，寬4.2～5.1 m；廠房樞紐由調(diào)壓室、壓力管道和地面廠房組成。

3 引水隧洞圍巖類別精細(xì)化劃分

3.1 隧洞區(qū)工程地質(zhì)條件

引水隧洞區(qū)總體呈斜縱向谷，地形較完整，山頂海拔高程2 500～2 800 m，拔河高差500～800 m，屬中高山峽谷型地貌。隧洞區(qū)大多基巖裸露，出露基巖地層為二疊系下統(tǒng)黑河組上段(P1h21～ P1h25)淺變質(zhì)巖系，巖性為一套濱、淺海交互相沉積的碎屑巖和碳酸巖。以薄層狀砂質(zhì)灰?guī)r為主，夾中～厚層砂質(zhì)灰?guī)r、板巖及少量千枚巖。

引水隧洞位于大錄-陵江背斜北東冀，地層擠壓褶皺強(qiáng)烈，次級(jí)褶曲發(fā)育，但總體表現(xiàn)為單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀N50°～60°W/NE∠60°～70°。沿線無(wú)區(qū)域性大斷裂通過(guò)，巖體中斷層不甚發(fā)育，次級(jí)小斷層和順層擠壓破碎帶出現(xiàn)幾率低，寬度一般為0.2～0.5 m，由碎塊巖、片狀巖、角礫巖和糜棱巖組成。區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)面以層面和節(jié)理裂隙為主，節(jié)理裂隙的發(fā)育程度和分布具巖性差異性和區(qū)段性特點(diǎn)。

區(qū)內(nèi)物理地質(zhì)作用不強(qiáng)烈，未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模的滑坡和變形體分布。其物理地質(zhì)作用主要表現(xiàn)為兩岸巖體的風(fēng)化卸荷、兩岸沖溝溝口的沖洪積堆積體，以及兩岸岸坡的崩坡積堆積體。

區(qū)內(nèi)地下水活動(dòng)總體微弱，地下水位埋深大，谷坡中、上部未見泉水出露，谷坡下部地下水位接近河水位。巖體含水性及透水性受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及風(fēng)化卸荷的影響，存在一定差異，中厚層砂質(zhì)灰?guī)r為含水巖層，千枚巖為相對(duì)隔水巖層，斷層破碎帶、擠壓破碎帶、節(jié)理密集帶含水相對(duì)較豐富。

3.2 初設(shè)圍巖類別劃分

玉瓦水電站為小(1)型工程。依據(jù)《中小型水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(DL/T5410-2009)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)中巖石強(qiáng)度、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水狀態(tài)和主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等五大項(xiàng)，將隧洞區(qū)圍巖劃分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共三類圍巖。

Ⅲ類圍巖：薄層狀砂質(zhì)灰?guī)r、板巖，巖石新鮮，強(qiáng)度以中硬為主，巖層走向與洞線交角10°～15°，巖體完整性較差，呈薄層狀結(jié)構(gòu)，圍巖局部穩(wěn)定性差。施工中應(yīng)采用短進(jìn)尺、弱爆破、及時(shí)支護(hù)的施工工藝。

Ⅳ類圍巖：隧洞進(jìn)、出口段，上伏基巖淺埋段的薄層狀砂質(zhì)灰?guī)r、板巖段，地下水豐富段，一般巖層走向與洞線小角度相交，巖體較破碎，多呈薄層狀～塊裂結(jié)構(gòu)。該類圍巖可能出現(xiàn)較大規(guī)模的塌方，圍巖不穩(wěn)定，必須加強(qiáng)支護(hù)。

Ⅴ類圍巖：過(guò)溝淺埋段、斷層破碎帶、層間擠壓帶和千枚巖集中出露段，以及巖層走向與洞線近于平行或小角度相交的板巖夾千枚巖的弱風(fēng)化、弱卸荷巖體，該類圍巖呈碎裂結(jié)構(gòu)～散體結(jié)構(gòu)，巖體強(qiáng)度低，地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，圍巖極不穩(wěn)定，必須加強(qiáng)支護(hù)。

