天花板水電站引水隧洞設(shè)計(jì)

張 杰，何 敏，蔣逵超，常 躍

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，北京 100024）

天花板水電站引水隧洞全長(zhǎng) 2 514.01 m，引用流量 232.4 m3/s，采用圓形斷面，內(nèi)徑 8.2 m，采用鋼筋混凝土襯砌，隧洞縱坡為0.5%。沿線Ⅳ、Ⅴ類圍巖段長(zhǎng)度達(dá)到總長(zhǎng)度的54.93%，開(kāi)挖洞徑最大10.2 m，在開(kāi)挖中遇到了塌方段。隧洞規(guī)模較大，有一定設(shè)計(jì)難度。

1 隧洞地形、地質(zhì)條件及布置

引水隧洞前半段 （樁號(hào)Y0±000.00～Y0+342.00）地形起伏較大，且發(fā)育有深切溝谷，上覆巖體厚度為 70～670 m； 后半段 （樁號(hào) Y0+342.00～Y2+514.00 m）地形較平緩，無(wú)沖溝深切，上覆巖體厚度為50～280 m。沿江側(cè)向山體厚度為150～450 m。

樁號(hào)Y0±000.00～Y1+647.00段巖性為震旦系上統(tǒng)東龍?zhí)督M中厚層至厚層狀粉晶質(zhì)白云巖；樁號(hào)Y1+647.00～Y2+514.00段為澄江組長(zhǎng)石石英砂巖、巖屑石英砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖，局部見(jiàn)軟弱夾層。

引水隧洞沿線東龍?zhí)督M白云巖產(chǎn)狀為NE54°SE∠17°，屬于單斜構(gòu)造；澄江組砂巖產(chǎn)狀為NE62°SE∠73°，傾角較陡，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，斷裂發(fā)育有f2、 f7、 f10、 f15、 f16、 f17和 f18。 在白云巖和石英砂巖間有1條角度不整合接觸帶，接觸帶內(nèi)巖性為巖溶角礫巖，大部分巖體為鈣質(zhì)膠結(jié)，巖體強(qiáng)度較低且很破碎。隧洞軸線基本上與巖層走向近正交。裂隙主要發(fā)育有： ①NW310°NE∠86°； ②NE30～40°NW∠80°； ③ NW305°SW ∠80°； ④ NW275～280°NE∠85°。

隧洞沿線白云巖順層面發(fā)育溶蝕裂隙，地下水為巖溶水；砂巖中發(fā)育基巖裂隙水。地下水位埋藏較深，地下水位多在隧洞頂拱以上，巖體為中等透水巖體。隧洞大部分為深埋隧洞，其中Ⅲ類圍巖長(zhǎng)1 133.00 m，占 45.07%；Ⅳ類圍巖長(zhǎng) 1 087.00 m，占43.24%；Ⅴ類圍巖長(zhǎng)294.00 m，占11.69%。

引水隧洞布置于河道右岸，為減小洞線長(zhǎng)度，基本采用順河道裁彎取直布置。即：隧洞樁號(hào)Y0±000.00～Y0+075.97段緊鄰進(jìn)水口，為直線段，走向NW354.06°； 樁號(hào) Y0+075.97～Y0+100.70 段為轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎半徑41.00 m，轉(zhuǎn)彎角度34.56°；樁號(hào)Y0+100.70～Y2+514.01段為直線段，走向NW319.50°。

隧洞縱坡0.5%，首部起坡點(diǎn)樁號(hào)Y0±000.00，底板高程1 032.00 m，尾部樁號(hào)Y2+514.01（接調(diào)壓井），調(diào)壓井底部隧洞高程1 019.48 m。圓形斷面內(nèi)徑8.20 m，襯砌厚度0.6 m（Ⅲ類圍巖）和0.8 m（Ⅳ、Ⅴ類圍巖）。

2 開(kāi)挖、支護(hù)設(shè)計(jì)及不良地址段處理

考慮引水隧洞混凝土襯砌段內(nèi)徑、圍巖襯砌厚度和開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中掛網(wǎng)、噴混凝土的厚度，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖的開(kāi)挖洞徑分別為9.56、10.1，10.2 m。隧洞分兩序開(kāi)挖，第一序完成上半洞 240°范圍開(kāi)挖，隨后進(jìn)行支護(hù)；襯砌混凝土澆筑前完成下半洞開(kāi)挖，不做支護(hù)。

Ⅲ類圍巖支護(hù)為：頂部 240°范圍內(nèi)采用噴混凝土 C20， 厚度8 cm，隨機(jī)掛網(wǎng)鋼筋φ6.5@20×20 cm，隨機(jī)錨桿φ22、L=3.1 m，深入巖石 3.0 m。

Ⅳ類圍巖支護(hù)為：頂部 240°范圍內(nèi)采用系統(tǒng)噴混凝土 C20， 厚度 15 cm， 掛網(wǎng)鋼筋 φ6.5@20×20 cm，系統(tǒng)錨桿φ22@1.5×1.5 m、L=4.5 m，深入巖石4.4 m，梅花形布置。

