大崗山水電站廠房頂拱塌方處理研究與實(shí)踐

張學(xué)彬

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司,四川成都 610081)

1 概 述

大渡河大崗山水電站位于四川省雅安市石棉縣挖角鄉(xiāng)境內(nèi)的大渡河中游干流上,裝機(jī) 4臺(tái),容量共計(jì) 260萬(wàn) kW,正常蓄水位高程 1130m,壩頂高程 1135m。電站由攔河混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)組成。其中引水發(fā)電建筑物由電站進(jìn)水口、4條壓力管道、地下廠房、主變室、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、尾閘室及尾水出口等組成。

圖 1 廠方開(kāi)挖示意圖

主廠房頂拱跨度 30.8m,最大高度 73.78m,總長(zhǎng)度 226.58m,從左至右依次為安裝間、1～4#主機(jī)間、副廠房。廠房頂拱高程 991.80m,機(jī)組安裝高程944.50m,尾水管底板開(kāi)挖高程 918.02m。

主廠房采用分層分區(qū)開(kāi)挖,共分 10層,如圖1所示。主廠房第一層分三個(gè)區(qū)開(kāi)挖,施工順序:貫通中導(dǎo)洞(中導(dǎo)洞頂拱Ⅰ—①區(qū)擴(kuò)挖及支護(hù)上、下游側(cè)Ⅰ—②區(qū)擴(kuò)挖及支護(hù)Ⅰ—③區(qū)開(kāi)挖。

主廠房于 2008年 8月 1日開(kāi)工,首先進(jìn)行中導(dǎo)洞開(kāi)挖,繼之為頂拱及兩側(cè)擴(kuò)挖。至 2008年12月 15日,除中導(dǎo)洞及Ⅰ—①區(qū)全部完成外,Ⅰ—③區(qū)上游側(cè)已完成樁號(hào)廠(橫)0+070.00～廠(橫)0+133.00,其余部位尚未擴(kuò)挖,如圖 2所示。

圖 2 塌方前廠房形象面貌圖

2 工程地質(zhì)情況

樞紐區(qū)兩岸山體雄厚,谷坡陡峻,基巖裸露,引水發(fā)電建筑物布置于左岸,主廠房垂直埋深390～520m,水平埋深 310～530m。山體自然坡度為 40°～65°,坡面有小溝發(fā)育,切割較淺,地形較完整。

引水發(fā)電系統(tǒng)基巖巖性為灰白色、微紅色黑云二長(zhǎng)花崗巖(r24-1),具中粒結(jié)構(gòu),有輝綠巖脈(β)、花崗細(xì)晶巖脈(rL)、閃長(zhǎng)巖脈(δ)等各類(lèi)巖脈穿插發(fā)育于花崗巖中,尤以輝綠巖脈分布較多。

主廠房巖性為灰白色、微紅色中粒黑云二長(zhǎng)花崗巖,有 β6、β80、β81輝綠巖脈穿插?；◢弾r新鮮堅(jiān)硬,較完整,地應(yīng)力量值1=11.37～22.19MPa,屬中-高地應(yīng)力量級(jí),洞室以Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖為主,圍巖基本穩(wěn)定,受巖脈與斷層的不利切割,局部穩(wěn)定性差。

主機(jī)間 3#、4#機(jī)組及副廠房段(即塌方部位)的巖性仍為花崗巖,穿插有 β132、β80、βc2、β81四條輝綠巖脈,構(gòu)造形式以斷層和節(jié)理裂隙為特征,有五條斷層。

β80輝綠巖脈,總體產(chǎn)狀 N15°E/NW∠50°～N25°W/SW∠65°,上游壁一帶產(chǎn)狀 N15°E/NW∠50°起伏,頂拱上游側(cè)巖脈出露于廠(橫)0+132.5～廠 (橫)約 0+137.5,頂拱中心線巖脈位于廠(橫)0+147.5～廠 (橫)0+151.5,頂拱下游側(cè)該巖脈位于廠(橫)0+148～廠 (橫)0+154,巖脈寬 3～4m,局部夾有花崗巖透鏡體,斷層式接觸;沿巖脈上界面發(fā)育 f57斷層,寬 10cm,由片狀巖、碎粉巖組成,屬巖屑夾泥型;沿巖脈下界面發(fā)育 f58斷層,寬 20～30cm,由片狀巖、碎粉巖組成,屬巖屑夾泥型;β80巖脈及內(nèi)部的花崗巖透鏡體均構(gòu)成斷層影響帶,呈碎裂結(jié)構(gòu)。廠區(qū)巖脈分布見(jiàn)圖 3。

