喜兒溝水電站調(diào)壓井設計

高 珍 段 彬 劉軍鵬

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065； 2.西安國際陸港投資發(fā)展集團有限公司，陜西 西安 710026)

1 工程概況

喜兒溝水電站為引水式電站，位于甘肅省舟曲縣的白龍江干流上，工程任務是發(fā)電，樞紐主要建筑物包括：混凝土閘壩、引水發(fā)電洞、調(diào)壓井及壓力鋼管、電站廠房及GIS開關(guān)站等。最大閘壩高20.50 m，為徑流式水電站，水庫正常蓄水位1 538.00 m。電站設計水頭57.8 m，裝機容量72 MW，保證出力15.7 MW，年發(fā)電量3.13億kW·h。本工程為Ⅲ等中型工程，電站工程主要建筑物為3級，次要建筑物為4級。本工程地震基本烈度為8度，地震設防烈度按8度計。

該調(diào)壓井布置于廠房后山坡上，上游接引水隧洞，下游與壓力管道相連，阻抗式調(diào)壓井頂部為敞開式，頂部高程為1 590.2 m，底部高程為1 516.00 m。根據(jù)工程地質(zhì)條件，高程1 524.0 m以上采用沉井法開挖。調(diào)壓井井筒下部直徑為18.0 m，高9.5 m，上部沉井直徑為22.0 m，高65.0 m，總高度為74.5 m，阻抗孔直徑為4.0 m，高度為27.6 m。有壓引水隧洞洞徑為7.5 m，岔管采用“卜”形，分別與三條進廠支管連接[1]。

本工程調(diào)壓井布置在Ⅵ級基座階地的前緣，地面高程為1 622 m，河水位為1 471.63 m，相對高差約150 m。覆蓋層很厚，達97 m，上部分布淡黃色粉土以及塊碎石土，厚為33.4 m；下部是沖洪積含漂石砂卵礫石層，厚為63.6 m。在1 565 m～1 575 m高程段，有孤石層，孤石粒徑較大，一般為2 m～3 m，大的可達4 m～5 m，巖性為灰?guī)r，多呈渾圓狀，巖性較硬；基巖頂部高程為1 525.0 m，由絹英千枚巖、炭質(zhì)千枚巖夾花崗閃長巖巖脈組成，巖層產(chǎn)狀NW327°SW∠81°，巖體內(nèi)中、陡傾角裂隙較發(fā)育；巖體呈薄層狀結(jié)構(gòu)，巖體完整性較差，圍巖為Ⅳ類、Ⅴ類，井壁巖性主要為絹英千枚巖、炭質(zhì)千枚巖及花崗巖條帶組成，由于巖層傾角高陡，在施工過程中，調(diào)壓井井壁容易產(chǎn)生坍塌破壞，應及時采取錨固和混凝土襯砌措施[1]。

調(diào)壓井地質(zhì)素描見圖1。

2 調(diào)壓井布置設計

2.1 調(diào)壓井設置條件

設置調(diào)壓井的條件按下式進行[2]：

Tw>[Tw]。

Tw=∑LiVi/gHp。

其中，[Tw]為Tw的允許值，一般取2 s～4 s，本工程取4 s。

經(jīng)計算，水流慣性時間常數(shù)Tw=49 s，大于[Tw]允許值4 s，因此，引水系統(tǒng)必須設置調(diào)壓室。

2.2 調(diào)壓井斷面設計

1)調(diào)壓井穩(wěn)定斷面面積計算。

調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積按托馬(Thoma)計算公式計算并乘以系數(shù)K決定：

其中，K為系數(shù)，采用1.0～1.1，本工程取1.0。

經(jīng)計算，上游水位1 536.00 m時，調(diào)壓井所需穩(wěn)定斷面面積為709 m2，調(diào)壓井直徑為30.0 m。

2)調(diào)壓井井筒直徑選擇。

本電站裝機容量占系統(tǒng)容量的比例很小，在系統(tǒng)中不參加調(diào)頻，有減小調(diào)壓井斷面的先決條件。我國已建水電站中，大幅度減小調(diào)壓室面積的工程統(tǒng)計見表1?？梢钥闯?，如按托馬公式計算，調(diào)壓井面積均很大，而實際采用的值卻相應地減小。蓮花電站在確定調(diào)壓井面積時充分考慮了該電站在電力系統(tǒng)中所占比重(按0.4考慮)，因此，相應面積也大幅度減小，這些電站自建成至目前運行穩(wěn)定[3]。

