水電站導(dǎo)流洞圍巖施工穩(wěn)定性探討

黃世生

(福建省寧德市水利水電工程局，福建 寧德 352100)

1 工程概況

蒲洋水電站壩頂高程為257.3 m，正常蓄水位為251.0 m，設(shè)計最大壩高為55.3 m，總庫容為0.5141×108m3，工程為III型水利樞紐工程。導(dǎo)流洞布置在壩址右岸山體中，為低山地貌。洞口處于拱頂壩軸線上游75.0 m的位置，洞線設(shè)計總長度為3018.86 m。設(shè)計洞徑為4.6 m。導(dǎo)流洞所在地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境為細?；◢弾r，呈灰白色塊狀結(jié)構(gòu)，巖體受風(fēng)化作用和斷裂切割影響比較大，結(jié)構(gòu)整體強度和完整性降低。文章以此工程為例，對導(dǎo)流洞圍巖施工穩(wěn)定性進行分析和探討。

2 通過數(shù)值計算分析導(dǎo)流洞圍巖穩(wěn)定性

該水電站導(dǎo)流洞圍巖主要由II類-III類、III類、V類3種性質(zhì)的圍巖構(gòu)成。將開挖洞室過程中對四周巖體產(chǎn)生的影響看成一個平面問題，不考慮空間因素產(chǎn)生的影響。由于需要對天然拱厚度進行考慮，因此將計算范圍確定為洞寬的6～10倍。

由于該水電站導(dǎo)流洞主要由3種不同類型的圍巖構(gòu)成，材料參數(shù)如表1所示。針對不同類型的圍巖，分別從每一類的截面中選擇一個進行計算。

表1 材料參數(shù)

2.1 II-III類圍巖穩(wěn)定性分析

根據(jù)表1建立A-A截面計算模型進行分析，以計算模型左右邊界約束水平方向位移作為邊界計算模型，將下部邊界作為垂直方向位移的約束條件，上部邊界面作為自由面。在上部邊界面施加0.0835 MPa的均布荷載，泊松比為0.05，彈性模量E=1.5E/MPa，A-A截面未發(fā)生變形和變形之后的情況如圖1和圖2所示。從圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，開挖作業(yè)完成后導(dǎo)流洞變形量不大，圍巖穩(wěn)定性良好。

圖1 A-A截面開挖之前應(yīng)力云圖

圖2 A-A截面開挖之后應(yīng)力云圖

2.2 III類圍巖穩(wěn)定性分析

在對III類圍巖穩(wěn)定性進行分析時，根據(jù)表1建立了B-B計算模型，將計算模型左右邊界面作為水平方向位移的約束條件，上部界面作為自由面，垂直方向的位移約束條件為下部邊界面。將0.8124 MPa的均布荷載作為上部邊界的施加荷載，彈性模量E=1.0 E/MPa，設(shè)計泊松比為0.09。B-B截面導(dǎo)流洞開挖前后變形應(yīng)力云圖如圖3和圖4所示。從圖3和圖4不難看出，開挖完成后，導(dǎo)流洞并沒有出現(xiàn)比較大的變形，圍巖穩(wěn)定性良好。

圖3 B-B截面開挖之前應(yīng)力云圖

圖4 B-B截面開挖后應(yīng)力云圖

2.3 V類圍巖穩(wěn)定性分析

對V類圍巖進行分析時，根據(jù)表1建立了C-C計算模型，使用C-C截面計算模型進行分析，水面方向位移以計算模型左右邊界為約束條件，垂直方向的位移以下部界面作為約束條件，上部的邊界面為自由面。使用0.6475 MPa均布荷載作為上部邊界的施加荷載，設(shè)計彈性模量E=0.3 E/MPa，設(shè)計泊松比為0.29。在開挖前C-C截面的應(yīng)力云圖如圖5所示，開挖后應(yīng)力云圖如圖6所示。分析圖5和圖6發(fā)現(xiàn)，進行開挖后導(dǎo)流洞截面產(chǎn)生了比較大的變形情況，圍巖穩(wěn)定性差，需要采取相應(yīng)的支護措施。

圖5 C-C截面開挖之前應(yīng)力云圖

圖6 C-C截面開挖后應(yīng)力云圖

施工時需重點注意下述幾個方面的問題：

(1)在進行開挖掘進施工時，因為圍巖的類別有所差異，不同圍巖的穩(wěn)定性也存在一定的差異，因此施工人員在進行施工時，不可以采用一種參數(shù)開展施工，需要根據(jù)圍巖的級別合理地選擇施工參數(shù)。尤其是在進行V類圍巖施工時，為了避免出現(xiàn)塌方的情況，需要及時做好支護工作[1]。

(2)在進行導(dǎo)流洞的出口和進口施工的過程中，因為導(dǎo)流洞不屬于深埋洞，因此在進行進出口施工時要做好支護工作，如果情況特別需要，則應(yīng)進行超前支護。

(3)在施工過程中遇到地下水時，需要先處理地下水，避免地下水大量流出后帶走孔隙中的填充物，影響圍巖的穩(wěn)定性。此外，還需要做好防塵措施和通風(fēng)措施。

2) 在沒有使用彈性支撐的圖2振型中可以看出來，振型都是局部振動。在使用彈性支撐后，從圖3和圖4中可以看出前7階主要是發(fā)電機的整體振動，7階以后才出現(xiàn)發(fā)電機結(jié)構(gòu)的局部振動，這種變化主要是選擇的彈性支撐剛度引起的。

