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大渡河大崗山水電站主副廠房頂拱塌方處理實踐

2021-01-05 08:58
四川水利 2020年6期
關(guān)鍵詞:堆積體孔口大花

雷 宏

(中國水利水電第七工程局有限公司,成都,610213)

1 工程概況

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)大渡河中游干流上,電站裝機(jī)4臺,容量共計260萬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。

主廠房頂拱跨度30.8m,最大高度73.78m,總長度226.58m,從左至右依次為安裝間、1#-4#主機(jī)間、副廠房;主廠房頂拱高程991.80m,機(jī)組安裝高程944.50m,尾水管底板開挖高程918.00m。主廠房采用分層分區(qū)開挖,共分為十層,如圖1所示。

主廠房第一層分三個區(qū)開挖,施工程序為:貫通中導(dǎo)洞→中導(dǎo)洞頂拱Ⅰ1區(qū)擴(kuò)挖及支護(hù)→Ⅰ2區(qū)擴(kuò)挖及支護(hù)→Ⅰ3區(qū)開挖及支護(hù)。

主廠房自2008年8月1日開工,首先進(jìn)行中導(dǎo)洞開挖,繼之頂拱及兩側(cè)擴(kuò)挖;至2008年12月15日,除中導(dǎo)洞及Ⅰ1區(qū)全部完成外,Ⅰ3區(qū)上游側(cè)已完成樁號廠(橫)0+070.00~廠(橫)0+133.00(如圖2所示,圖中陰影部分為已開挖區(qū)域);Ⅰ3區(qū)下游側(cè)尚未擴(kuò)挖。

圖1 主廠房分層分區(qū)開挖橫斷面

圖2 塌方前廠房平面形象面貌

2 工程地質(zhì)

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390m~520m,水平埋深310m~530m。山體自然坡度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)、閃長巖脈(δ)等各類巖脈穿插發(fā)育于花崗巖中,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花崗巖,有β6、β80、β81輝綠巖脈穿插?;◢弾r新鮮堅硬,較完整,地應(yīng)力量值σ1=11.37MPa~22.19MPa,屬中—高地應(yīng)力量級,洞室以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主,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灰綠巖脈,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+132.5m~廠(橫)約0+137.5m,廠(縱)0-005.00m,頂拱巖脈位于廠(橫)0+144.6m~廠(橫)0+149.6m,廠(縱)0-005.000m、982m高程,巖脈位于廠(橫)0+147.5m~廠(橫)0+151.5m頂拱中心線,頂拱該巖脈位于廠(橫)0+146.5m~廠(橫)0+152.5m,廠(縱)0+010.00m,頂拱該巖脈位于廠(橫)0+148.0m~廠(橫)0+154.0m,巖脈寬3m~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20cm~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)。

3 塌方發(fā)生經(jīng)過

至塌方發(fā)生前的2008年12月16日,主廠房中導(dǎo)洞及Ⅰ1頂拱區(qū)已全部挖完,其系統(tǒng)支護(hù)情況為:6m砂漿錨桿、掛網(wǎng)、噴鋼纖維混凝土全部完成,樁號廠(橫)0+166.00m~0+040.00m的預(yù)應(yīng)力錨桿全部完成,樁號廠(橫)0+166.00m~0+034.00m的素噴混凝土完成。廠房上游側(cè)開挖Ⅰ3區(qū)廠(橫)0+135.00m~0+070.00m,其支護(hù)情況為:樁號廠(橫)0+131.00m~0+100.00m已完成噴鋼纖維混凝土,廠(橫)0+131.00m~0+080.00m已完成6m砂漿錨桿,廠(橫)0+133.00m掌子面已施工了15根φ28、L=3.0m的超前錨桿。廠(橫)0+133.00m~0+135.00m擴(kuò)挖鉆爆參數(shù):鉆孔長度2.0m,最大單響藥量8.4kg。

2008年12月16日12時爆破后,廠(橫)0+135.00m~0+150.00m段出現(xiàn)掉塊,12時30分掉塊嚴(yán)重,12時55分頂拱偏上游垮塌規(guī)模已較大,在現(xiàn)已完成開挖的廠(橫)0+121.00m~0+160.00m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,12月22日至23日堆積體未見變化。

