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(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司成都分院，成都，610091)

固滴水電站引水隧洞Ⅳ類偏好圍巖襯砌優(yōu)化設(shè)計研究及應(yīng)用

王志鵬，賀雙喜，張高，羅遠(yuǎn)純

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司成都分院，成都，610091)

引水隧洞工期是固滴水電站關(guān)鍵線路，投資占總投資比例較大。對隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計進一步優(yōu)化研究是有必要的。固滴水電站引水隧洞總長10852.32m，其中Ⅳ類偏好圍巖洞段約占全洞長20%，具備襯砌設(shè)計優(yōu)化的可行性。通過固結(jié)灌漿能夠提高引水隧洞圍巖力學(xué)參數(shù)，使襯砌與圍巖形成承載圈，從而達(dá)到加固引水隧洞圍巖的作用，同時也可提高引水隧洞圍巖防滲性能。本文研究思路及技術(shù)路線可為類似工程設(shè)計提供參考。

襯砌結(jié)構(gòu) 引水隧洞 固結(jié)灌漿 設(shè)計優(yōu)化 固滴水電站

1 工程概況

固滴水電站系水洛河干流(額斯～捷可)水電規(guī)劃“一庫十一級”的第六個梯級，上游接鉆根水電站，下游接新藏水電站，閘址位于四川省涼山彝族自治州木里藏族自治縣境內(nèi)麥日鄉(xiāng)俄西村下游約4km的峽谷段。壩址處控制流域面積7249km2，多年平均流量為107m3/s。固滴水電站采用引水式開發(fā)，水庫正常蓄水位2311.00m，相應(yīng)庫容91萬m3，總庫容104萬m3。電站裝機容量138MW，工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧下游生態(tài)環(huán)境用水。

引水隧洞為平底馬蹄形斷面，過水?dāng)嗝婷娣e33.893m2，線路靠河邊山體布置，平面布置3個彎道，轉(zhuǎn)彎半徑均為50m。隧洞圍巖主要以Ⅲ、Ⅳ類為主，其中Ⅳ類偏好圍巖洞段約占全洞長20%。隧洞長度10852.32m，沿線承受內(nèi)水壓力為0.13MPa～0.76MPa。地層巖性為砂巖、玄武巖夾灰?guī)r、板巖等。招標(biāo)階段Ⅳ類圍巖洞段采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度0.60m，縱坡i=3.442‰。

水工隧洞的投資和工期是控制整個工程投資和工期的重要因素之一。對襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計進一步分析計算研究是必要的，可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益和社會效益。固滴水電站招標(biāo)階段引水隧洞Ⅳ類偏好圍巖設(shè)計采用鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌混凝土及配筋量均較大。根據(jù)施工階段引水隧洞實際圍巖揭露情況，Ⅳ類偏好圍巖洞段所占比例較大，具備進一步優(yōu)化設(shè)計的可行性。

2 工程地質(zhì)

2.1 地形條件

引水隧洞沿線為玄武巖、砂板巖等形成的中高山區(qū)，軸線地表高程2400m～2895m，絕大部分洞段埋深大于100m，最大埋深約590m(2+130m樁號附近)。其中埋深100m～400m洞段長7660m，約占全洞長72%，埋深大于400m洞段長2960m，約占全洞28%。

2.2 地層巖性

隧洞沿線穿越地層自上而下為T3q2、T3q3、T3q、T2、T1l5、T1l4、T1l3、T1l2、T1l1，巖性涉及玄武巖、輝綠巖、變余砂巖與板巖夾少量薄層灰?guī)r。其中玄武巖、輝綠巖洞段長約2530m，約占全洞長23%，其余為變余砂巖、板巖夾少量灰?guī)r洞段，約占全洞長77%。

