魚(yú)劍口電站引水隧洞優(yōu)化設(shè)計(jì)

姚世宏,項(xiàng)慶偉

(1.四川安和水利水電工程有限公司,成都,610213;2.重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,重慶,400020)

1 工程概況

魚(yú)劍口水電站位于重慶豐都三建鄉(xiāng)與安寧鄉(xiāng)境內(nèi),是長(zhǎng)江右岸支流——龍河最后一級(jí)梯級(jí)電站。電站為建壩壅水與長(zhǎng)隧洞引水混合式開(kāi)發(fā),主要建筑物有攔河壩、進(jìn)水塔、引水隧洞、調(diào)壓井、電站廠房等,裝機(jī)容量 3×20MW。

引水隧洞是本工程重要引水建筑物,自取水口至調(diào)壓井全長(zhǎng) 7762.75m。隧洞設(shè)計(jì)洞徑6.2m,混凝土襯砌厚度 0.3m～0.6m,隧洞底板高程為 237.80m～220.55m,最大埋深 840m,引用流量 102m3/s,設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力 0.1MPa～0.48MPa。施工采用“鉆爆法”,引水隧洞穿越的巖層以灰?guī)r為主(70%以上),巖溶較發(fā)育,其次為泥灰?guī)r、泥(頁(yè))巖、砂巖。施工中,灰?guī)r洞段出現(xiàn) 7處巖溶大量涌水,泥(頁(yè))巖、泥灰?guī)r洞段有較大的塌方,部分地段拱架變形,給施工帶來(lái)一定困難。

該工程于 2001年8月開(kāi)工,2004年10月5日下閘蓄水,經(jīng)過(guò) 72h運(yùn)行、放空檢查情況良好,并于 2004年10月25日正式并網(wǎng)發(fā)電。

圖 1 魚(yú)劍口水電站樞紐總體平面布置

2 地質(zhì)條件

2.1 地形地貌。施工區(qū)屬中山地貌,中部最高山嶺——方斗山山脊(背斜),海拔高程 1100m～1200m,河床高程為 230m～170m,相對(duì)高差1000m左右。山脊走向?yàn)楸睎| 30°～40°,兩側(cè)呈現(xiàn)“山”字形階梯,中間高兩翼低。區(qū)間內(nèi)溝谷深切,谷內(nèi)常見(jiàn)基巖灘地和跌水,覆蓋較淺。河流、溝槽和山系走向受構(gòu)造控制。

2.2 地層巖性。引水隧洞穿越一套古生界二迭系下統(tǒng)(T1)～中生界三迭系上統(tǒng)(P3)地層,大致可分為三種巖性洞段:灰?guī)r段、巖屑砂巖段、泥灰?guī)r及泥(頁(yè))巖段。隧洞進(jìn)口處為三迭系須家河組(T3Xj)巖屑砂巖洞段,地層最新;隧洞上、下游為雷口坡組(T2L)泥質(zhì)灰?guī)r、泥頁(yè)巖段;隧洞中部為灰?guī)r段,地層為嘉陵江組(T1j)、飛仙關(guān)組(T1f)、長(zhǎng)興組 (P2c)、毛口 組 (P1m)、龍?zhí)督M(P2L)、棲霞組(P1q),最老地層為二迭系下統(tǒng)棲霞組。引水隧洞橫穿方斗山背斜,共穿越八大巖組,兩翼地層基本對(duì)稱一致。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造。本區(qū)基本烈度為 VI度。方斗山背斜為本區(qū)的單一構(gòu)造形跡,背斜軸部與山脊一致。在工區(qū)內(nèi),背斜東南翼(隧洞上游)巖層較陡 ,產(chǎn)狀為 NE20°～ 55°、SE∠35°～ 65°;西北翼(隧洞下游)巖層較緩,產(chǎn)狀為 NE20°～40°、NW、∠30°～55°。核部巖層有明顯撓曲,洞內(nèi)層面不明顯,局部近直立。洞內(nèi)主要發(fā)育 4組裂隙:①NE20°～ 55°SE或 NW∠30°～ 65°層間裂隙;②NW290°～ 330°、SW或 NE∠70°～ 85°。 ③NE70°～80°、SE或 NW∠60°～80°。 ④NW 270°～280°、SW或 NE∠65°～70°,層間裂隙較發(fā)育。