Ⅴ類圍巖穩(wěn)定性較差，開(kāi)挖支護(hù)采用全斷面鋼格柵拱架支護(hù)，格柵斷面 15 cm×20 cm，間距0.8～1.2 m，并在頂拱 140°范圍內(nèi)設(shè)φ22、L=4.5 m超前錨桿，環(huán)向間距 30 cm，傾角 （向外）5°。全斷面設(shè)噴混凝土 C20、厚度20 cm， 掛網(wǎng)鋼筋φ6.5@15×15 cm， 系統(tǒng)支護(hù)錨桿 φ22@1.5×1.5 m、L=4.5 m，深入巖石4.4 m，梅花形布置。

在Ⅳ、Ⅴ類圍巖等不良地質(zhì)洞段開(kāi)挖時(shí)，遵循淺鉆孔、弱爆破、多循環(huán)的原則，同時(shí)網(wǎng)噴、錨桿支護(hù)應(yīng)緊跟掌子面。

2008年7月底，在引水開(kāi)挖過(guò)程中，樁號(hào)Y1+950.00下游側(cè)出現(xiàn)長(zhǎng)度約6 m、高度約10～12 m的塌方段。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況、參考類似工程經(jīng)驗(yàn)。對(duì)塌方段采取以下處理措施：

（1）在塌方部位虛渣上噴聚丙烯纖維混凝土（聚丙烯摻量為0.6～1.0 kg/m3），使之成為擋墻。在擋墻的掌子面立采用18號(hào)工字鋼鋼拱架 （間排距0.4～0.6 m），打超前管棚進(jìn)行固結(jié)灌漿。管棚參數(shù)為：φ48花管、L=6 m，在頂拱240°范圍內(nèi)，每榀拱架設(shè)兩排，內(nèi)側(cè)水平，外側(cè)外傾15°，間距35 cm。待固結(jié)完成后，進(jìn)行虛渣清理，清理時(shí)控制每次進(jìn)尺不超過(guò)1 m。

（2）對(duì)塌方段影響部位 （掌子面前約15 m），作加固處理。即，增加無(wú)蓋重固結(jié)灌漿，加密系統(tǒng)錨桿。固結(jié)灌漿孔徑50 mm，花管φ48，孔深6 m，漿液水灰比采用1∶0.8～1∶1， 漿液中加入水玻璃 （摻量為水泥用量的2%～4%），灌漿壓力采用0.1～0.2 MPa；自進(jìn)式錨桿，φ25、L=6 m，間排距1.5 m×1.5 m，與系統(tǒng)錨桿間隔布置。

（3）經(jīng)過(guò)一個(gè)月的處理，引水隧洞順利通過(guò)了塌方段，此間無(wú)人員傷亡事故。到2009年該部位混凝土襯砌施工前，一直未發(fā)現(xiàn)裂縫。

（4）2010年，灌漿工程施工過(guò)程中，對(duì)塌方段頂拱空腔部位回填了C15混凝土。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算

（1）計(jì)算假定：①假定巖體穩(wěn)定且相對(duì)均勻；②計(jì)算應(yīng)力配筋中，有內(nèi)水組合作用時(shí)，不計(jì)外水壓力的折減；無(wú)內(nèi)水作用時(shí)，外水壓力不折減；③裂縫驗(yàn)算過(guò)程中，有內(nèi)水組合作用時(shí)，外水壓力折減系數(shù)取0.5；④地下結(jié)構(gòu)忽略溫度和地震荷載的影響；⑤計(jì)算斷面根據(jù)隧洞沿線圍巖分類及內(nèi)、外水壓力分布情況 （內(nèi)水壓力取值分別考慮上游為正常蓄水位1 071.00 m、廠房正常運(yùn)行時(shí)上游最高發(fā)電水位 （P=0.5%）1 074.58 m及調(diào)壓井最高涌浪水位1 096.11 m求得。外水壓力根據(jù)引水隧洞沿線地下水位線求得，選取20個(gè)典型斷面進(jìn)行計(jì)算；⑥2005年，劉云和王亦維[1]建議，當(dāng)水工隧洞進(jìn)行了有效的一次支護(hù)，在實(shí)際結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)襯砌的幾何尺寸應(yīng)計(jì)入一次支護(hù)的尺度，或適當(dāng)提高圍巖的f（隧洞圍巖牢固系數(shù)）、K0（隧洞圍巖單位彈性抗力系數(shù)）計(jì)算值，對(duì)于后者建議f、K0的計(jì)算值可比其原始地質(zhì)參數(shù)提高20%～30%?？紤]到本工程引水隧洞中Ⅳ、Ⅴ類圍巖段采用了較強(qiáng)支護(hù)，因此在計(jì)算中對(duì)于Ⅳ、Ⅴ類圍巖段的單位彈性抗力系數(shù)值提高了20%。

