黃登水電站導(dǎo)截流工程主要地質(zhì)問題及對策

張萬奎，黃德凡

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

1 工程概況

黃登水電站位于云南省蘭坪縣營盤鎮(zhèn)境內(nèi)，水庫正常蓄水位1 619 m，相應(yīng)總庫容16.13×108m3。碾壓混凝土重力壩壩高203 m，電站裝機容量1 900 MW，屬一等大(1)型工程。本工程采用“圍堰一次斷流，導(dǎo)流隧洞泄流”的導(dǎo)流方式。上、下游圍堰均為土石圍堰，上游圍堰最大堰高62 m，下游24 m，圍堰堰基均采用混凝土防滲墻防滲。導(dǎo)流隧洞布置于右岸，由一大一小2條導(dǎo)流洞組成。1號導(dǎo)流隧洞洞身長1 146.706 m，方圓形，斷面尺寸為16 m×20 m；2號導(dǎo)流隧洞洞身長1 318.137 m，方圓形，斷面尺寸為8 m×11 m。工程于2009年開始籌建，2012年11月18日，1號導(dǎo)流洞成功分流，2012年5月20日，2號導(dǎo)流洞成功分流。2013年11月9日實現(xiàn)了工程截流。

2 工程地質(zhì)問題及處理措施

2.1 導(dǎo)流洞

2.1.1隧洞出口段

導(dǎo)流洞出口約200～250 m長的洞段圍巖為泥質(zhì)板巖夾砂巖，巖石主要由泥質(zhì)和石英粉砂組成，構(gòu)成粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。泥質(zhì)(絹云母)含量約占88%，石英含量約占10%，方解石含量約占2%，粒度在0.02～0.06 mm左右。由于重結(jié)晶(變質(zhì))作用，泥質(zhì)大部分重結(jié)晶呈顯微鱗片狀，定向排列，千枚狀構(gòu)造。巖體平均濕抗壓強度為11.95 MPa，屬軟弱巖類。巖體破碎、松散，呈碎裂～散體結(jié)構(gòu)，圍巖為Ⅴ類～Ⅳ類，洞室穩(wěn)定條件極差，圍巖基本無自穩(wěn)時間，開挖過程中，曾產(chǎn)生頂拱坍塌及邊墻變形破壞[1]。

采取的措施為：施工開挖遵循軟巖“短進尺、弱爆破”的開挖原則，自上而下分3層采用“核心土”[2]法進行施工，第1層開挖前視情況采用大管棚或注漿小導(dǎo)管或超前錨桿對頂拱進行預(yù)加固，然后進行中導(dǎo)洞開挖，再逐步擴挖，并及時封閉及進行系統(tǒng)支護；第2層層高10 m，分3小層進行施工，上一層開挖支護全部完成后才能進行下一層的施工，開挖過程中，遇構(gòu)造破碎帶或圍巖極松散破碎部位也采取超前預(yù)支護；第3層亦采用分幅開挖，開挖后完成全部系統(tǒng)支護，并設(shè)置排水孔。出口約115 m范圍因隧洞轉(zhuǎn)彎，巖層走向與洞向近平行，洞室穩(wěn)定條件更差，洞頂順層理普遍坍塌；邊墻薄層狀巖層開挖臨空后，亦出現(xiàn)較大程度的屈服彎曲變形[3]，并導(dǎo)致頂拱出現(xiàn)裂縫。經(jīng)研究，對出口段邊墻采用預(yù)應(yīng)力錨桿進行系統(tǒng)加固，同時，考慮到2條隧洞相距較近，后續(xù)洞室開挖可能進一步影響邊墻變形，故對2條隧洞相近邊墻又布置3排1 000 kN級全長粘結(jié)性預(yù)應(yīng)力錨索進行錨固，并及時進行混凝土襯砌及固結(jié)灌漿。監(jiān)測資料及導(dǎo)流洞正常運行狀況表明，洞室開挖及支護所采用的方案是合適的。

2.1.2出口側(cè)面邊坡

導(dǎo)流洞出口側(cè)面邊坡最高約120 m，開挖邊坡上部30～50 m由坡、崩積層組成，中部15～25 m分布洪積層，下部為千枚狀泥質(zhì)板巖。該邊坡部位物理地質(zhì)作用強烈，主要表現(xiàn)為板巖的傾倒蠕變、巖體風(fēng)化及巖體卸荷等。傾倒蠕變巖體分布基本與強風(fēng)化底界深度一致，一般為10～30 m，局部可達60 m。地下水位埋藏較深，覆蓋層中分布有上層滯水，常沿堆積物底層和基巖的交界面滲出。千枚狀泥質(zhì)板巖片理發(fā)育，巖體透水性具有各向異性的特征，沿片理方向巖體透水性較強。