圖 3 廠區(qū)巖脈分布圖

3 塌方發(fā)生經(jīng)過(guò)

2008年 12月 16日 12時(shí)爆破后,廠 (橫 )0+135.00～0+150.00段出現(xiàn)掉塊,12時(shí) 30分掉塊嚴(yán)重,12時(shí) 55分頂拱偏上游垮塌規(guī)模已較大,在已完成開(kāi)挖的廠(橫)0+121.00～0+160.00段形成順廠軸線的堆積體。至 12月 17日堆積體仍在擴(kuò)大,到 17日 20時(shí)左右,大量塌方基本停止,12月 18日至 20日有零星掉塊、碎屑流;12月 21日堆積體基本趨于穩(wěn)定。圖 4為塌方初期及基本穩(wěn)定時(shí)的情形。

圖 4 塌方初期及基本穩(wěn)定的情形示意圖

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,塌方堆積體在頂拱塌方口下形成圓錐體,錐體底邊長(zhǎng) 39.24m(順廠軸方向廠(橫)0+120.76 ～ 0+160.00)、寬 17.80m(廠(縱)0-005.00 ～0+012.80)、高約 10m(高程982.15～991.55),方量約 3569m3。堆積體頂部長(zhǎng)約 15m,寬 4.0～5(圖 5)。堆積體系塊碎石,其成分為花崗巖、輝綠巖,其粒徑以 0.05～0.2及0.5～1.0為主,個(gè)別大于 1m。β80巖脈上盤(pán)多為較大粒徑的片、塊碎石,巖面粗糙、干燥、新鮮、無(wú)水、弱風(fēng)化,巖脈下盤(pán)多為小粒徑塊碎石、細(xì)沙,少泥。

圖 5 實(shí)測(cè)塌方堆積體平面圖

為了解頂拱孔口以上塌腔的位置、形態(tài)、塌腔內(nèi)殘留塊碎石堆積體體積,考慮過(guò)多種辦法。由于廠房垂直埋深大(400余 m),不可能從廠房頂向下探測(cè),只能從塌方孔口的臨空面和上游排水廊道等處鉆探測(cè)孔、灌漿孔等 33個(gè)進(jìn)行探測(cè),總深度 548.6m,據(jù)此得出塌腔的大體位置、形狀,腔體邊緣推測(cè)線和殘留腔內(nèi)未塌下的塊碎石體體積。塌腔體型呈倒置的、偏向廠房左側(cè)(安裝間)的不規(guī)則葫蘆狀體,且沿 β80巖脈走向分布,塌腔孔口長(zhǎng)約 14m,寬約 4～7.5m,塌腔中部(高程 1005.00～1010.00m)長(zhǎng)約 22m,寬 18.4 m,塌腔高約 33.0m,頂部高程 1024.00～1022.00m。腔內(nèi)殘留塊碎石體頂面高程約 1004.00～1010.00m,即從孔口以上 14.0～ 20.0m,估計(jì)約 3500m3(圖 6)。

圖 6 塌方體形狀圖(拱頂以上)

4 塌方原因分析

塌方發(fā)生后,監(jiān)理緊急組織參建各方并邀請(qǐng)專(zhuān)家研究塌方成因及處理方案,經(jīng)多次討論,各方一致認(rèn)為塌方產(chǎn)生的原因主要為:

(1)塌方前對(duì) β80輝綠巖脈擠壓破碎帶的位置、形態(tài)、規(guī)模、破碎帶結(jié)構(gòu)等參數(shù)的認(rèn)識(shí)是模糊的,不太明確且沒(méi)有鉆探資料,只是按一般的破碎帶來(lái)對(duì)待,而不知在主副廠房頂拱上隱藏著未探明的、充滿(mǎn)擠壓破碎巖塊的巨大腔體,因而未能采取相應(yīng)的措施。

(2)在廠房中導(dǎo)洞和頂拱開(kāi)挖完成后,緊接著挖 3#、4#機(jī)組及副廠房上游側(cè),減小了臨空面與塌腔的距離,形成了一層薄殼。從塌落下來(lái)的巖塊看,薄殼厚度約 1～2m,這樣的薄層巖體,在約 30m高的塌腔內(nèi)塊碎石的強(qiáng)大壓力下,其本身就處于臨界狀態(tài),加之爆破震動(dòng),圍巖薄殼龜裂,誘發(fā)塌方。

