許戰(zhàn)軍，康曉娟

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

隨著中國(guó)水電建設(shè)水平的提高，出現(xiàn)了許多高壓引水隧洞。在這類(lèi)隧洞中，襯砌體無(wú)法承受高的內(nèi)水壓力，混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂，內(nèi)水外滲，圍巖成為承受水壓力的主體，襯砌混凝土的作用除減糙、限制裂縫寬度外，最主要的是傳遞荷載，將內(nèi)水壓力傳遞給圍巖，類(lèi)似于不襯砌隧洞[1]。中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于襯砌隧洞內(nèi)水壓力有面力理論(認(rèn)為混凝土襯砌結(jié)構(gòu)不透水結(jié)構(gòu))和體力理論(認(rèn)為混凝土襯砌結(jié)構(gòu)為透水結(jié)構(gòu))2種觀點(diǎn)。隨著天荒坪和廣州抽水蓄能電站的建成，體力理論的合理性得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證。

1 工程概況

老撾南湃水電站屬跨流域長(zhǎng)引水、高水頭電站，電站總裝機(jī)容量86 MW。引水系統(tǒng)由進(jìn)水口、壓力隧洞段、壓力鋼管埋管段和地面鋼襯鋼筋混凝土管段組成。引水系統(tǒng)總長(zhǎng)8.2 km，其中引水隧洞長(zhǎng)6 705.12 m，由3個(gè)平段和2個(gè)豎井段組成。隧洞開(kāi)挖斷面為圓形平底，開(kāi)挖洞徑4.4 m(底寬2.9 m)，襯砌后洞徑3.5 m(寬2.45 m)，豎井?dāng)嗝鏋閳A形斷面，開(kāi)挖直徑2.13 m。隧洞引用流量14.45 m3/s，最大內(nèi)水壓力570 m。

上平段圍巖為“薄層凝灰?guī)r”，Ⅲ1類(lèi)圍巖約占5.98%、Ⅲ2類(lèi)圍巖約占57.22%、Ⅳ類(lèi)圍巖約占30.74%、Ⅴ類(lèi)圍巖約占6.06%。

中平段圍巖以”中厚層凝灰?guī)r“為主，局部間夾薄層黑色板巖、或薄層凝灰?guī)r，Ⅱ類(lèi)圍巖約占6.33%、Ⅲ1類(lèi)圍巖約占41.44%、Ⅲ2類(lèi)圍巖約占40.57%、Ⅳ類(lèi)圍巖約占11.66%。

下平段圍巖以“中厚層凝灰?guī)r”為主，局部間夾薄層黑色板巖、或薄層凝灰?guī)r，Ⅲ1類(lèi)圍巖約占37.2%、Ⅲ2類(lèi)圍巖約占53.0%、Ⅳ類(lèi)圍巖約占9.8%。

2 支護(hù)設(shè)計(jì)

南湃水電站引水系統(tǒng)處在工期關(guān)鍵線路上，支護(hù)工程對(duì)水電站的工期影響較大。為節(jié)約投資和節(jié)省工期，該隧洞按透水理論設(shè)計(jì)。該理論必須滿足巖石最小覆蓋準(zhǔn)則(挪威準(zhǔn)則、雪山準(zhǔn)則)、最小主應(yīng)力準(zhǔn)則(水力劈裂準(zhǔn)則)和滲透穩(wěn)定準(zhǔn)則，這“三大準(zhǔn)則”從避免可能發(fā)生的上抬、水力劈裂和滲透穩(wěn)定3種破壞形式的角度對(duì)不襯砌或鋼筋混凝土襯砌隧洞設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了限定。南湃水電站在進(jìn)行隧洞布置時(shí)以同時(shí)滿足“三大準(zhǔn)則”為目標(biāo)，設(shè)計(jì)按圍巖類(lèi)別，結(jié)合內(nèi)水壓力量級(jí)、固結(jié)灌漿質(zhì)量要求和水頭損失綜合考量支護(hù)型式。

(1) Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖

上平段和中平段的Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖洞段，最大內(nèi)水頭350 m，在圍巖穩(wěn)定的情況下采用掛網(wǎng)噴的支護(hù)型式。下平段Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖洞段除考慮圍巖穩(wěn)定外，主要從提高灌漿質(zhì)量的角度采用全斷面鋼筋混凝土襯砌。