經(jīng)過現(xiàn)場測量,塌方堆積體在頂拱塌方口下形成圓錐體,錐體底邊長39.24m(順廠軸方向廠(橫)0+120.76m~0+160.00m)、寬17.80m(廠(縱)0-005.00m~0+012.80m)、高約10m(高程982.15m~991.55m),方量約3569m3。堆積體頂部長約15m,寬4.0m~5.0m,如圖3。堆積體系塊碎石,其成份為花崗巖、輝綠巖,其粒徑以0.05m~0.2m及0.5m~1.0m為主,個別大于1.0m。β80巖脈上盤多為較大粒徑的片、塊碎石,巖面粗糙、干燥、新鮮、無水、弱風(fēng)化;巖脈下盤多為小粒徑塊碎石,細(xì)沙、少泥。

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,思考過多種辦法。由于廠房垂直埋深大(400余米),不可能從廠房頂?shù)乇硐蛳绿綔y,只得從塌方孔口的臨空面和上游排水廊道等處鉆探測孔、灌漿孔等33個進(jìn)行探測,總深度548.6m,據(jù)此得出塌腔的大體位置、形狀,腔體邊緣推測線和殘留腔內(nèi)未塌下的塊碎石體體積(如圖3)。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,塌腔孔口長約14m,寬約4.0m~7.5m,塌腔中部(高程1005.00m~1010.00m)長約22m,寬18.4m,塌腔高約33.0m,頂部高程1024.00m~1022.00m。腔內(nèi)殘留塊碎石體頂面高程約1004.00m~1010.00m,即從孔口以上14.0m~20.0m,估計約3500m3。如圖4所示。

圖3 實測塌方堆積體平面

圖4 塌腔形狀(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專家研究塌方成因及處理方案,經(jīng)多次討論,認(rèn)為塌方的原因主要為:

(1)塌方前對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)識是不太明確的。沒有鉆探資料,只是按一般的破碎帶來對待,而不知在主副廠房頂拱上隱藏著未探明的充滿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。從塌落下來的巖塊看,薄殼厚度約1m~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,圍巖薄殼龜裂,誘發(fā)了塌方。

(3)塌方前沒有明顯征兆,監(jiān)測數(shù)據(jù)沒有明顯突變,對巖脈僅采取常規(guī)處理方法,如超前錨桿、噴混凝土、短進(jìn)尺開挖等,沒有意識到存在著巨大的潛在危險。

5 處理措施

5.1 塌方處理思路

對于塌方如何處理,經(jīng)過反復(fù)研究、實踐、改進(jìn),取得了一致的認(rèn)識。由于廠房垂直埋深大,不可能自地表向下灌漿,只有在廠房頂拱范圍內(nèi)向塌腔內(nèi)殘留塊碎石體灌漿。因頂拱以上塌腔情況不明,若先把塌下來的堆積體先行清除,一是不知上面還有多少碴要掉下來;二是下面清碴,上面若有掉碴,極不安全;三是有可能引起更大的塌方。因此,決定先不清除已塌下來的碴體,同時確定處理塌方的原則:“確保施工人員及設(shè)備安全”、“確保施工質(zhì)量”、“防止二次塌方”、“塌方體碴堆最后挖除,確保施工期能利用碴堆進(jìn)行施工作業(yè)及保證頂拱穩(wěn)定”。確定分兩階段進(jìn)行處理(兩期),一期工程自2008年12月20日開始,至2009年3月30日基本結(jié)束;二期工程自2009年3月31日開始至同年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,歷時一年零四個月。

5.2 一期應(yīng)急處理措施

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

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

(3)由遠(yuǎn)及近實施φ32、L=9m和φ28、L=6m,間排距1.5m×1.5m加強(qiáng)錨桿、安裝Ia20間距0.75m的工字鋼型鋼拱架,并噴C25混凝土20cm厚等對塌腔周圍的圍巖進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)支護(hù)及塌方口拱上拱

(4)鉆探測孔和固結(jié)灌漿孔探明塌腔的情況,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)。

(6)對塌腔內(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φ76mm,孔深9m~12m,分段灌漿,灌漿壓力0.15MPa~0.2MPa,水灰比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,只有鉆一段灌一段,掃孔后再灌。同時,吃漿量過大,只有灌灌停停。

(7)布設(shè)小花管。型鋼拱架支撐施工到塌腔口時,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0.5MPa。

(8)布設(shè)大花管。結(jié)構(gòu)如圖6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,反鏟挖除時一次進(jìn)尺1.0m~1.5m,原設(shè)的6.0m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=7mm無縫鋼管,L=9m~13m,間距0.8m,仰角15°~20°,采用100B潛孔鉆將腔外巖體成孔(孔徑φ130mm),裝入大花管,用沖擊錘將大花管打入空腔內(nèi),使用三一混凝土泵灌注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,形成一個強(qiáng)有力的懸挑管棚。