(3)塌方前沒(méi)有明顯征兆,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)沒(méi)有明顯突變,對(duì)巖脈僅采取常規(guī)的處理方法,如超前錨桿、噴混凝土、短進(jìn)尺開(kāi)挖等,沒(méi)有意識(shí)到其存在著巨大的潛在危險(xiǎn)。

5 處理措施

5.1 塌方處理思路

對(duì)于塌方如何處理,經(jīng)過(guò)反復(fù)研究、實(shí)踐、改進(jìn),取得了一致的認(rèn)識(shí),按照分期分階段的思路分兩期進(jìn)行處理:

(1)塌方一期處理:為防止塌方勢(shì)態(tài)的進(jìn)一步擴(kuò)大,先不把塌下來(lái)的碴體挖除,而是將塌方碴堆固結(jié)形成支撐結(jié)構(gòu),并對(duì)塌腔及周邊影響范圍進(jìn)行加固處理;

(2)塌方二期永久加固:塌方一期加固完成后,塌方段頂拱保證了初期穩(wěn)定。為了保證廠房頂拱的永久穩(wěn)定和安全,采用系統(tǒng)固結(jié)灌漿、雙層鋼拱架、錨索等措施對(duì)塌方體進(jìn)行加固。

一期工程自 2008年 12月 20日開(kāi)始,至 2009年 3月 30日基本結(jié)束;二期處理工程自 2009年 3月 31日開(kāi)始至同年 10月 26日結(jié)束,塌方補(bǔ)灌自2010年 2月 8日至同年 4月 30日,歷時(shí)一年零四個(gè)月。

5.2 一期應(yīng)急處理措施

(1)為防止再次塌方,暫停了主副廠房的開(kāi)挖施工,鄰近的主變室開(kāi)挖掌子面應(yīng)距離塌方區(qū)100m以上,且嚴(yán)格控制單響藥量,防止震動(dòng)剛趨于穩(wěn)定的塌方部位。

(2)采用麥斯特噴漿車(chē)噴 10cm厚 C25混凝土對(duì)已塌下來(lái)的堆碴圓錐體表面進(jìn)行固結(jié)封閉,以穩(wěn)定堆積體形態(tài),利用堆碴對(duì)頂拱形成支撐。

(3)由遠(yuǎn)及近布設(shè) φ32L=9m和 φ28L=6 m,間排距 1.5m×1.5m加強(qiáng)錨桿、安裝 Ia20間距 0.75m的 20#工字鋼型鋼拱架,并噴 C25混凝土 20cm厚等對(duì)塌腔周?chē)膰鷰r進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)(圖 7)。

(4)鉆探測(cè)孔和固結(jié)灌漿孔以探明塌腔的情況,為下一步采取措施提供依據(jù)。

(5)恢復(fù)被塌方損壞的監(jiān)測(cè)儀器,為了解塌方變形和穩(wěn)定狀態(tài)提供可靠的數(shù)據(jù)。

圖 7 系統(tǒng)支護(hù)及塌方口頂拱支護(hù)圖

(6)對(duì)塌腔內(nèi)的碴體進(jìn)行初步固結(jié)灌漿。用多臂鉆和 100B潛孔鉆從 β80巖脈兩側(cè)和下游側(cè)向空腔鉆孔,孔徑為 76mm,孔深 9～12m,分段灌漿,灌漿壓力為 0.15～0.2MPa,水灰比為 1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1。由于腔內(nèi)碴體松散,鉆孔中多次塌孔,只能鉆一段、灌一段,掃孔后再灌;同時(shí)吃漿量過(guò)大,只有灌灌、停停。

(7)布設(shè)小花管。當(dāng)型鋼拱架支撐施工到塌腔口時(shí),先安裝型鋼拱架,在型鋼拱架上打入一排φ50小花管,間距 0.3m,L=6.0m,再進(jìn)行花管灌漿,灌漿壓力為 0.5MPa。

