立洲水電站引水隧洞變形洞段原因分析及處理方案

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(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司成都分院，成都，610031)

立洲水電站引水隧洞變形洞段原因分析及處理方案

賀雙喜，趙繼勇，韓純杰

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司成都分院，成都，610031)

針對四川木里河立洲水電站引水隧洞(引14+271m～引14+422m)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件特點(diǎn)，開展隧洞襯砌后圍巖出現(xiàn)較大變形的現(xiàn)場檢測與數(shù)據(jù)分析，得知該洞段由于圍巖軟化發(fā)生徐變，且灌漿后圍巖變模未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致該洞段與設(shè)計(jì)內(nèi)徑偏差為-0.47m～0.04m。通過結(jié)構(gòu)計(jì)算、水頭損失等綜合比較分析后，采用鋼襯方案對變形洞段進(jìn)行處理，成功解決了變形洞段穩(wěn)定問題。施工后該變形洞段運(yùn)行良好。本文處理措施，對類似工程問題具有一定的借鑒和參考意義。

引水隧洞 變形 灌漿 鋼襯

四川木里河立洲水電站系木里河干流(上通壩～阿布地河段)水電規(guī)劃“一庫六級”的第六個梯級，電站采用混合式開發(fā)，樞紐工程由碾壓混凝土雙曲拱壩、壩身泄洪系統(tǒng)、右岸地下長輸水隧洞及右岸地面發(fā)電廠房組成。電站裝機(jī)容量355MW，多年平均發(fā)電量為15.46億kW·h，開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主。

引水隧洞布置于右岸山體中，采用一洞三機(jī)聯(lián)合供水方式，全長16726.9m。隧洞進(jìn)口中心線高程2055.10m，縱坡i=3.019‰，隧洞采用圓形斷面，內(nèi)徑為8.2m。引用流量230.80m3/s。隧洞埋深74m～1039m，內(nèi)水作用水頭為43m～141m，外水作用水頭約38m～482m。沿線工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，巖性以極薄層、薄層夾偶中厚層板巖夾炭質(zhì)板巖、砂巖為主。

1 變形洞段地質(zhì)條件與處理過程

1.1 地質(zhì)條件

該變形洞段位于F34與F40斷層之間，褶曲發(fā)育，巖層產(chǎn)狀變化較大。其中F34斷層，為一逆斷層，沿?cái)鄬訋ж?fù)地形特征較為明顯，斷層產(chǎn)狀為N50°W，NE∠80°～85°，長度5km，斷層帶寬大于10m～20m，由砂質(zhì)碎裂巖、構(gòu)造透鏡體組成。該斷層于6號施工支洞與主洞交叉口上游附近斜穿主洞。F40斷層，產(chǎn)狀N14°～35°W，NE∠85°，破碎帶寬約20m，為糜棱巖、角礫巖組成。該斷層近于平行隧洞軸線，位于隧洞左側(cè)約500m外。該段地下水主要類型為基巖裂隙水，隧洞位于地下水位以下，外水水頭約220m～260m。

自下而上各段圍巖巖性分別為：樁號14+420m～14+415m洞段為黃色厚層含鈣質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖，14+415m～14+395m洞段為黑色極薄層板巖、含炭質(zhì)板巖，14+395m～14+375m洞段為含炭質(zhì)粉砂質(zhì)板巖，14+375m～14+345m洞段為黑色極薄層板巖、含炭質(zhì)板巖，14+345m～14+320m洞段為含炭質(zhì)粉砂質(zhì)板巖，14+320m～14+271m洞段為黑色極薄層板巖、含炭質(zhì)板巖，圍巖以軟巖為主，遇水極易軟化。地下水不太活躍，開挖后洞壁多為干燥、潮濕、局部滲水。

1.2 處理過程

引水隧洞沿線布置7條施工支洞，地質(zhì)條件復(fù)雜，變形洞段位于5號施工支洞和6號施工支洞之間，圍巖的特點(diǎn)是變化快，遇水軟化。在變形洞段開挖初期，考慮邊襯砌邊開挖和開挖貫通后襯砌兩種方案，由于考慮到工期等綜合因素，采用了開挖貫通后再進(jìn)行襯砌的方案，難點(diǎn)就在于如何解決施工期圍巖穩(wěn)定問題。