2.4 巖溶。本區(qū)碳酸鹽類巖石分布廣泛,表面的溶溝、溶槽、溶蝕裂隙不明顯或發(fā)育較淺,落水洞、漏斗,水平方向溶洞及暗河數(shù)量不大。巖溶主要分布于背斜軸部及北西翼,出露高程多在 225m～230m;背斜軸部西北翼的“雪玉洞”規(guī)模較大,長(zhǎng)約十幾 km,高或?qū)?10余 m,洞內(nèi)鐘乳石發(fā)育奇特,現(xiàn)已開(kāi)發(fā)為旅游景點(diǎn)。

洞內(nèi)巖溶主要發(fā)育在背斜兩翼的嘉陵江組和軸部的茅口組 ～棲霞組,溶蝕類型為溶蝕 -構(gòu)造和溶蝕型,形態(tài)以溶蝕裂隙、蜂窩狀溶孔為主,其次為溶洞、溶蝕破碎。最大溶洞為背斜北西翼嘉陵江組第四段(T1j4)K7+235m處 φ6m左右,充填粘土,無(wú)水;(T1j1)K 6+500m處 φ3.5m溶洞,大量涌水;K4+767m處溶蝕裂隙,右壁寬 0.6m,雨季大量涌水。

2.5 水文地質(zhì)條件。工區(qū)內(nèi)雨量充沛,多年平均降雨量為 900mm左右,且集中于 4～9月份。

前期推測(cè)方斗山背斜軸部地下水位高程為400m～500m,高于洞線 200m～300m,兩翼水位逐漸降低。施工中除溶蝕裂隙、溶洞段涌水外,其余洞段干燥 ～潮濕,隧洞下游灰?guī)r洞段水量豐富,地下水位在 150m～50m。隧洞中段(背斜軸部)水位在枯水期低于洞底 4m左右,雨季高于洞底1m～5m。地下水類型為巖溶裂隙水和基巖裂隙水,不同巖性的水文地質(zhì)條件差別較大?；?guī)r洞段的地下水集中于巖溶通道,受巖溶發(fā)育程度控制;砂巖段的裂隙水相對(duì)水量較小,泥頁(yè)巖為相對(duì)隔水層,但也存在基巖裂隙水集中出水點(diǎn)。

施工中共出現(xiàn) 7處涌水,下游有 6處,最大的涌水是隧洞中部(樁號(hào) 4+767m處)的寬溶蝕裂隙,最大涌水量約為 300m3/h;其它涌水位置分別為 :2+186m(T1f2),4+767m(P1m),5+510m、5+582m(P2c),6+050m(T1f3),6+706m(T1j2)附近溶蝕裂隙及(T1j1)6+500m處溶洞。

2.6 巖石強(qiáng)度。巖屑砂巖濕抗壓強(qiáng)度一般為51MPa～70.6MPa,薄層灰?guī)r為 30MPa～60MPa,中厚層灰?guī)r大于 60MPa～100MPa;紫紅色砂質(zhì)泥巖夾灰綠色鈣質(zhì)泥巖及頁(yè)巖,抗壓強(qiáng)度 20MPa左右,較濕泥化抗壓強(qiáng)度僅 6MPa～10MPa;泥灰?guī)r抗壓強(qiáng)度一般為 20MPa～40MPa,含泥量高,強(qiáng)度變化大(含泥量較高時(shí)強(qiáng)度較低)。

2.7 圍巖類別。施工前期,根據(jù)隧洞的工程地質(zhì)條件、國(guó)內(nèi)圍巖標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外常用的 Q系統(tǒng),采用 RMR分類方法進(jìn)行了對(duì)比分類?；?guī)r碎屑砂巖段綜合判定為Ⅱ類圍巖;紫紅色泥頁(yè)巖(薄層泥灰?guī)r)段、炭質(zhì)頁(yè)巖(煤層)、碎裂巖為Ⅲ ～Ⅳ類圍巖;巖溶破碎帶沉積填物為Ⅴ類圍巖。

3 襯砌設(shè)計(jì)