3.3 精細(xì)化圍巖類別劃分

玉瓦水電站引水隧洞的開挖單價(jià)分別為：Ⅲ類圍巖約5 000元/延米，Ⅳ類圍巖約11 400元/延米，而Ⅴ類圍巖超過(guò)20 000元/延米，并且開挖斷面和支護(hù)形式也有差異。圍巖類別的精準(zhǔn)劃分對(duì)工程造價(jià)和進(jìn)度影響巨大。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用《規(guī)范》對(duì)圍巖類別劃分時(shí)發(fā)現(xiàn)：規(guī)范中巖石強(qiáng)度評(píng)分、巖體完整程度評(píng)分和地下水狀態(tài)評(píng)分這三項(xiàng)取值區(qū)間大，導(dǎo)致地質(zhì)人員對(duì)有些洞段不同的圍巖類別評(píng)分有較大差異，個(gè)別還會(huì)出現(xiàn)圍巖類別差異等問(wèn)題。由此可見《規(guī)范》是一種普適的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在應(yīng)用過(guò)程中還應(yīng)結(jié)合相應(yīng)的區(qū)域地質(zhì)特征綜合考慮。

對(duì)此地質(zhì)人員針對(duì)上述三種評(píng)分，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)特征，對(duì)其進(jìn)行了細(xì)化。在符合《規(guī)范》的前提下制定了統(tǒng)一的、具有操作性的細(xì)化評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。

在評(píng)分細(xì)化過(guò)程中，首先結(jié)合28組巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和巖性相對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)錘擊、開挖成型、殘孔率、水敏性等特征，細(xì)化巖石強(qiáng)度評(píng)分；綜合區(qū)域地質(zhì)條件下巖體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面特征、開挖情況等，細(xì)化巖體完整程度評(píng)分；依據(jù)引水隧洞區(qū)域內(nèi)地下水的出水特征和水量等細(xì)化地下水狀態(tài)評(píng)分。細(xì)化成果見表1。

通過(guò)使用細(xì)化后的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，不同地質(zhì)人員對(duì)同一段圍巖的評(píng)分差異明顯減小，消除了圍巖類別劃分不同的情況。實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果表明，基于《規(guī)范》結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查法得到的評(píng)分細(xì)化研究成果，能夠較好地適用于本工程，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

表1 地下水狀態(tài)評(píng)分細(xì)化成果

4 閘首防滲方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 閘首工程地質(zhì)條件

閘首區(qū)河道彎曲呈“S”型，河流總體流向近EW，河谷總體上與地層走向呈中等角度相交，屬斜縱向谷。右岸谷坡陡峻，山體渾厚，基巖裸露，平均坡度為60°～65°；左岸階地發(fā)育，地形寬緩，2 022 m高程為Ⅱ級(jí)階地，2 028 m高程為公路，以上為覆蓋層斜坡，坡度為30°～40°，河谷呈不對(duì)稱“U”型谷。

河床覆蓋層厚度一般為30～40 m，最厚達(dá)51.8 m。河谷左岸崩坡積層廣布，厚度不大，鉛直厚度一般約5～10 m，結(jié)構(gòu)較松散；右岸基巖裸露，僅坡腳零星分布有崩坡積塊碎石土，厚度較小，一般厚約3～5 m，結(jié)構(gòu)較松散；河床覆蓋層以沖洪積含漂砂礫石層為主。區(qū)內(nèi)覆蓋層按其物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和成因，由老至新可分四層：第①層為含漂砂卵礫石層(Qal)，主要分布于河床中下部及階地部位，厚一般為30～40 m，最厚51.8 m；第②層為碎礫石土(Qal)，主要分布于Ⅰ、Ⅱ階地的表層，厚約3～4 m；第③層為現(xiàn)代河床的含漂砂卵礫石層(Qal)，主要分布于現(xiàn)代河床上部，厚約5～8 m；第④層為現(xiàn)代崩坡積塊碎石土層(Qcol+dl)，主要分布于兩岸的坡腳一帶，結(jié)構(gòu)較松散，右岸分布較少，厚度較小，左岸公路高程以上及閘軸線下游地段分布較廣，厚度變化較大。

