姜宏軍，田建海

（華東勘測設(shè)計研究院，浙江 杭州 310014）

1 工程概況

劉家峽水電站大壩上游1.5km處右岸有一支流—洮河匯入該水庫。洮河的特點是水少沙多，據(jù)統(tǒng)計，多年平均入庫水量僅占該水庫總?cè)霂焖康?%，多年平均入庫沙量占總?cè)霂焐沉康?1%，該河段死庫容已于1987年淤滿，此后來沙淤積電站有效庫容，且大量推移到壩前，使機組磨損嚴重，嚴重影響電站的正常運行。因此考慮在洮河入河口處的黃河左岸新布置一排沙洞，直接攔截該支流及黃河上游的來沙，排沙洞進水口擬采用水下巖塞爆破方案。排沙洞后期兼作新增機組的引水洞。

2 巖塞進水口位置選擇

巖塞進水口位置的確定主要考慮以下五方面：（1）巖塞進水口處地形應(yīng)規(guī)整，無洼坑、洞穴等復(fù)雜地形，邊坡以45°為宜，不宜太陡或太緩。（2）巖塞進水口處巖性應(yīng)單一，無較大斷層破碎帶，巖石完整性好，風(fēng)化較輕，透水性小。（3）根據(jù)排沙洞整體布置，進水口位置宜在攔河壩上游2.0km范圍內(nèi)的左岸選擇。（4）排沙洞需考慮排洮河來沙，因此排沙洞進水口位置只能在洮河河口處與攔河壩間選擇。（5）巖塞爆破對原有建筑物的影響應(yīng)盡可能小，要求巖塞進水口位置應(yīng)盡可能遠離攔河壩等重要建筑物。綜合考慮，確定巖塞進水口位置在洮河河口處的黃河左岸。

3 巖塞進水口地形 地質(zhì)情況

排沙洞巖塞進水口段位于黃河左岸一緩?fù)幌蛩畮斓纳襟w內(nèi)，山體向上游延伸較厚、較緩，向下游延伸較薄、較陡。

巖塞進水口段的巖石主要以云母石英片巖為主，局部夾有花崗巖脈或石英巖脈，其中花崗巖脈多沿層面侵入，呈眼珠狀；石英巖脈多充填在裂隙縫隙中，厚度小，呈條帶狀。

4 巖塞進水口設(shè)計

巖塞進水口段從前至后分為巖塞體、鎖口段、高邊墻段和集渣坑段4部分，長約75m。

4.1 巖塞體體型設(shè)計

（1）巖塞體高程。巖塞體高程的確定主要考慮以下三方面：巖塞爆破時應(yīng)對邊坡F7上盤不穩(wěn)定體的影響較小，使之控制在Ⅷ度地震以下，要求巖塞體高程盡可能低；為加大淤泥層的排沙漏斗尺寸，以利于沉沙、排沙，要求巖塞進水口高程盡可能低；巖塞進水口高程越低，巖塞爆破難度越大。

綜合考慮確定巖塞體底高程為1653.52m，淤泥層排沙漏斗順河向開口約240m，橫河向開口約140m，厚約36m。

（2）巖塞直徑。排沙設(shè)計流量為600m3/s，巖塞體以云母石英片巖為主，石英巖的抗沖流速為15～22m/s，為安全考慮，取抗沖流速為 10m/s，流量保證系數(shù)K取1.2，根據(jù)巖塞進口斷面計算經(jīng)驗公式計算所需的設(shè)計斷面面積F：

式中 K=1.2～1.5；V—流速；Q—流量。

通過計算，巖塞體所需斷面面積為72m2，選擇巖塞體直徑為10m。根據(jù)排沙效果水工模型試驗，證明該布置滿足設(shè)計要求。

（3）巖塞軸線的傾角。根據(jù)實踐經(jīng)驗，巖塞爆破后洞口以上的破裂線均比理論計算值大，洞臉可能發(fā)生局部塌方，爆破漏斗口以外的不穩(wěn)定巖塊滯后于爆破漏斗口以內(nèi)巖渣的爆落，以滑坡的形式下滑。為防止下滑的巖塊堆積在巖塞段，巖塞軸線的傾角必須大于水下巖塊的堆積安息角，水下巖塊的堆積安息角一般為40°左右。該工程的巖塞進水口處地面坡度約為45°，為使巖塞厚度均勻、下滑的巖塊不能堆積在巖塞段處，巖塞軸線傾角取與地面坡度垂直為45°。