2.1.2.1 覆蓋層坍塌

邊坡高程1 560～1 565 m，樁號2號導(dǎo)1+345左右約25 m范圍開挖素噴后，混凝土發(fā)生開裂并導(dǎo)致小范圍的淺層塌方，塌方分布范圍為坡、崩積層，組成物質(zhì)為砂質(zhì)粉土夾碎石、塊石，分布厚度5～10 m。該邊坡由坡、崩積層組成，邊坡開挖后易產(chǎn)生沿最大剪應(yīng)力方向的圓弧形滑移失穩(wěn)，其發(fā)生破壞的覆蓋層較薄，失穩(wěn)模式屬“脫殼”型的滑移失穩(wěn)[4]。

邊坡高程1 520～1 530 m，樁號2號導(dǎo)1+375～2號導(dǎo)1+335約40 m范圍開挖過程中發(fā)生小范圍的淺層塌方，塌方范圍為沖、洪積層，組成物質(zhì)為粉土混砂卵礫石、孤石，分布厚度2～5 m。該邊坡由沖、洪積層組成，因沖積層抗?jié)B穩(wěn)定條件差，在水的作用下，易產(chǎn)生潛蝕作用，在砂、卵礫石被局部淘空后，導(dǎo)致更大范圍土體的圓弧形滑移失穩(wěn)。

對該段覆蓋層組成的邊坡，考慮到覆蓋層厚度較大，且處于泄洪霧化影響區(qū)范圍內(nèi)，采取如下支護措施：①將開挖坡比放緩到1∶1～1∶1.5，以基本挖穩(wěn)為原則。②覆蓋層土體在水的浸泡作用下力學(xué)指標(biāo)降低較大，為避免水的影響，設(shè)置截排水系統(tǒng)對地表水進行攔截，對地下水進行疏排。③深層支護采用1 800 kN級錨索，錨固端深入到弱風(fēng)化基巖內(nèi)；淺表層支護以封閉邊坡、防止邊坡局部塌滑及掉塊為主要目的，并考慮霧化的不利影響，全部采用混凝土板進行貼坡。經(jīng)以上措施處理后，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1.2.2 巖體快速傾倒崩塌

邊坡下部50～80 m為千枚狀泥質(zhì)板巖組成的軟弱巖質(zhì)邊坡，巖層走向與邊坡近平行，巖體傾倒蠕變較強烈，巖層倒轉(zhuǎn)明顯。坡面巖體破碎、松散，基本呈散體結(jié)構(gòu)，物理力學(xué)強度低。邊坡開挖臨空后，普遍出現(xiàn)巖體向臨空面的快速拉裂、傾倒，并產(chǎn)生逐級崩塌。研究認(rèn)為，該邊坡分布的千枚狀泥質(zhì)板巖巖層為薄片狀，原始狀態(tài)下陡傾山內(nèi)，巖性軟弱，水理性差，板巖中富含親水性礦物，巖體暴露后，因含水量的變化引起巖體體積的變化，并沿片理向臨空面崩解；板巖遇水后亦會產(chǎn)生軟化、泥化現(xiàn)象。邊坡開挖后，失去了側(cè)向約束，在應(yīng)力重分布及水的作用下，變形體內(nèi)部巖體產(chǎn)生彎矩?fù)锨?yīng)，坡體前緣向臨空方向傾倒，并逐漸向坡內(nèi)連續(xù)發(fā)展，巖體內(nèi)部沿早期構(gòu)造成因的片理面發(fā)生層與層之間的剪切蠕滑錯動。由于傾倒受控于層間的相互錯位變形，故表現(xiàn)為巖層依次連續(xù)傾倒，無傾角突變現(xiàn)象發(fā)生，其力學(xué)性質(zhì)屬塑性連續(xù)變形。隨著傾倒蠕變的進一步發(fā)展，巖體內(nèi)逐漸產(chǎn)生緩傾坡外的張性剪切破裂，并表現(xiàn)出顯著的切層發(fā)展現(xiàn)象，具有快速傾倒的特征，進一步牽引上部巖體傾倒，從而產(chǎn)生逐級的漸進型的變形失穩(wěn)。

該邊坡快速傾倒主要由邊坡巖層結(jié)構(gòu)及巖體自身性質(zhì)決定，采用的針對性措施如下：①邊坡開挖坡角陡于60°時，開挖切角作用下邊坡巖體變形特別明顯，邊坡設(shè)計坡比宜緩于1∶0.75。②為防止邊坡巖體失水或被水浸泡，延遲巖體崩解或者軟化的速度，邊坡開挖后快速素噴封閉。③邊坡崩塌始于邊坡坡頂，在每級邊坡頂部設(shè)置錨筋樁錨固，以有效抑制崩塌的發(fā)生及發(fā)展。④邊坡的快速崩塌一般發(fā)生在邊坡開挖暴露后一周以上，要求邊坡支護在一周內(nèi)完成。以上措施處理后，有效控制了邊坡巖體的快速崩塌。