（2）荷載與計(jì)算工況。荷載與計(jì)算工況組合見(jiàn)表1所示。

表1 荷載組合

（3）計(jì)算方法。根據(jù) DL/T 5195—2004《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》 （以下簡(jiǎn)稱 《電力規(guī)范》）規(guī)定：“對(duì)于I、Ⅱ類及部分Ⅲ類圍巖，……，宜采用不承載的混凝土襯砌”。由于本工程引水隧洞周圍無(wú)I、Ⅱ類圍巖，Ⅲ類圍巖以石英砂巖加泥質(zhì)粉砂巖為主，圍巖條件較差。因此引水隧洞全部按照承載的混凝土襯砌考慮。在引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算過(guò)程中，《電力規(guī)范》與SL 279—2002《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱 《水利規(guī)范》）在襯砌計(jì)算方法上提法略有區(qū)別?，F(xiàn)將兩規(guī)范的提法對(duì)比列入表2。表2顯示， 《水利規(guī)范》在襯砌計(jì)算基本理念上與 《電力規(guī)范》是相同的。在襯砌計(jì)算時(shí)，可參照圍巖類別、襯砌直徑、設(shè)計(jì)水頭等，根據(jù)工程類比、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等選擇適宜方法進(jìn)行計(jì)算。天花板引水隧洞襯砌計(jì)算最終選擇的計(jì)算方法是：①考慮到本工程引水隧洞開(kāi)挖直徑較大 （9.56～10.2 m），同時(shí)Ⅲ類圍巖段巖石條件相對(duì)于Ⅳ、Ⅴ類圍巖較好，因此Ⅲ類圍巖段按照有限元法進(jìn)行計(jì)算論；②Ⅳ、Ⅴ類圍巖段，依據(jù)水利規(guī)范要求，按照邊值數(shù)值解法進(jìn)行計(jì)算。

表2 規(guī)范比較

（4）計(jì)算成果。按照以上計(jì)算方法，在承載力極限狀態(tài)下，分別按持久狀況及偶然狀況進(jìn)行配筋計(jì)算，確定配筋；在正常使用極限狀態(tài)下，驗(yàn)算裂縫開(kāi)展寬度。

經(jīng)計(jì)算，引水隧洞沿線配筋為： 混凝土襯砌厚度60 cm為5φ22雙筋～5φ32雙筋；混凝土襯砌厚度80 cm為5φ25雙筋～7φ32雙筋。

3.2 襯砌分縫

根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)合引水隧洞沿線圍巖特點(diǎn)、施工機(jī)械類型，并參考國(guó)內(nèi)類似工程，本電站引水隧洞襯砌設(shè)結(jié)構(gòu)縫，每段襯砌長(zhǎng)度為9 m。結(jié)構(gòu)縫內(nèi)設(shè)置橡膠止水，不設(shè)填縫材料。

由施工完成后檢查情況看，未發(fā)現(xiàn)環(huán)向連續(xù)裂縫，說(shuō)明天花板水電站引水隧洞結(jié)構(gòu)縫的設(shè)置是合適的。

4 灌漿設(shè)計(jì)

引水隧洞的回填灌漿的目的是對(duì)回填襯砌混凝土頂拱以上部位未能澆實(shí)的部位灌漿，使一、二次支護(hù)結(jié)合為整體。固結(jié)灌漿目的是加固圍巖，提高圍巖的整體性，封閉裂隙，增加圍巖抗?jié)B能力，從而減少內(nèi)水外滲。

4.1 回填灌漿

對(duì)于引水隧洞全洞段頂拱90°范圍內(nèi)作回填灌漿，灌漿孔直徑50 mm，深入巖石10 cm，每排3個(gè)孔，排距6.0 m，梅花形布置。

4.2 固結(jié)灌漿

根據(jù)圍巖情況，引水隧洞采用不同的固結(jié)灌漿方案，固結(jié)灌漿壓力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)確定。

Ⅲ類圍巖段，巖石條件較好，不作固結(jié)灌漿。

引水隧洞樁號(hào)Y0±000.00～Y1+484.45段，Ⅳ類圍巖段中，單位抗力系數(shù)大于2 kN/cm3的段，不作固結(jié)灌漿。引水隧洞樁號(hào)Y1+484.45～Y2+514.01段，Ⅳ類圍巖段作固結(jié)灌漿，灌漿孔φ50 mm，深入巖石6.0 m，每排8孔，排距6 m，梅花形布置，在頂拱90°范圍內(nèi)兼作回填灌漿。

V類圍巖段，由于巖石條件較差，考慮全部作固結(jié)灌漿，灌漿參數(shù)與Ⅳ類圍巖段相同。

［1］劉云，王亦維.關(guān)于 《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》中若干結(jié)構(gòu)計(jì)算問(wèn)題的討論［J］.云南水力發(fā)電， 2005（6）:51-53.66.