表1 國內(nèi)幾座水電站調(diào)壓井特性

從以上分析及國內(nèi)幾座電站的實際運行實踐，可認為水電站調(diào)壓井面積是可以小于托馬公式求得的面積，而面積的大小由調(diào)壓井的布置及涌浪容積、工程量及地形地質(zhì)條件綜合考慮確定。根據(jù)調(diào)壓井部位的地形地質(zhì)條件和機組安裝高程的限制，經(jīng)計算分析，確定調(diào)壓井直徑D=18.0 m為較優(yōu)斷面。因調(diào)壓井井筒下部布置在巖石內(nèi)，上部布置在覆蓋層內(nèi)，由于結(jié)構(gòu)布置的需要，布置在基巖內(nèi)的井筒直徑為18.0 m，布置在覆蓋層內(nèi)的井筒直徑為22.0 m。

3)調(diào)壓井涌浪計算。

調(diào)壓井涌浪計算是根據(jù)水電站調(diào)壓井內(nèi)水位振蕩基本微分方程采用龍格—庫塔法計算求解。經(jīng)計算，最高涌浪水位1 560.91 m，最低涌浪水位1 520.75 m。

4)結(jié)構(gòu)設計。

根據(jù)調(diào)壓井涌浪計算成果，取調(diào)壓井大井底板高程為1 516.00 m，低于最低涌浪水位約6.00 m。調(diào)壓井處隧洞頂板高程1 485.92 m，阻抗孔高度為27.7 m。

2.3 調(diào)壓井型式及施工方法選擇

長隧洞引水式水電站通常都設有調(diào)壓井，調(diào)壓井型式分為敞開式和地下式兩種。地下式調(diào)壓井對井筒處的地質(zhì)條件要求較高，往往因為將調(diào)壓井布置在圍巖較好處而增加隧洞長度，同時交通洞(兼通風洞)長度也要大幅增加，造成投資增加和工期延長；敞開式調(diào)壓井也往往因為要把井筒布置在基巖里，需要把上部的覆蓋層全部挖掉，開挖量大、邊坡高，造成植被破壞，同時，開挖的棄渣也要占用大量的耕地，造成水土流失，且工程投資較大[4]。

喜兒溝水電站調(diào)壓井上部地質(zhì)條件為沖洪積漂卵礫石層，開挖中如果采用錨桿或錨筋束輔以噴混凝土方式加固井壁，不僅很難找到合適錨固段，而且成孔困難，施工安全風險很大，工期難以保證。

如此地質(zhì)條件，常規(guī)的調(diào)壓井豎井開挖難以實施，經(jīng)過類似地質(zhì)條件下的工程調(diào)研，推薦采用適應該地質(zhì)條件的沉井方案。采用沉井法施工，能有效避免井壁坍塌，施工安全風險大大降低，工期得到有效控制。

2.4 沉井設計

喜兒溝水電站調(diào)壓井為阻抗式，頂部為敞開式。調(diào)壓井大井位于基巖的部分，直徑18.00 m，壁厚1.50 m，井筒高度8.00 m，大井采用二級配C25鋼筋混凝土襯砌，厚度為1.50 m。上部位于砂礫石中的井筒，采用沉井方法施工，沉井內(nèi)徑為22.00 m，沉井壁厚取為1.50 m，上部沉井采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。阻抗孔直徑為4.0 m，高度30.08 m，采用鋼筋混凝土襯砌，厚度為1.00 m。

沉井頂高程取為1 889.00 m，位于上部淡黃色粉土和塊碎石土底緣，1 889.00 m以上為1.80 m高的欄板，沉井底部高程為1 824.00 m，取在基巖分界線以下1.0 m，沉井總高度為65.00 m，沉井井壁為沖洪積含漂石砂卵礫石層。

沉井井筒混凝土要求達到調(diào)壓井井筒永久鋼筋混凝土標準，沉井施工完成后不再進行襯砌。鋼筋采用Ⅱ級鋼，連接方式可采用套筒或搭接焊連接，不允許綁扎連接，環(huán)筋可螺旋型布置。沉井施工的刃腳鋼板材質(zhì)為Q235。沉井混凝土應分層澆筑，第一層和第二層混凝土達到設計強度后方可澆筑第三層混凝土，其他層混凝土達到70%設計強度后可澆筑上一層混凝土。每節(jié)沉井井壁不再設橫縫，要求開倉后一次澆筑完。下一層澆筑前，每層橫縫均須進行鑿毛處理[5]。