2.3 主要構(gòu)造

隧洞沿線穿越木機埡口斷裂(F1)、西勒斷裂(F2、F3)等3條大斷裂、以及F51共4條斷層，經(jīng)鑒定以上斷層均為非活動斷層。除F51、F2之間2+730樁號附近地表發(fā)育一小向斜，兩翼產(chǎn)狀分別為EW/S∠30°～45°、EW/N∠43°外，其余洞段巖層單斜，中至陡傾上游。玄武巖與輝綠巖洞段裂隙較發(fā)育，變余砂巖、板巖夾少量灰?guī)r洞段裂隙密集短小。

2.4 水文條件

隧洞區(qū)水文地質(zhì)條件相對簡單，以孔隙水、基巖裂隙水為主，主要賦存于覆蓋層、巖石風(fēng)化帶、裂隙密集帶與斷層破碎帶內(nèi)。地表少見泉水，主要分布在F2斷層帶附近T3q地層上的第四系覆蓋層中。沿線僅3號沖溝常年有水。

3 優(yōu)化設(shè)計可行性分析

3.1 優(yōu)化設(shè)計的必要性

水電工程建設(shè)中，長引水式電站較為常見，主要特點是高水頭、大洞徑。如已建或在建的天生橋二級水電站(引水隧洞共三條，均長9.8km，襯砌內(nèi)徑8.7m、9.8m)、獅子坪水電站(引水隧洞長18.71km，襯砌內(nèi)徑5.5m)、錦屏二級水電站(四條引水隧洞長約16.6km，襯砌內(nèi)徑11.8m)、立洲水電站(引水隧洞長約16.7km，襯砌內(nèi)徑8.2m)等，對水工隧洞的投資和工期控制是控制整個工程投資和工期的重要因素之一。因此，對水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計進一步分析計算研究是有必要的，可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益和社會效益。

固滴水電站引水隧洞全長10852.32m，平底馬蹄形斷面，引水隧洞圍巖為玄武巖、輝綠巖、變余砂巖、板巖夾少量灰?guī)r。根據(jù)開挖揭露的情況，Ⅲ類圍巖約占36.3%，Ⅳ類圍巖約占56.8%(其中Ⅳ類偏好圍巖洞段約占全洞長20%)，Ⅴ類約占6.9%。Ⅳ類偏好圍巖洞段所占比例較大，采用招標(biāo)階段鋼混襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計，襯砌混凝土及配筋量均較大。對Ⅳ類偏好圍巖洞段永久支護型式做進一步分析、研究具備客觀條件。

3.2 優(yōu)化設(shè)計技術(shù)路線

(1)現(xiàn)場試驗：首先選取引水隧洞典型位置，開展固結(jié)灌漿試驗。采用單孔聲波測試、壓水試驗、變形模量測試和鉆孔錄像的綜合物探測試方法，對引水隧洞固結(jié)灌漿效果進行檢測。了解當(dāng)前灌漿參數(shù)條件下的固結(jié)灌漿效果，并為下一步引水隧洞固結(jié)灌漿結(jié)果分析提供依據(jù)。

(2)結(jié)果分析：根據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，分析固結(jié)灌漿前后圍巖波速、變形模量提高比例。同時參考類似已建工程經(jīng)驗，分析引水隧洞結(jié)構(gòu)由混凝土襯砌調(diào)整為掛網(wǎng)錨噴支護的可行性。

4 固結(jié)灌漿試驗及結(jié)果分析

固結(jié)灌漿效果、固結(jié)圈的形成是保證引水隧洞工程安全運行的關(guān)鍵，為了解當(dāng)前灌漿參數(shù)條件下的固結(jié)灌漿效果，并為下一步引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)依據(jù)，根據(jù)工程需要，進行了引水隧洞固結(jié)灌漿試驗區(qū)物探檢測工作。試驗結(jié)果詳見表1～表3，統(tǒng)計分析如下：

(1)Ⅳ類圍巖灌后單孔聲波測試波速最小值為3380m/s，波速最大值為5560m/s。試驗Ⅰ區(qū)灌后波速平均值為4580m/s，波速大于3500m/s的百分比為87%，灌后波速提高率在1.3%～15.3%之間，波速提高率平均值為6.2%。試驗Ⅱ區(qū)波速平均值為4720m/s，波速大于3500m/s的百分比為100%，灌后波速提高率在2%～15.3%之間，波速提高率平均值為5.9%。