變形洞段在開挖施工期支護(hù)采取超前預(yù)固+鋼支撐的支護(hù)型式，局部洞段發(fā)生過塌方。支護(hù)完成后進(jìn)行混凝土襯砌時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼支撐不同程度發(fā)生變形彎曲，頂拱最大變形將近100cm。襯砌過程中采取二次擴(kuò)挖，實(shí)施過程中采用管棚+超前小導(dǎo)管等處理措施保證施工安全，控制長度3m～5m，襯砌混凝土按上下半洞進(jìn)行。

2 原設(shè)計(jì)方案及實(shí)施效果

2.1 設(shè)計(jì)方案

本段原設(shè)計(jì)采用C25鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌厚度100cm，設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為133m，外水水頭約220m～260m。結(jié)構(gòu)計(jì)算中主要控制標(biāo)準(zhǔn)為兩個：①最大裂縫寬度允許值為0.30mm；②圍巖變模應(yīng)達(dá)到1.15GPa。其中圍巖變模取1.15GPa，是通過現(xiàn)場試驗(yàn)開展灌前、灌后波速和變模測試后設(shè)計(jì)取值，比較符合實(shí)際情況。

通過三維非線性有限元法進(jìn)行計(jì)算分析，內(nèi)水壓力為控制工況，選配受力鋼筋內(nèi)外層為2φ32@14.3cm，承載能力極限狀態(tài)持久狀況襯砌處于受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力0.062MPa，鋼筋處于受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力172MPa，皆滿足規(guī)范要求；短暫狀況：襯砌處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力3.79MPa，鋼筋處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力25.9MPa，滿足規(guī)范要求。正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算持久狀況下裂縫寬度為0.2mm，滿足規(guī)范要求。短暫狀況：未產(chǎn)生裂縫。

2.2 實(shí)施效果

變形洞段襯砌完成后進(jìn)行襯砌厚度、回填灌漿效果、混凝土強(qiáng)度等級及圍巖變形模量測試等現(xiàn)場試驗(yàn)工作。從現(xiàn)場試驗(yàn)成果分析混凝土襯砌厚度和強(qiáng)度等級基本滿足設(shè)計(jì)要求，回填灌漿初次檢測局部存在脫空，二次灌漿后進(jìn)行檢測滿足要求。存在主要的問題為圍巖的變形模量不能滿足設(shè)計(jì)要求，隧洞頂部襯砌混凝土發(fā)生局部脫落，通過測量發(fā)現(xiàn)隧洞發(fā)生嚴(yán)重變形。

(1)第一次變模測試在固結(jié)灌漿完成后14d開始，在隧洞樁號14+200m～14+470m總共布置16個孔，僅6個孔滿足設(shè)計(jì)要求，其余10孔均不滿足，特別是樁號14+389m、14+397m兩個孔變模均為0GPa，并有塌孔現(xiàn)象，從孔中出露的物質(zhì)為黃、黑色泥質(zhì)混雜物，主要為含鈣質(zhì)和碳質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖。因變形模量不滿足設(shè)計(jì)要求，對變形洞段進(jìn)行了復(fù)灌。

表1 第一次變形模量檢測成果統(tǒng)計(jì)

(2)復(fù)灌主要是局部環(huán)間加密，復(fù)灌完成后14d開展第二次變模測試，在樁號14+200m～14+420m總共布置13個孔，僅1個孔完全滿足設(shè)計(jì)要求，1個孔部分滿足設(shè)計(jì)要求，其余11個孔均出現(xiàn)塌孔，無法檢測變模，從孔中出露的物質(zhì)為黃、黑色泥質(zhì)混雜物，主要為含鈣質(zhì)和碳質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖。第二次變模測試較第一次更加不理想，因此開展第三次固結(jié)灌漿。

表2 第二次變形模量檢測成果統(tǒng)計(jì)

(3)現(xiàn)場對14+350m～14+455m、14+210m～14+220m、14+265m～14+275m、14+320m～14+340m四段隧洞圍巖重新進(jìn)行補(bǔ)充固結(jié)灌漿。補(bǔ)灌的灌漿壓力在原設(shè)計(jì)灌漿壓力基礎(chǔ)上增加0.5MPa，水泥采用磨細(xì)水泥，開灌水灰比上調(diào)至3∶1稀漿；補(bǔ)灌孔在原有的環(huán)向間距基礎(chǔ)上加密一環(huán)，耗灰量不大。第三次灌漿完成后進(jìn)行第三次變模測試，共布置6孔，僅1個孔滿足設(shè)計(jì)要求，3個孔不滿足設(shè)計(jì)要求，其余2個孔出現(xiàn)塌孔。