沉井第一層和第二層混凝土達到設計強度后可開挖下沉，沉井下沉開挖應該分段、對稱、跳倉進行，防止下沉傾斜。為了沉井順利施工，要求對沉井下沉過程的井筒位移、傾斜、偏轉(zhuǎn)等動態(tài)觀測，以便于及時糾偏。

為提高調(diào)壓井井壁周圍巖石的整體性，擬對井壁周圍巖石進行固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿孔間、排距3.0 m，孔深5.0 m，呈梅花形布置。

上部沉井下沉到位后，用3Φ32，L=12.0 m錨筋樁鎖定。

調(diào)壓井頂部為覆蓋層，按1∶1.25邊坡開挖后，形成約30 m高的邊坡，按照規(guī)范要求20 m設置一級馬道。

3 施工技術(shù)主要難點

喜兒溝調(diào)壓井沉井施工難度大，技術(shù)要求高，主要存在如下施工技術(shù)難點：

1)本調(diào)壓井工程沉井作為調(diào)壓井開挖支護的安全措施，同時作為調(diào)壓井井筒的一部分，對沉井下沉過程中的偏移和傾斜有嚴格的限制，如何保證復雜地層條件下深65 m、內(nèi)徑22.0 m的沉井順利下沉、準確就位，滿足相關(guān)質(zhì)量要求，是本工程的一大難點。

2)沉井直徑非常大，所處地質(zhì)條件為沖洪積含漂石的砂卵礫石層，地質(zhì)條件復雜，特別是面臨地質(zhì)條件改變等不可預見因素，沉井下沉過程中可能出現(xiàn)停沉、下沉困難或突沉等不利情況。

3)沉井直徑大，內(nèi)徑22.0 m，首節(jié)外徑達到25.2 m，上部各節(jié)外徑25.0 m，下沉過程中井壁可能出現(xiàn)地層特性不對稱、孤石等情況，沉井開挖下沉中難免出現(xiàn)下沉不均勻、偏移或者傾斜，需要采取合理的施工工序以及糾偏措施，同時沉井本身的應力變形狀況也非常值得關(guān)注，避免出現(xiàn)沉井開裂破壞等狀況。

4)結(jié)合本工程特點，施工期間隨著沉井開挖深度增加形成高空作業(yè)，施工安全問題也尤為突出[6]。

4 結(jié)語

1)本文依托的喜兒溝水電站調(diào)壓井工程，采用沉井作為調(diào)壓井開挖安全措施和井筒永久結(jié)構(gòu)，沉井為圓筒形，內(nèi)直徑22.0 m，底節(jié)外直徑25.2 m，上部各節(jié)直徑25.0 m和24.4 m，井內(nèi)漂石砂卵石開挖約29 475 m3，膠結(jié)砂礫石開挖3 799 m3，沉井最大下沉深度65 m。

2)喜兒溝水電站調(diào)壓井沉井工程于2008年3月7日開挖調(diào)壓井沉井刃腳部位，2011年6月2日下沉65 m，達到設計高程，根據(jù)最終測量成果，沉井達到設計高程后，中心偏移為46.3 cm、傾斜角度為25′18″，均符合設計要求。

3)通過觀察喜兒溝65 m沉井下沉施工過程，漂卵礫石地層中，沉井井壁并不是同步下沉，下沉不均衡，雖間隔時間極短，但是沉降的斷續(xù)性十分明顯。

4)通過研究沉井的裂縫成因和開挖施工方法，喜兒溝水電站調(diào)壓井沉井開挖施工嚴格按照先中間后預留、先硬基后軟基、先其他部位后支撐點的順序進行，以保證沉井開挖、下沉對稱、勻速。

喜兒溝水電站調(diào)壓井工程采用沉井施工方法，將原設計中的覆蓋層土方明挖由34.2萬m3減少到15.7萬m3，減少了18.5萬m3，降低工程投資166.68萬元。減少征地及棄渣場占地約30畝，該項節(jié)省投資共計為180萬元。同時，直接節(jié)約調(diào)壓井工程施工措施費約463萬元。該項目采用的大型沉井施工方法為今后調(diào)壓井布置突破環(huán)境保護及移民征地制約等方面提供了借鑒依據(jù)。同時為調(diào)壓井在軟弱地質(zhì)條件下開挖的安全支護措施提供了新的思路，拓展沉井在類似豎井工程建設領域的應用范圍，在國民經(jīng)濟建設中具有廣泛的應用前景。