3 導(dǎo)流洞圍巖加固措施

根據(jù)上述分析結(jié)果，在進行導(dǎo)流洞施工時，需要對V類圍巖進行加固處理。經(jīng)監(jiān)理人員、設(shè)計人員和業(yè)主對地質(zhì)資料進行詳細分析后，決定采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固技術(shù)來進行加固。設(shè)計采用錨桿臺車進行預(yù)應(yīng)力錨桿造孔，然后使用注漿泵進行注漿作業(yè)，使用自制施工臺架作為錨桿安裝的登高設(shè)備，并安排裝載機、挖機等設(shè)備進行輔助施工。

3.1 施工工藝

(1)在進行施工時，首先根據(jù)設(shè)計參數(shù)進行錨桿孔位放樣，并使用紅漆進行標識，根據(jù)孔位進行編號。錨桿也使用相同的方法來進行編號。

(2)使用TOMROCK錨桿臺車進行錨桿鉆孔施工，并根據(jù)放出方向先嚴格對鉆孔角度進行控制，鉆孔直徑控制為70 mm。錨桿方向和洞軸線垂直，錨桿深度為3 m，先進行鉆孔，然后再打入錨桿，錨桿之間的間隔距離為1.5 m，施鉆過程中，鉆頭要和巖壁上錨桿孔位對準后再進行鉆孔，開孔誤差要控制在50 mm內(nèi)，開孔過程中使用小功率鉆機進行緩慢鉆進，鉆進50 cm后要對鉆孔方向進行校正，達到設(shè)計要求后進行全功率鉆進。

(3)使用錨桿臺車進行施工，鉆孔和洗孔同時進行，清水流出后即完成沖洗，檢查各個鉆孔的孔位、孔深和鉆孔直徑，然后將三檢記錄填寫好，向監(jiān)理工程師進行申報，驗收合格以后即可進行下道工序的施工。

(4)使用快速錨固法進行施工，使用速凝錨固劑對內(nèi)錨段進行錨固處理，使用緩凝錨固劑對外錨固段進行處理。錨固劑注裝時，需要安排工作人員根據(jù)錨固段長度在注漿管上進行標記。按照0.30～0.35水灰比對錨固劑進行拌制后制成膏狀，然后利用灌漿泵將錨固劑打入到孔中，然后將管緩慢拔出[2]。

(5)錨桿使用直徑為32 mm的II級螺紋鋼筋制作，墊圈、墊板、錨桿都需要按照設(shè)計要求在工廠加工成型。加工完成后要對桿體進行檢查和驗收，達標后才可以在工程中應(yīng)用。

(7)在緩凝錨固劑初凝前并且錨固劑強度達到20 MPa后即可進行桿體的張拉鎖定。在水灰比為0.3時，張拉控制在桿體注裝完成6～9 h后。最早張拉時間為速凝錨固劑注裝6 h后，最遲張拉時間為速凝錨固劑注樁9 h后。使用扭力扳手逐級張拉到設(shè)計張力的115%，然后將桿體鎖定[3]。

3.2 施工控制要點

(1)要抽檢錨固劑、錨桿螺紋鋼等施工材料的相關(guān)資料，保證材料質(zhì)量可以達到要求。在進行張拉前，可以使用專業(yè)的強勝威扭力檢定儀進行校正，率定達標后才可以進行張拉作業(yè)。在進行張拉時，每周都需要率定一次扭力扳手，保證張拉精度可以達到要求。

(2)在進行鉆孔施工時，造孔是非常重要的一個控制環(huán)節(jié)，需要對所有的孔位進行測量放樣，并使用紅色油漆進行標識。選擇責(zé)任心強、經(jīng)驗豐富的操作人員進行液壓鑿巖臺車的施工，開鉆前要將鉆臂方向調(diào)整好，保證孔向垂直后才可以進行鉆進作業(yè)，在鉆進過程中要保持勻速鉆進，并不斷地使用水對巖粉進行沖洗[4-5]。

(3)在進行張拉施工時，內(nèi)錨段灌漿的密實度是保證張拉成功的關(guān)鍵步驟，因此，要在施工前充分浸泡錨固劑，浸泡時間要保持在2.5 min以上，每次打入一卷錨固劑后要將輸送管向孔外拉出5 cm左右，保證錨固劑可以將3 m錨固段填滿。

(4)在錨桿張拉時，要嚴格按照規(guī)定要求逐級進行張拉，并嚴格對整個張拉過程進行監(jiān)控，做好張拉數(shù)據(jù)的記錄工作。

4 圍巖監(jiān)測

該水電站導(dǎo)流洞不良地質(zhì)段在使用預(yù)應(yīng)力錨桿進行加固處理后，通過采用錨桿測力計和多點位移計對數(shù)據(jù)進行檢測后證明，各個測點變化比較小，穩(wěn)定性良好，在施工現(xiàn)場沒有發(fā)現(xiàn)混凝土開裂、外觀變形、脫落繼續(xù)發(fā)展等問題。洞身處理良好的穩(wěn)定狀態(tài)下，導(dǎo)流洞0+714、0+756段在進行處理之前多點位移計測值變化速率為0.1～0.6 mm，處理完成后多點位移計測值變化速率<0.01 mm，該洞段處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)下。處理效果良好，達到了預(yù)期要求。

5 結(jié) 語

文章以實際工程為例，對導(dǎo)流洞施工過程中圍巖穩(wěn)定性進行了分析和探討，并根據(jù)分析結(jié)果采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固技術(shù)對不穩(wěn)定圍巖進行處理，經(jīng)過處理后使用檢測儀器進行檢測，經(jīng)過檢測后證明，導(dǎo)流洞不穩(wěn)定圍巖經(jīng)過處理后達到了加固要求，保證了工程施工安全，提高了洞室的穩(wěn)定性，值得類似工程借鑒和參考。