2.1.2.3 邊坡變形開裂

2011年3月19日，導(dǎo)流洞側(cè)面邊坡高程1 530 m馬道臨時排水渠與上層錨拉板之間出現(xiàn)裂縫，寬約1 cm。該部位前期已出現(xiàn)過開裂，采用回填灌漿封閉，但該裂縫一直處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，寬度呈增大趨勢。截至2011年8月，開挖邊坡上部已全部采用錨拉板進行支護，所有錨索也已施工完成，但該裂縫仍繼續(xù)發(fā)展，其開裂寬度已發(fā)展至最大約0.3～0.5 m。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，邊坡開裂部位為坡、崩積層與基巖交界處附近，下部傾倒蠕變巖體厚20～30 m，邊坡巖土體呈散體結(jié)構(gòu)。分析認(rèn)為，邊坡開裂主要原因為：①邊坡組成物質(zhì)為傾倒蠕變強烈的松散巖體，以散體結(jié)構(gòu)為主，穩(wěn)定條件差。②邊坡部位地下水位埋深較大，但邊坡覆蓋層中存在上層滯水，且七登河溝水從邊坡中部排水渠通過，存在地表水注入地下的情況，造成邊坡一定范圍內(nèi)地下水富集，地表水的入滲以及地下水排泄不暢造成了邊坡巖土體的弱化，且其水壓力對逆向坡巖層產(chǎn)生了較大的力矩作用，導(dǎo)致邊坡變形開裂。③下部邊坡發(fā)生的傾倒崩塌及沉降對上部邊坡形成牽引作用，引起上部巖體傾倒變形的范圍逐步加大，加劇了邊坡的變形和開裂。

經(jīng)復(fù)核，邊坡整體的支護強度滿足邊坡規(guī)范要求，采取的針對性措施如下：①遵循治坡先治水的原則，完善修復(fù)原有的邊坡截、排水系統(tǒng)，同時設(shè)置深40 m的系統(tǒng)排水孔，疏排坡內(nèi)積水，降低坡內(nèi)地下水位。②及時完成下部邊坡支護，防止巖體的快速崩塌及發(fā)展對上部邊坡產(chǎn)生的牽引作用。經(jīng)以上措施處理后，邊坡變形逐步收斂，并至今保持穩(wěn)定狀態(tài)，說明對邊坡變形破壞模式判斷合適，支護措施有效。

2.2 圍堰工程

上游圍堰位于壩軸線上游約300 m部位，堰頂高程1 524 m，枯水期江面寬約45～65 m，水深7～10 m。河谷兩岸地形陡峻，圍堰軸線部位兩岸分布有坡、崩積堆積體，上、下游基巖裸露，為玄武巖，地表露頭以弱風(fēng)化巖體為主。河床沖積層厚27～33 m，滲透系數(shù)為0.1～0.19 cm/s，屬強透水層。下伏基巖的淺表部及兩岸基巖淺表部為中等透水～弱透水。

下游圍堰位于壩軸線下游約480 m，堰頂高程1 489 m，枯期河面寬約50～70 m，水深6～8 m。左岸地形陡峻，地形坡度55°～70°，右岸地形平緩。圍堰兩岸基巖裸露，地層為變質(zhì)火山角(細(xì))礫巖夾變質(zhì)凝灰?guī)r，地表露頭為弱風(fēng)化巖體。河床沖積層厚25～32 m，滲透系數(shù)為0.17 cm/s，屬強透水層。下伏基巖的淺表部及兩岸基巖淺表部為中等透水～弱透水。

上、下游圍堰河床沖積層厚度大，透水性強，且沖積層粗細(xì)顆粒粒徑比值較大，圍堰基礎(chǔ)易發(fā)生管涌型滲透變形破壞。上游圍堰防滲最大深度近60 m，下游圍堰50 m，防滲處理深度大，施工困難且施工周期長，截流后圍堰施工工期緊。采取的針對性措施主要為：①考慮到圍堰防滲處理對象為河床沖積層和人工回填的塊、碎石，且多位于水位以下，設(shè)計采用混凝土防滲墻下接灌漿帷幕方案防滲，混凝土防滲墻采用沖擊鉆造孔法施工。②考慮到河床沖積層及人工回填渣土較松散，且存在部分粒徑較大的孤石、塊石，造孔過程容易產(chǎn)生塌孔，影響施工進度，采取對回填渣土及沖積層進行預(yù)固結(jié)灌漿的措施。目前，防滲墻施工已基本完成，以上措施為后續(xù)工程施工爭取了時間，達到了預(yù)期效果。

3 結(jié) 語

黃登水電站導(dǎo)截流工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，前期勘察基本查明了工程地質(zhì)條件及存在的工程地質(zhì)問題，為工程布置及施工措施設(shè)計提供了依據(jù)。針對施工開挖過程中出現(xiàn)的主要地質(zhì)問題，在現(xiàn)場勘察設(shè)計人員的預(yù)測分析下，及時調(diào)整開挖及支護處理方案，保證了工程施工的順利進行，為后續(xù)各項工程順利施工奠定了堅實基礎(chǔ)。導(dǎo)流洞的運行狀況及各項觀測資料表明，對主要工程地質(zhì)問題的分析判斷及采取的處理措施是合適的。