水工建筑物基礎(chǔ)主要分布于第①層和第③層。

4.2 初設(shè)防滲方案

初期設(shè)計(jì)擬定了鋪蓋水平防滲和防滲墻垂直防滲兩種方案比選。經(jīng)計(jì)算防滲墻垂直方案較鋪蓋水平防滲方案的總滲流量略小，閘室底部的水頭作用更優(yōu)，出口坡降略小，且防滲墻深度不大，施工難度可控，接頭少，防滲保證率高，最終采用防滲墻垂直防滲方案。

4.3 防滲設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

隨著工程開工建設(shè)施工，參建單位結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件提出了鋪蓋水平防滲方案，既可與閘體施工同步進(jìn)行，又可避開冬季施工作業(yè)。如技術(shù)方案可行，安全性能夠得到保障，就可使工期可控性更強(qiáng)。隨著工程開工建設(shè)，地質(zhì)基礎(chǔ)資料收集日漸完善，對(duì)閘首防滲方案進(jìn)行研究和優(yōu)化是可行的。

對(duì)此設(shè)計(jì)方在收集得到現(xiàn)場(chǎng)大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的前提下，多次(組)試驗(yàn)、計(jì)算最終得到了：初期設(shè)計(jì)覆蓋層第①層的滲透系數(shù)和允許水力比降是合理的；覆蓋層第③層因前期試驗(yàn)條件影響，數(shù)據(jù)較少，類比確定的允許水力比降值偏于保守。最終決定優(yōu)化防滲方案，采用鋪蓋水平防滲，且水平鋪蓋長(zhǎng)度由初期設(shè)計(jì)的水平防滲對(duì)比方案中的80 m，縮短到了55 m。

工程完工后表明，優(yōu)化的防滲方案不僅減少了開挖量和混凝土工程量，節(jié)約了投資成本，還便利了施工，縮短了施工工期?？煽闯觯撼跗谠O(shè)計(jì)的垂直防滲方案并不是最優(yōu)方案，但也無(wú)法確定水平防滲是否能滿足防滲要求。只有在工程施工過(guò)程中逐步完善基礎(chǔ)資料收集，動(dòng)態(tài)地調(diào)整設(shè)計(jì)方案，服務(wù)于施工才能使設(shè)計(jì)方案更好、更優(yōu)。

5 廠房后邊坡和壓力管道方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1 廠房工程地質(zhì)條件

廠房位于黑河右岸 Ⅰ 級(jí)階地上，階地長(zhǎng)約300 m，寬約50 m，階面高程約1 859 m，枯水期河水位高程1 857 m，水面寬18 m，階面拔河高約2 m。

區(qū)內(nèi)出露的基巖地層為黑河組上段第二層中部(P1h22-2)的灰色薄板狀～條紋狀灰?guī)r，夾少量千枚巖。地層產(chǎn)狀為N50°～60°W/NE∠60°～70°。廠房后坡1 880 m高程以上基巖裸露。坡腳分布有少量的崩坡積塊碎石土，厚度較小；階地為沖洪堆積的含漂(塊)砂卵礫石層(Qal+pl)，厚約48～51 m，結(jié)構(gòu)密實(shí)?？碧浇沂荆瑥S區(qū)覆蓋層按其成因和物質(zhì)組成，自下而上可分為三層：第①層為沖洪積堆積的含漂(塊)砂卵礫石層(Qal+pl)，主要分布于階地及現(xiàn)代河床中下部，厚48～51 m，結(jié)構(gòu)密實(shí)；第②層為現(xiàn)代河床沖積堆積的含漂(塊)砂卵礫石層(Qal)，結(jié)構(gòu)松散，局部有架空現(xiàn)象，厚5～8 m，主要分布于現(xiàn)代河床表淺層；第③層為崩坡積塊碎石土層(Qcol+dl)，零星分布于廠房后坡坡腳一帶，平均厚度5～10 m，結(jié)構(gòu)松散。