圖6 大花管結(jié)構(gòu)

(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(1.0m~1.5m)平推挖除塌方體,在第一次挖除時,剛挖除一段(1.0m~1.5m),塌腔內(nèi)的石碴又塌落200余m3,表明塌腔內(nèi)石碴通過初步灌漿、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,采取以下措施:

①塌方體空腔周邊大花管再次加固。為加強(qiáng)塌方體腔口穩(wěn)定,沿塌方體腔口增加兩排φ114、δ=7mm、L=9m的大花管,仰角15°~20°,間距0.6m,排距0.8m~1.2m。用沖擊錘將大花管貫入,灌注水泥漿;

②將堆碴體開挖成1~2個臺階,降低空間高度,減緩碴堆坡度,以利穩(wěn)定;

③碴體開挖立即采用麥斯特噴車噴護(hù)C25鋼纖維混凝土及時對塌腔上部穩(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,并噴C25素混凝土將鋼支撐拱架全部覆蓋,形成承重體系。

如此,碴體挖除取得了實質(zhì)性的進(jìn)展,后來又從副廠房側(cè)兩端同時開挖,經(jīng)過兩個多月的艱苦努力,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)計單位根據(jù)塌方空腔體的資料對塌方處理方案進(jìn)行了計算和分析研究,考慮該部位對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,提出二期永久處理方案。

(1)對塌腔體內(nèi)的碴體實施系統(tǒng)固結(jié)灌漿,灌漿孔間排距2m×2m,徑向孔深9.0m,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3.0m,分序加密(Ⅲ序),灌漿壓力孔口段0.5MPa,其余段不大于1.0MPa(后改為1.5MPa)。漿液配合比采用2∶1,1∶1,0.5∶1三個比級。

固結(jié)灌漿質(zhì)量檢查采用巖體聲波測試,不小于2500m/s,同時應(yīng)用單點法作壓水試驗,合格標(biāo)準(zhǔn)為85%的試驗段不大于5Lu,其余不大于7Lu,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,再增加一層φ20@30cm×30cm鋼筋網(wǎng),實施第二層型鋼(Ia20)拱架支撐,再噴厚25cm的混凝土。

(3)對塌方段實施錨索加強(qiáng)支護(hù)。如圖7所示。錨索設(shè)計噸位為180t,塌方口范圍錨索張拉鎖定值為50t,其余150t。

(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。

圖7 塌方口錨索支護(hù)平面

5.4 塌方固結(jié)灌漿復(fù)灌

5.4.1 復(fù)灌緣由

2009年11月設(shè)計方為了進(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、聲波測試等。檢測結(jié)果表明孔口以上(仰孔)6m內(nèi)水泥漿結(jié)石體和巖塊固結(jié)體密實和基本密實;6.0m~9.0m段碴體松散,水泥漿少或無,未達(dá)到設(shè)計要求,需復(fù)灌。分析原因如下:

(1)設(shè)計灌漿壓力小了,因是仰孔,灌漿泵距灌漿孔底部24.0m,壓力達(dá)不到;

(2)灌漿過程中按一般地質(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,造成孔頂部少漿或無漿。

5.4.2 補(bǔ)灌措施

在廠房第四層頂面(高程967.20m)搭設(shè)25.0m高的滿堂腳手架平臺,在該平臺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φ76mm,孔向垂直于巖石,孔深13.0m,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1.0MPa~1.5MPa,二、三段仍為2.0MPa。漿液水灰比3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1,灌漿過程中不間歇,保證灌滿達(dá)到閉漿條件時停灌。

5.4.3 補(bǔ)灌成果

塌方體9m范圍的拱圈灌漿密實,灌后7個壓水試驗孔的透水率均符合設(shè)計要求;4個取芯孔孔內(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個孔內(nèi)攝像,資料齊全圖像清晰;1個聲波檢測孔平均波速為2586m/s,符合設(shè)計要求。

6 結(jié)語

經(jīng)過一年多艱苦卓絕的奮戰(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。通過此次塌方處理的實踐,有了以下幾點認(rèn)識:

(1)事前一定要弄清地質(zhì)情況,不能僅靠推測;

(2)要依據(jù)實際條件制定灌漿參數(shù),不能生搬硬套一般的固結(jié)灌漿要求;

(3)判斷固結(jié)灌漿成果的項目要因地制宜,仰孔的聲波測不準(zhǔn),及時換成其它項目進(jìn)行判斷;

(4)施工中要提高警覺,對一些異常現(xiàn)象及時研究分析。

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