灌前灌后單孔聲波測試成果對比表明：試驗段中破碎巖體區(qū)域通過灌漿后得到了固結(jié)加強，完整性得到提高，且波速值越低，提高率越高。

表1 單孔聲波波速統(tǒng)計

表2 壓水試驗成果

表3 變形模量測試成果

(2)試驗區(qū)灌前壓水試驗透水率最小值為24.37Lu，最大值為74.83Lu；灌后壓水試驗透水率最小值為1.31Lu，最大值為2.87Lu。

壓水試驗成果滿足設(shè)計“壓水檢查孔的標(biāo)準(zhǔn)為q≤3Lu”的檢測標(biāo)準(zhǔn)。

(3)試驗區(qū)Ⅳ類圍巖灌前變形模量測試最小值為1.89GPa，最大值為4.65GPa；灌后變形模量測試最小值為2.38GPa，最大值為4.76GPa；提高率在0.4%～25.5%之間；灌后變形模量值主要分布在3GPa～5GPa之間。

灌前灌后變形模量測試成果對比表明：試驗段中破碎巖體區(qū)域通過灌漿后得到了固結(jié)加強，完整性、巖體強度得到提高，且灌前變模值越低，提高率越高。

(4)鉆孔錄像成果表明：鉆孔內(nèi)近水平狀和緩傾狀閉合節(jié)理零星發(fā)育，巖體整體較完整，灌漿效果明顯。

5 優(yōu)化設(shè)計方案

依據(jù)《水洛河固滴水電站引水隧洞固結(jié)灌漿試驗區(qū)物探檢測報告》試驗區(qū)結(jié)果統(tǒng)計分析，結(jié)合地質(zhì)專業(yè)提供的圍巖技術(shù)參數(shù)，同時參考類似已建工程經(jīng)驗，引水隧洞Ⅳ類偏好圍巖洞段結(jié)構(gòu)設(shè)計由混凝土襯砌結(jié)構(gòu)調(diào)整為掛網(wǎng)錨噴支護結(jié)構(gòu)。

一期支護仍采用“系統(tǒng)錨桿+掛網(wǎng)+噴混凝土”支護處理方案；永久支護采用“固結(jié)灌漿+加密錨桿+掛網(wǎng)+噴混凝土”的支護方案。

圖1 Ⅳ類偏好圍巖永久支護斷面

圖2 Ⅳ類偏好圍巖固結(jié)灌漿橫剖面

6結(jié)論

(1)Ⅳ類偏好圍巖洞段采用噴錨支護后，與混凝土襯砌洞段的過渡段應(yīng)作好防滲措施，建議采用混凝土襯砌搭接噴錨支護面型式，底板混凝土與邊頂拱錨噴混凝土也應(yīng)作好防滲措施，建議采用邊頂拱錨噴混凝土壓底板混凝土的處理方法；

(2)通過引水隧洞Ⅳ類偏好圍巖洞段永久支護由混凝土襯砌結(jié)構(gòu)調(diào)整為掛網(wǎng)錨噴支護的優(yōu)化設(shè)計，節(jié)約混凝土約16500m3，節(jié)約鋼筋約1300t，總共節(jié)約工程投資約2600萬元，同時也達(dá)到了縮短一定工期的目的。

〔1〕張志慧，黎昌有，陳汶志.Ⅳ類偏好圍巖采用加強型噴錨支護的實踐應(yīng)用[J].水電站設(shè)計，2013，4(29)：3-65.

〔2〕任旭華，李同春，陳祥榮 .錦屏二級水電站深埋引水隧洞襯砌及圍巖結(jié)構(gòu)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2001，20(1)：16-19.

〔3〕DL/T5195-2004，水工隧洞設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2004.

TV672.1∶TV543

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2095-1809(2017)05-0109-04

王志鵬(1986-)，男，山東德州人，注冊土木工程師，主要從事水工專業(yè)設(shè)計工作。

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