(8)布設(shè)大花管,結(jié)構(gòu)如圖 8所示。在塌腔左右兩端增設(shè)由大花管形成的管棚。因在挖除塌方碴體的初期塌方堆碴高度大,反鏟挖除時(shí)一次進(jìn)尺 1.0～1.5m,而原設(shè)計(jì)要求的 6m小花管較短,塌腔內(nèi)碴體隨之塌落,不能前進(jìn)。經(jīng)反復(fù)研究,提出布置大花管方案,大花管采用 φ114、δ=7 mm的無(wú)縫鋼管,L=9～13m,間距 0.8m,仰角15°～20°,采用 100B潛孔鉆將腔外巖體成孔(φ130),裝入大花管,用沖擊錘將大花管打入空腔內(nèi),使用混凝土泵灌注 M30砂漿。大花管一端支撐在鋼拱架上,另一端嵌入腔體內(nèi)未塌落的碴體中,形成一個(gè)強(qiáng)有力的懸挑管棚。

圖 8 大花管結(jié)構(gòu)圖

(9)挖除塌方堆積體。在固結(jié)灌漿完成、初期拱架、小花管管棚完成一段后,先用反鏟自安裝間側(cè)向副廠房短進(jìn)尺(1～1.5m)平推挖除塌方體,在第一次挖除時(shí),剛挖除一段(1～1.5m)塌腔內(nèi)的石碴,又塌落了 200余 m3,說(shuō)明塌腔內(nèi)石碴通過(guò)初步灌漿、小花管管棚施工并未完全固結(jié),還不具備塌方堆積體挖除條件,經(jīng)反復(fù)研究和試驗(yàn),采取了以下措施:

①塌方體空腔周邊采用大花管再次加固。為加強(qiáng)塌方體腔口穩(wěn)定,沿塌方體腔口增加了兩排 φ114、δ=7mm、L=9m的大花管,仰角 15°～20°,間距 0.6m,排距 0.8～1.2m。用沖擊錘將大花管貫入,灌注水泥漿;

②將堆碴體開(kāi)挖成 1～2個(gè)臺(tái)階,降低空間高度,減緩碴堆坡度,以利穩(wěn)定;

③碴體開(kāi)挖立即采用麥斯特噴車(chē)噴護(hù) C25鋼纖維混凝土,及時(shí)對(duì)塌腔上部穩(wěn)定的碴體進(jìn)行封閉;

④鋼拱架隨后跟進(jìn)并向下延伸至底部,噴C25素混凝土將鋼支撐拱架全部覆蓋,形成承重體系。

如此實(shí)施,碴體挖除取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展,隨后又從副廠房側(cè)兩端同時(shí)開(kāi)挖,經(jīng)過(guò)兩個(gè)多月的艱苦努力,終于挖通了被塌方堵塞的主副廠房,完成了一期處理任務(wù)。

一期加固項(xiàng)目完成以后,塌方段頂拱形成了穩(wěn)定的初期支護(hù),為二期處理提供了安全的施工環(huán)境。

5.3 二期永久處理

設(shè)計(jì)單位根據(jù)塌方空腔體的資料,對(duì)塌方處理方案進(jìn)行了計(jì)算分析研究,考慮到該部位對(duì)廠房下部施工和工程永久安全運(yùn)行的重要性,結(jié)合一期處理的措施,提出了二期永久處理方案。

(1)對(duì)塌腔體內(nèi)的碴體實(shí)施系統(tǒng)固結(jié)灌漿,灌漿孔間排距為 2m×2m,徑向孔深 9m,以期將腔內(nèi)碴體固結(jié)成較厚的穩(wěn)定層。

灌漿采用自孔口向孔底分段灌漿法,孔內(nèi)循環(huán),段長(zhǎng)3m,分序加密(Ⅲ序),灌漿壓力為孔口段0.5MPa,其余段不大于 1.0MPa(后改為 1.5 MPa)。漿液配合比采用 2∶1,1∶1,0.5∶1三個(gè)比級(jí)。

固結(jié)灌漿質(zhì)量檢查采用巖體聲波測(cè)試,不小于 2500m/s,同時(shí)應(yīng)用單點(diǎn)法作壓水試驗(yàn),合格標(biāo)準(zhǔn)為 85%的試驗(yàn)段不大于 5Lu,其余不大于 7 Lu,且分布不集中。

(2)布置鋼筋網(wǎng)及第二層工字鋼拱架。為了加強(qiáng)型鋼拱架的承載能力和頂拱的整體性,在一期支護(hù)的基礎(chǔ)上,再增加了一層 φ20@30cm×30 cm鋼筋網(wǎng),實(shí)施第二層 20#工字型鋼支撐拱架,再?lài)姾?25cm的混凝土。