表3 變形模量第二次復(fù)檢成果統(tǒng)計(jì)

3 缺陷及原因分析

3.1 存在缺陷

隧洞施工完成后主要存在兩方面缺陷，一是圍巖變模不能滿足設(shè)計(jì)要求，二是襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，襯砌結(jié)構(gòu)頂拱部分出現(xiàn)襯砌混凝土剝落、裂縫、露筋等現(xiàn)象，剝落面積最大長度約6m(順?biāo)鞣较?，寬約為1.2m～1.8m。隧洞實(shí)測內(nèi)徑為7.73m～8.24m，與設(shè)計(jì)內(nèi)徑偏差位-0.47m～0.04m。

3.2 原因分析

(1)本段隧洞巖性復(fù)雜多變，揭露的巖石以軟巖為主，以極薄層、薄層為主，斷層、裂隙及褶曲發(fā)育，巖體破碎，巖體結(jié)構(gòu)為極薄層、薄層狀以及散體結(jié)構(gòu)，巖體完整性差，為Ⅴ類，圍巖整體可灌性較差；

(2)變形洞段襯砌混凝土按上下半洞進(jìn)行，首先完成上半洞240°范圍襯砌，再進(jìn)行下半洞120°范圍襯砌。在施工下半洞過程中，上半洞由于基礎(chǔ)懸空，引起襯砌結(jié)構(gòu)變形。

4 變形洞段補(bǔ)強(qiáng)方案設(shè)計(jì)

變形洞段按照相關(guān)規(guī)程規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮襯砌鋼筋混凝土和圍巖整體聯(lián)合受力。鑒于變形洞段圍巖經(jīng)固結(jié)灌漿處理后達(dá)不到要求；上下半拱分期澆筑形成的兩條縱向施工縫雖經(jīng)處理后仍存在局部裂縫；部分頂拱襯砌混凝土有剝落、裂縫、露筋等現(xiàn)象，削弱原結(jié)構(gòu)整體性；經(jīng)斷面復(fù)測襯砌結(jié)構(gòu)斷面與原設(shè)計(jì)斷面變化較大，襯砌不滿足結(jié)構(gòu)受力要求等問題。為滿足結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行要求，應(yīng)對變形洞段襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

4.1 補(bǔ)強(qiáng)方案比選

變形洞加固處理原則：結(jié)構(gòu)安全可靠；工期相對較短；投資相對合理；施工相對簡單。擬定鋼筋混凝土襯砌和鋼襯方案進(jìn)行綜合分析?；炷烈r砌方案是在原襯砌基礎(chǔ)上重新襯砌，襯砌厚度0.6m，隧洞內(nèi)徑6.6m。鋼襯方案是在原襯砌混凝土基礎(chǔ)上增加鋼襯，回填混凝土0.3m，隧洞內(nèi)徑7.2m。經(jīng)綜合分析鋼襯方案投資稍多，但工期較混凝土襯砌方案少1個月，鋼襯方案水頭損失較混凝土襯砌方案小0.24m，考慮變形洞段處理時(shí)間直接影響電站發(fā)電效益，采用施工簡捷，結(jié)構(gòu)安全的鋼襯方案。

4.2 鋼襯方案設(shè)計(jì)

鋼管的結(jié)構(gòu)安全級別為Ⅱ級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.0。鋼襯圍巖埋深約為310m～340m，按埋管進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。選擇Q345B鋼板，為目前常用鋼材，無論是安全性能還是制作安裝技術(shù)均較成熟。

(1)計(jì)算內(nèi)容

壓力鋼管承受內(nèi)水壓力的結(jié)構(gòu)分析，確定管壁厚度及剛度驗(yàn)算：采用《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5141-2001)附錄B計(jì)算鋼管管壁厚；滿足制造工藝、安裝、運(yùn)輸?shù)纫蟮牡淖钚偠纫篁?yàn)算。