魚(yú)劍口電站引水隧洞襯砌形式,是根據(jù)隧洞各段內(nèi)水壓力及地質(zhì)條件選定,并盡可能最大限度的利用圍巖,充分發(fā)揮圍巖的作用。即考慮支護(hù)和襯砌與圍巖的共同作用,同時(shí)考慮水工隧洞的特點(diǎn),加固措施滿足水流摩阻小、水量滲漏損失少的原則。

對(duì)于巖石完整性好的Ⅱ類圍巖,設(shè)計(jì)中曾對(duì)同等水頭損失條件下的幾種斷面型式進(jìn)行了比較分析(見(jiàn)圖 2)。

圖 2 幾種隧洞斷面型式

從圖 1中可以看出,噴混凝土襯砌具有投資省、施工進(jìn)度快、受力結(jié)構(gòu)合理的優(yōu)點(diǎn),但也存在糙率大且難以控制、抗?jié)B性能較差等缺點(diǎn)。由于本引水隧洞為長(zhǎng)隧洞,如噴錨襯砌必須設(shè)置集石坑且經(jīng)常檢修,勢(shì)必會(huì)影響發(fā)電效益。根據(jù)筆者現(xiàn)場(chǎng)感受,對(duì)于中小型電站施工,由于管理不完善,隧洞開(kāi)挖的平整度和噴錨襯砌施工質(zhì)量難以保證,也會(huì)影響發(fā)電效益,因此最終選擇了圓形現(xiàn)澆混凝土襯砌。

對(duì)于巖石完整性差的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖,一次支護(hù)采用噴錨、鋼格柵、鋼拱架,二次支護(hù)采用鋼筋混凝土,襯砌厚度通過(guò)不同的巖石和內(nèi)水壓力計(jì)算確定。鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算采用彈性力學(xué)法,對(duì)彈性抗力分布不作任何假定,將襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算化為非線性常微分方程組的邊值問(wèn)題,采用電算應(yīng)用初參數(shù)法遞推進(jìn)行各工況下襯砌靜力計(jì)算,選擇最不利工況下的內(nèi)力進(jìn)行襯砌配筋計(jì)算,襯砌配筋采用半經(jīng)驗(yàn)半極限方法并結(jié)合新規(guī)范進(jìn)行。

4 巖溶的處理

巖溶發(fā)育洞段主要在方斗山背斜兩翼的嘉陵江組第一段 ～第四段和背斜軸部的茅口組、棲霞組中,圍巖類別為Ⅱ、Ⅲ類,完整性良好,表現(xiàn)型式為溶洞涌水、溶蝕裂隙涌水。

筆者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的處理經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為,對(duì)巖溶洞穴或裂隙規(guī)模較大,特別是有季節(jié)性涌水的巖溶洞穴或裂隙,采用堵、導(dǎo)、排等措施是行之有效的。盡可能在保持原有地下水動(dòng)力環(huán)境不變的情況下,通過(guò)調(diào)整襯砌和加強(qiáng)對(duì)圍巖的錨固和固結(jié)灌漿,使圍巖與襯砌成為整體來(lái)共同承擔(dān)外水壓力。

引水隧洞樁號(hào) K6+706m為比較典型的溶洞涌水。該段隧洞圍巖為三迭系嘉陵江組第二段(T1j2)底部中厚層灰?guī)r與深灰色厚層含礫泥質(zhì)灰?guī)r (質(zhì)較軟 ),巖層產(chǎn)狀為 NE43°NW∠45°,在兩巖層界面處出現(xiàn)一條環(huán)洞層間溶蝕裂隙,寬0.5cm～3cm,充填巖屑及黃泥,左壁頂拱流水,水量 1L/min～2L/min。附近層間裂隙間距 1m～4m,主要充填巖屑、方解石脈,沿裂隙滴水。由于礫泥質(zhì)灰?guī)r強(qiáng)度低且水量較大,設(shè)代人員將圍巖由Ⅱ類變更為Ⅲ類,施工對(duì)該段進(jìn)行了錨網(wǎng)噴護(hù)處理。當(dāng)繼續(xù)施工開(kāi)挖距該處 30m時(shí),發(fā)現(xiàn) 6+706m處的溶蝕裂隙在左壁洞頂出現(xiàn)異常的黃水,流量增大,幾小時(shí)后發(fā)生塌落(高 1m、面積 2.5m×3m),大量地下水及泥漿涌出,最大涌水持續(xù)1h～2h,涌出泥漿及黃水近萬(wàn) m3;隨后水量減小,經(jīng) 26d的清淤、排水、加固頂拱后恢復(fù)施工,施工期間流水量仍保持在 20L/min～60L/min,受降雨影響變化較大。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,在溶洞口四周布置短錨筋固定鋼管,在鋼管與巖石之間先用速凝砂漿封堵,然后用 C15混凝土回填澆筑封堵;封堵后水流可通過(guò)鋼管集中流出,不影響隧洞的開(kāi)挖;最后接導(dǎo)流鋼管至支洞口排出,保持原有的地下水動(dòng)力環(huán)境。