廠址在構(gòu)造上位于大錄-陵江背斜北東翼，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，次級(jí)褶曲不發(fā)育，小斷層、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶出現(xiàn)頻率較低，除層面裂隙發(fā)育外，優(yōu)勢(shì)節(jié)理組有3組：①N10°～30°E/SE(NW)∠60°～70°，延伸大于5 m，間距20～40 cm；②近EW/S(N)∠10°～20°，延伸大于5 m，間距50～60 cm；③N60°～70°E/SE(NW)∠60°～70°，延伸1～3 m，間距40～60 cm。另外，發(fā)育1～2組隨機(jī)節(jié)理。

岸坡走向與巖層走向大角度相交，邊坡整體穩(wěn)定性好。區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)較大的滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，物理地質(zhì)作用主要表現(xiàn)為巖體的風(fēng)化、卸荷。據(jù)地質(zhì)調(diào)查和勘探揭示，推測(cè)區(qū)內(nèi)強(qiáng)卸荷水平深度約為30～40 m，弱風(fēng)化水平深度約為70～80 m。

5.2 邊坡及壓力管道初設(shè)方案

壓力管道下平段洞口位于覆蓋層內(nèi)?？裳须A段，出于對(duì)壓力管道洞挖施工安全及壓力鋼管安裝施工的考慮，設(shè)計(jì)方案為開挖邊坡，將覆蓋層堆積體挖除，再對(duì)形成的開挖邊坡進(jìn)行支護(hù)，壓力管道在基巖出露后進(jìn)行洞挖施工。開挖邊坡高度約為50～60 m。

5.3 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

隨著廠房建筑物基坑開挖，邊坡部分基覆界線出露、覆蓋層地質(zhì)條件揭示：原推測(cè)的邊坡覆蓋層深度較厚，復(fù)核原剖面如圖1所示。

圖1 復(fù)核原剖面

壓力管道段覆蓋層厚度由原來(lái)推測(cè)的40 m，到最新資料推測(cè)該位置覆蓋層深度約15 m。雖然覆蓋層邊坡厚度減少，但開挖高度并未發(fā)生明顯變化。若按原設(shè)計(jì)方案開挖，人為切腳形成高陡邊坡，邊坡穩(wěn)定和施工安全都將存在較大風(fēng)險(xiǎn)，邊坡穩(wěn)定治理的投資和工期將大大超出預(yù)期，且壓力管道出口的覆蓋層為沖擊含漂卵石層，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，具備了砂卵石層直接進(jìn)洞的條件，同時(shí)類比其他類似工程后，提出了覆蓋層進(jìn)洞的施工方案。

經(jīng)設(shè)計(jì)多方綜合分析施工進(jìn)度、施工難度、工程投資等方面后，調(diào)整了原設(shè)計(jì)方案，同意采用覆蓋層進(jìn)洞方式，壓力鋼管采用覆蓋層洞內(nèi)安裝。實(shí)際施工效果：廠房邊坡開挖僅僅受控于廠房建筑物基坑開挖要求，實(shí)際開挖高度15 m，其中11.5 m為臨時(shí)邊坡，永久邊坡高度3.5 m。壓力管道洞挖13 m后出露基巖，與資料完善后推測(cè)結(jié)果基本一致。不僅有效地減小了開挖方量、節(jié)約了開挖工期和投資，同時(shí)也極大地保證了施工期的安全，降低了后期高邊坡高昂的支護(hù)費(fèi)用。

6 結(jié) 語(yǔ)

不難看出，在設(shè)計(jì)初期由于前期勘探資料缺乏，設(shè)計(jì)的施工方案是無(wú)法達(dá)到最優(yōu)。只有在實(shí)際施工過(guò)程逐步完善基礎(chǔ)資料的收集，并動(dòng)態(tài)地驗(yàn)證、更新各種設(shè)計(jì)成果，適當(dāng)?shù)靥岢鰞?yōu)化設(shè)計(jì)方案，才能使設(shè)計(jì)方案一步一步達(dá)到最優(yōu)的效果，從而提高設(shè)計(jì)水平和服務(wù)意識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

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