(2)作用荷載

①內(nèi)水壓力：取調(diào)壓室最高涌浪至特殊運(yùn)行情況下機(jī)組最大壓力(靜水壓力+水錘壓力)連線，壓力線按直線分布。內(nèi)水壓力值取1.33MPa。

②外水壓力：根據(jù)地質(zhì)提供地下水位線，外水220m，折減系數(shù)取0.4。原混凝土襯砌結(jié)構(gòu)雖破壞，經(jīng)加固后仍可承擔(dān)部分外水壓力，按50%考慮鋼管承擔(dān)，取0.5MPa。

③灌漿壓力：回填灌漿壓力取p灌=0.3N/mm2；接觸灌漿壓力取p灌=0.2N/mm2。

管道放空時(shí)通氣設(shè)備造成的氣壓差p=0.1N/mm2。

(3)計(jì)算成果

壓力鋼管承受內(nèi)壓時(shí)，按埋管設(shè)計(jì)，內(nèi)壓為控制工況，抗力限制σR按埋管取值，選用Q345B鋼材，22mm管壁計(jì)算厚度進(jìn)行應(yīng)力校核，鋼管承受內(nèi)水的環(huán)向應(yīng)力均滿足應(yīng)力校核，并滿足剛度最小管壁厚度為14mm的要求。

壓力鋼管抗外穩(wěn)定分析，外水壓力計(jì)算值為0.5MPa，鋼管外壁每間隔0.65m～0.75m設(shè)置了一個200mm×22mm(高×厚)的加勁環(huán)，設(shè)置加勁環(huán)后，壓力鋼管滿足抗外壓穩(wěn)定要求，安全系數(shù)K均大于2。鋼管環(huán)向應(yīng)力值為199.50MPa，滿足Q345B抗力限值。

4.3 實(shí)施效果

變形洞段采用鋼襯補(bǔ)強(qiáng)后，隧洞于2016年6月開始沖放水試驗(yàn)，由于立洲水電站引水系統(tǒng)長約17km，沖水時(shí)間共計(jì)109h35min，放水時(shí)間總計(jì)105h39min。放水后對變形洞段鋼襯進(jìn)行全面檢查，鋼管未發(fā)現(xiàn)變形，鋼襯與混凝土端部連接部位未發(fā)現(xiàn)滲水，鋼襯段山坡未發(fā)現(xiàn)出露滲水點(diǎn)，電站于2016年7月底順利實(shí)現(xiàn)三臺機(jī)組發(fā)電，目前電站運(yùn)行情況良好，鋼襯補(bǔ)強(qiáng)方案是科學(xué)合理的。

5 結(jié)論

(1)針對立洲水電站引水隧洞變形洞段，地質(zhì)條件復(fù)雜、灌漿效果不明顯、變形量較大等特點(diǎn)，采用原鋼筋混凝土襯砌+鋼襯協(xié)同支護(hù)，構(gòu)成聯(lián)合支護(hù)方案，成功解決了引水隧洞變形洞段的施工與支護(hù)難題，施工效果良好；

(2)采用本文技術(shù)方案對變形洞段進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)后，能有效滿足電站施工期及運(yùn)行期的安全運(yùn)行要求，目前電站運(yùn)行狀況良好；

(3)本文通過結(jié)構(gòu)計(jì)算、水頭損失等綜合比較分析后，結(jié)合隧洞檢測數(shù)據(jù)，采用鋼襯方案對變形洞段進(jìn)行處理，成功解決了圍巖極不穩(wěn)定洞段的變形問題。施工方法及處理措施，對類似工程問題具有一定的借鑒和參考意義。

〔1〕雷 軍，張金柱，林傳年.烏鞘嶺特長隧道復(fù)雜地質(zhì)條件下斷層帶應(yīng)力及變形現(xiàn)場檢測分析[J].巖土力學(xué)，2008，29(5)：1367-1371.

〔2〕劉 濤.錦屏二級電站引水隧洞圍巖高壓固結(jié)灌漿試驗(yàn)[J].人民長江，2013，44(9)：41-43.

〔3〕劉志春，李文江，朱永全，等.軟巖大變形隧道二次襯砌施作時(shí)機(jī)探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(3)：580-588.

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2095-1809(2017)05-0068-04

賀雙喜(1980-)，男，陜西蒲城人，高級工程師，主要從事水工設(shè)計(jì)及管理工作。

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