新疆奎屯河引水工程新龍口電站豎井施工方案探究

徐向東

(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，新疆 石河子 832000)

0 引言

新龍口水電站廠址區(qū)位于新龍口渠首下游奎屯河出山口右岸，處于中山區(qū)與山間洼地兩地貌單元交界位置，地勢南高北低?？秃雍庸仍谠摱纬省癠”字型，平坦、開闊，現(xiàn)代河床寬160～200 m，高程968～980 m，縱坡1.2%。河谷兩岸陡立，為數(shù)百米高的陡崖，由于長期的風化剝蝕、雨水沖刷作用，形成溝壑密集的沖蝕地貌。在實際施工中，還需要嚴格按照施工方案加以處理。

1 項目概況

新龍口電站，設計引水流量48.5 m3/s，新龍口電站裝機140 MW，主要由泄水陡坡、前池、壓力管道和廠房等主要建筑物組成。前池、泄水陡坡、壓力鋼管、電站廠房為2級建筑物；其他臨時建筑物為4級。

2 隧洞布置方案咨詢

3 計算模型咨詢

經與武漢大學水利水電學院咨詢，由于豎井地層巖性為下更新統(tǒng)(Q1X)西域礫巖，不是純粹的巖石，在運行期內水壓力的作用下不足以提供足夠的圍巖支撐，且存在遇水軟化的問題。建議采用臨時支護解決施工期掉渣和圍巖穩(wěn)定問題，采用一次襯砌解決施工期結構穩(wěn)定和設備布置問題，由鋼管單獨承受內水壓力，不在管壁開孔進行回填灌漿和接觸灌漿，采用一次襯砌和二次襯砌聯(lián)合承受外力[2]。

3.1 結構設計

豎井自管道向外結構依次為：鋼管+70 cm厚C25回填鋼筋砼+45 cm厚C30鋼筋砼一次襯砌+型鋼拱架支護(掛網+10 cm厚C25砼噴護)，開挖洞徑6.60 m。

3.2 結構穩(wěn)定數(shù)值模擬分析

3.2.1 支護時機初判

經過數(shù)值模擬分析可知，圍巖應力釋放55%～60%時，圍巖變形尚在可控范圍內，可考慮進行鋼拱架、噴錨等初期支護的架設[3]。

3.2.2 施工期結構穩(wěn)定分析

初期支護考慮鋼拱架、噴層、錨桿和一次襯砌，按照不同的支護施作時機設計方案，將各支護方案的圍巖變形和塑性區(qū)深度結果、支護結構的施加情況和工作性能列詳見下表1。

分析以上各方案計算結果，可以得出以下結論：方案SG04在開挖后圍巖應力釋放80%時進行鋼拱架及噴錨支護，即初期支護落后于掌子面2 m施作；應力釋放90%時施加45 cm厚鋼筋混凝土襯砌，即襯砌落后于掌子面4 m施作。支護完成后圍巖最大變形為6.0 cm，最大塑性區(qū)深度1.33 m，圍巖變形在可控制范圍內，且鋼拱架、錨桿及一次襯砌工作性能良好[4]。

3.2.3 運行期結構穩(wěn)定分析

選擇上述部分方案進行分析，具體見表2。

分析以上各方案計算結果，可以得出以下結論：對于方案YX01和方案YX02可知，襯砌承擔部分圍巖應力，對襯砌結構在運行期的安全性更有利。在方案YX01、方案YX02、方案YX03中，內襯鋼板分別分擔60.8%、75.6%、63.7%的內水荷載，鋼襯應力均滿足設計要求。

3.3 井筒抗滑穩(wěn)定分析

一次襯砌井筒抗滑摩擦力根據(jù)《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》(JTGD63-2007)鉆(挖)孔灌注樁的承載力進行計算，其容許值：

(1)

qr=m0λ[[fao]+k2γ2(h-3)

(2)