(3)對(duì)塌方段實(shí)施錨索加強(qiáng)支護(hù)(圖 9)。錨索設(shè)計(jì)噸位為 180t,塌方口范圍錨索張拉鎖定值為 50t,其余為 150t。

圖 9 塌方口錨索支護(hù)平面構(gòu)圖

(4)在塌腔范圍內(nèi)加密排水孔,孔徑 76mm,孔深 12m,間排距 2.5m×2.5m。二期處理體現(xiàn)了多層次立體加固塌方部位巖體,確保了塌方段的永久穩(wěn)定。

5.4 塌方固結(jié)灌漿復(fù)灌

(1)復(fù)灌緣由。

2009年 11月,設(shè)計(jì)方為了進(jìn)一步了解塌腔內(nèi)殘留的破碎巖塊堆積體在固結(jié)灌漿后的質(zhì)量情況,進(jìn)行了鉆孔取芯、孔內(nèi)攝像、聲波測(cè)試等,檢測(cè)資料表明:孔口以上(仰孔)6m內(nèi)水泥漿結(jié)石體和巖塊固結(jié)體密實(shí)和基本密實(shí),6～9m段碴體松散,水泥漿少或無(wú),未達(dá)到設(shè)計(jì)要求,需復(fù)灌。分析原因:①設(shè)計(jì)灌漿壓力過(guò)小。因是仰孔,灌漿泵距灌漿孔底部 24m,壓力達(dá)不到;②灌漿過(guò)程中,按一般地質(zhì)要求限流限量待凝,而塌腔體內(nèi)巖塊間空隙大,灌漿通道在停灌期間堵塞;③因是仰孔,漿液到達(dá)頂面卸壓后由于重力作用向下沉淀,從而造成孔頂部少漿或無(wú)漿。

(2)補(bǔ)灌措施。

在廠房第四層頂面(高程 967.20m)搭設(shè) 25 m高的滿(mǎn)堂腳手架平臺(tái),在該平臺(tái)上向廠房頂拱仰向固結(jié)灌漿,灌漿范圍主要在塌腔內(nèi),灌漿參數(shù)為:孔間排距 1.5m×1.5m,梅花形布置,孔徑為76mm,孔向垂直于巖石,孔深 13m,分兩序,每孔分成 6m、3m、4m三段,自下而上分段孔內(nèi)循環(huán)灌漿;灌漿壓力:一序孔孔口段 0.5MPa,二、三段2.0MPa,二序孔孔口段 1.0～1.5MPa,二、三段仍為 2.0MPa。漿液水灰比為 3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1,灌漿過(guò)程中不間歇,直至達(dá)到灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

(3)補(bǔ)灌成果。

塌方體 9m范圍的拱圈灌漿密實(shí),灌后 7個(gè)壓水試驗(yàn)孔的透水率均符合設(shè)計(jì)要求;4個(gè)取芯孔孔內(nèi)灌漿結(jié)石明顯,部分孔由于巖體較為破碎,芯樣獲取率較低;在塌方體補(bǔ)灌范圍內(nèi)布設(shè)的 7個(gè)孔內(nèi)攝像資料齊全,圖像清晰;1個(gè)聲波檢測(cè)孔平均波速為 2586m/s,符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)一年多時(shí)間的奮戰(zhàn),大崗山水電站主副廠房較大規(guī)模的塌方處理終于結(jié)束,為廠房的永久安全提供了保障。通過(guò)此次塌方處理實(shí)踐,筆者總結(jié)出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

(1)地下洞室大塌方發(fā)生后,先不進(jìn)行塌方體挖除,而對(duì)塌方體固結(jié)形成支撐體,可以防止塌方規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。

(2)對(duì)塌方體周?chē)鷩鷰r進(jìn)行加固處理后,對(duì)塌方體挖除必須分臺(tái)階、短進(jìn)尺進(jìn)行,可減小二次塌方的規(guī)模。

(3)采用大花管灌漿穩(wěn)定塌腔內(nèi)松散石碴是本工程一期處理最關(guān)鍵、最有效的施工措施。

(4)要達(dá)到塌腔內(nèi)松散石碴完全固結(jié)的效果,固結(jié)灌漿要分期進(jìn)行。