(2) Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖

Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖由于巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性差，因此全斷面采用混凝土襯砌以抵抗外壓(外水壓力和山巖壓力)和內(nèi)水壓力(通過(guò)滲流計(jì)算確定內(nèi)外水壓差)。

3 固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)

對(duì)于長(zhǎng)引水隧洞襯砌設(shè)計(jì)，除了考慮引水隧洞安全之外，沿線滲透量也是襯砌設(shè)計(jì)關(guān)注的問(wèn)題之一，滲透量過(guò)大不僅影響水電站的發(fā)電效益，而且影響隧洞安全。滲透問(wèn)題是無(wú)襯砌壓力隧洞穩(wěn)定的一個(gè)重要問(wèn)題，國(guó)外不少工程失事就是由滲漏引起的[2]。目前規(guī)范上沒(méi)有對(duì)滲透量大小做出限制，南湃水電站進(jìn)行了隧洞的滲流計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示在正常運(yùn)行情況下，滲漏量主要發(fā)生在中平段和下平段，總滲透量約為642 L/s，單位長(zhǎng)度滲透量約為0.15 L/s。但這個(gè)計(jì)算結(jié)果的可靠性受到滲透邊界以及計(jì)算參數(shù)的影響，一般情況下很難算準(zhǔn)，只能作一個(gè)量級(jí)上的參考。

為了控制隧洞滲水量，全洞均布置了固結(jié)灌漿，灌漿壓力按不小于內(nèi)水壓力的1.0倍考慮。詳見(jiàn)表1。

表1 引水隧洞各段固結(jié)灌漿參數(shù)表

注：通過(guò)試驗(yàn)確定固結(jié)灌漿的設(shè)計(jì)參數(shù)。

4 排水設(shè)計(jì)

高壓引水隧洞經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行滲透穩(wěn)定后，會(huì)對(duì)隧洞一定范圍內(nèi)的地下水產(chǎn)生影響，當(dāng)隧洞放空時(shí)襯砌體要承擔(dān)這部分外水壓力。為了保證放空時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)的安全，也為使襯砌結(jié)構(gòu)受力邊界更為清晰，南湃水電站在下平段襯砌混凝土上(Ⅱ、Ⅲ類(lèi)洞段)布置了系統(tǒng)排水孔，排水孔利用固結(jié)灌漿孔掃孔而成，入巖0.3 m。排水孔布置如圖1所示。

圖1 排水孔布置示意圖

5 結(jié) 語(yǔ)

南湃水電站引水隧洞采用透水設(shè)計(jì)節(jié)約了工期和投資，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。目前隧洞已經(jīng)充水運(yùn)行8個(gè)多月，隧洞運(yùn)行狀態(tài)良好，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)滲透量為0.12 m3/s(為引用流量的0.83%)，充分說(shuō)明隧洞襯砌設(shè)計(jì)的合理性?？偨Y(jié)該隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)有以下幾點(diǎn)對(duì)類(lèi)似水電站有積極的借鑒意義。

(1) 透水理論的核心是襯砌體為透水結(jié)構(gòu)，巖石是承受內(nèi)水壓力的主體。滿足“三大準(zhǔn)則”是該類(lèi)隧洞設(shè)計(jì)的前提。在此基礎(chǔ)上可結(jié)合糙率、圍巖抗外壓穩(wěn)定性以及灌漿質(zhì)量控制等因素綜合決定采用何種襯砌方式。但該理論在Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖、軟巖和遇水惡化的高壓隧洞中要謹(jǐn)慎使用。

(2) 重視對(duì)隧洞局部缺陷的處理。引水隧洞或多或少存在一定的地質(zhì)缺陷，這些部位是隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部位，特別重視可能引發(fā)滲透破壞的地質(zhì)缺陷，如斷層、張性裂隙密集帶等缺陷的處理。

(3) 重視固結(jié)灌漿的作用。在透水理論設(shè)計(jì)的隧洞中，固結(jié)灌漿不僅僅起加固圍巖的作用，更起到防滲的作用，減少發(fā)生滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)。南湃水電站通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)驗(yàn)證了合適的固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)對(duì)降低圍巖一定范圍內(nèi)的滲透性效果非常有效。

總之，高壓隧洞襯砌設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程，需要綜合多方面的因素做出選擇，不可一概而論。地質(zhì)缺陷部位是隧洞襯砌設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，無(wú)論隧洞對(duì)滲漏量有無(wú)要求，從滲透穩(wěn)定的角度講都必須重視隧洞防滲設(shè)計(jì)。