式中：[Ra]為單樁軸向受壓承載力容許值(kN)；樁身自重與置換土重(當自重計人浮力時，置換土重也計人浮力)的差值作為荷載考慮；U為樁身周長(m)；Ap為樁端截面面積(m2)，對于擴底樁，取擴底截面面積；n為土的層數(shù)；li為承臺底面或局部沖刷線以下各土層的厚度(m)，擴孔部分不計；qik為與li對應的各土層與樁側的摩阻力標準值(kPa)；qr為樁端處土的承載力容許值(kPa)；h為樁端的埋置深度(m)；γ2為樁端以上各土層的加權平均重度(kN/m3)；λ為修正系數(shù)；

表1 施工期各方案計算結果

表2 運行期各方案計算結果

表3 豎井井筒抗滑穩(wěn)定計算表

通過利用結構穩(wěn)定數(shù)值計算模型進行計算，我們獲得了新龍口電站豎井井筒抗滑穩(wěn)定結構設計的相關數(shù)據(jù)(如表3所示)，為后期制度科學的施工方案提供數(shù)據(jù)參考。

3.4 豎井施工技術方案

豎井施工技術主要有沉井法、凍結法、TBM施工、防滲墻法、鉆井法。

3.4.1 沉井法

對于松散的地質條件，開挖過程中無法采用錨索或錨桿、錨筋束輔以噴射混凝土等臨時支護方式加固井壁，成孔困難，沉井法優(yōu)勢比較突出，采用沉井法施工，可以將開挖時臨時支護措施和井筒永久結構相結合，合二為一，能有效避免井壁坍塌，大大降低安全風險。

由于新龍口電站壓力管道豎井深度216 m，能否順利下沉需要進行論證；另一方面若沉井順利下沉，則標識著豎井重量集中向下傳導致井底，而井底地基承載力允許值為1 000 kPa，地基承載力也無法滿足要求。因此綜合考慮，暫不選擇沉井法。

3.4.2 鉆井法

水利工程中所采用的鉆井法通常為反井鉆機法，即反井鉆機自上而下鉆導孔，再通過反向刀盤自下而上擴孔成井，導井貫通以后，利用導井作為溜渣孔，再自上向下采用人工鉆爆法擴大到設計斷面，擴大過程進行必要的臨時支護，再進行混凝土襯砌。

新龍口電站壓力管道豎井而言，該種施工方法施工的先決條件為下平洞貫通，能夠底部出渣，同時由于豎井地層巖性為下更新統(tǒng)(Q1X)西域礫巖，溜渣過程中產生的擾動對豎井穩(wěn)定的影響無法預估，因此不選擇該方案。

3.4.3 開挖、砌壁混合作業(yè)方式

混合作業(yè)方式，掘進和砌壁工序在一個循環(huán)段內先后(少量工作有一定交叉)進行。這種作業(yè)方式的突出特點是不省時、省事、省錢；永久井壁緊跟掘進工作面，安全程度是各作業(yè)方式之冠；缺點是永久井壁接碴較多。

通過綜合分析，采用臨時支護解決施工期掉渣和圍巖穩(wěn)定問題，采用一次襯砌解決施工期結構穩(wěn)定和設備布置問題，由鋼管單獨承受內水壓力，采用一次襯砌和二次襯砌聯(lián)合承受外力的模型是合理的，采用開挖、砌壁混合作業(yè)方式施工技術也是安全、可行的。

4 結語

引水工程中的豎井施工是整個電站工程重要的施工內容之一，其施工的安全性、科學性直接影響整個電站工程的質量，因此必須要結合客觀、主觀因素選擇合理施工技術來完成，以此來保證電站的可持續(xù)安全運營。本文通過新疆奎屯河引水工程新龍口電站豎井施工方案的分析，利用具體的計算模型咨詢分析，從而明確相應的施工方案，以便后續(xù)施工能夠順利開展。