根據(jù)埋深判斷,外水壓力約 150m,僅靠原襯砌(厚度為 30cm素 C20混凝土)不能滿足要求,根據(jù)計(jì)算將襯砌調(diào)整為厚 30cm的 C25鋼筋混凝土,同時(shí)增加系統(tǒng)錨桿并與內(nèi)側(cè)受力筋焊接在一起,共同承擔(dān)外水壓力,最后加強(qiáng)固結(jié)灌漿處理。

5 襯砌反縫處理

隧洞由于線路比較長(zhǎng),為縮短施工工期,襯砌采用了先襯邊頂拱后襯底拱的方式進(jìn)行,在邊頂拱底部形成了一條反縫,如反縫處理不好,極易形成通縫及滲水通道,削弱襯砌的整體性,改變隧洞計(jì)算的邊界條件。所以,必須選擇恰當(dāng)?shù)奶幚矸桨?以保證隧洞安全。

根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦的方案,反縫處理采用預(yù)留鍵槽,預(yù)埋止水片并對(duì)反縫進(jìn)行灌漿。但實(shí)際操作中,由于預(yù)留鍵槽、預(yù)埋止水片增加了施工難度,考慮到隧洞承受的內(nèi)水壓力為 0.1MPa～0.48MPa,屬于中低水頭,故未設(shè)置鍵槽,在襯底拱前反縫設(shè)置,采用遇水膨脹止水條來(lái)替代止水片,待襯砌完成后對(duì)反縫灌漿處理,并對(duì)迎水面反縫處開(kāi)一寬 8cm、深 3cm～5cm的槽,用預(yù)縮砂漿處理,經(jīng)實(shí)踐達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖 3 反縫縫面處理

6 小結(jié)

6.1 水工隧洞是在巖體中開(kāi)挖而形成的洞室,所以隧洞主體的圍巖,必須充分利用圍巖自身抗力,襯砌的作用僅是加固圍巖及滿足水力學(xué)的要求。

6.2 對(duì)巖溶管道、暗河、涌水地段,外水壓力按大部分水頭作用考慮,有壓隧洞對(duì)巖溶洞穴及管道須作特殊處理外,并可通過(guò)固結(jié)灌漿和增加系統(tǒng)錨桿充分利用圍巖分擔(dān)內(nèi)水壓力,從而減小襯砌厚度,節(jié)省工程投資,并疏通原排水通道或另設(shè)排水設(shè)施,實(shí)踐證明效果良好。

6.3 實(shí)踐證明,在中低水頭、直徑不大的有壓引水隧洞邊頂拱反縫處理中,可以用遇水膨脹止水條代替止水片,反縫縫面作預(yù)縮砂漿處理后,可以減少滲水量,減輕鋼筋的銹蝕,增長(zhǎng)襯砌的使用壽命。

6.4 整個(gè)魚(yú)劍口電站引水隧洞的設(shè)計(jì)是成功的,充分考慮了巖溶地區(qū)有壓隧洞襯砌設(shè)計(jì)的特點(diǎn),對(duì)不同洞段的地質(zhì)情況選用不同的襯砌形式,對(duì)施工中遇到的特殊問(wèn)題作出了相應(yīng)的處理設(shè)計(jì),為電站的順利發(fā)電創(chuàng)造了條件。