（4）巖塞厚度。巖塞厚度主要取決于地質(zhì)條件和巖塞爆破方法，其次與巖塞的直徑、傾角的大小、外水壓力的大小以及滲漏情況等因素有關(guān)。

根據(jù)國內(nèi)外已建工程經(jīng)驗，巖塞厚度與巖塞直徑之比在1.0～1.5之間，當(dāng)采用洞室爆破或上游水深較大時，其比值宜取較大值。由于該工程水庫正常蓄水位為1735.00m，并且?guī)r塞進水口處還有36m厚的淤泥層，增加了巖塞的壓重?？紤]地質(zhì)情況，取巖塞厚徑比為1.26，采用三維非線性有限元計算程序—ANSYS計算，計算模型采用二維模型模擬三維模型，計算結(jié)果表明巖塞體是穩(wěn)定的。

4.2 集渣坑體型設(shè)計

（1）集渣坑型式選擇。該工程為排沙洞工程，但后期利用該洞擴機，因此為減少巖塞爆破后巖渣對隧洞的磨損，避免大量石渣泄入下游河道抬高電站尾水位而影響發(fā)電，需在巖塞體后布置集渣坑。

集渣坑型式主要有靴形和長方形，實踐證明：靴形集渣坑有利于爆破時集渣及機組發(fā)電運行期間渣坑內(nèi)巖渣的穩(wěn)定，因此該工程選用靴形集渣坑。

（2）集渣坑體型設(shè)計。根據(jù)巖塞體形設(shè)計，巖塞體的自然方量2718m3，考慮爆破時不確定因素的影響，取擴大系數(shù)1.1，石渣的松散系數(shù)取1.4，渣坑利用系數(shù)取0.7，則渣坑容積為5980m3。

靴形集渣坑斷面按城門洞形設(shè)計，集渣坑長40m，寬10m，頂拱半徑為5.0m的半圓形，高度由15.78m降至12.5m。

4.3 巖塞進水口段結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）巖塞進水口段工程布置。巖塞體位于進水口段的最前端，與水平呈45°夾角，巖塞厚12.6m，內(nèi)徑10.0m巖塞體底高程為1653.52m，樁號為0～149.52m。巖塞體后接長3.0m，內(nèi)徑10m，鋼筋混凝土襯砌厚1.2m的圓形鎖口段。鎖口段后為與積碴坑段連接的高邊墻段，此段頂拱為R=5.0m的半圓形，底部由半圓形漸變?yōu)榉叫?，兩?cè)邊墻最高為25m，由于此段受巖塞爆破影響較大，因此四周均采用1.2m厚的鋼筋混凝土襯砌；為使排沙及發(fā)電水流平順，此段的頂拱沿縱向采用一R=7.0m、圓心角為57°03′52″的圓弧將鎖口段與高邊墻段連接。高邊墻段后為40m長的集渣坑段，集渣坑段底部為靴形集渣坑，集碴坑底高程為1625.50m，頂拱及邊墻采用1.0m厚的鋼筋混凝土襯砌；上部為排沙洞，排沙洞內(nèi)徑10m、鋼筋混凝土襯砌厚1.0m、底坡為i=0.214的反坡，延伸至事故閘門井前漸變段，排沙洞與集碴坑間的巖體厚度在2.5～14m之間。經(jīng)ANSYS程序計算，在開挖后巖石是穩(wěn)定的。集渣坑段與事故閘門井前漸變段間的排沙洞受巖塞爆破影響較小，因此襯砌厚度采用0.5m。

此集碴坑形狀經(jīng)水工模型實驗，集碴效果比較理想，集碴率達到70%以上，滿足設(shè)計要求。

（2）巖塞進水口段結(jié)構(gòu)設(shè)計。

①襯砌材料。黃河來水夾沙量大，水庫淤積嚴重，排沙洞在排沙運行條件下，流速為7.64m/s，排沙水流的含沙量遠大于2kg/m3，從爆破泄碴及運行排沙兩種工況考慮，襯砌需用高強混凝土，參照《水工混凝土抗沖磨防空蝕技術(shù)規(guī)范》（送審稿）及其它工程實例，確定排沙洞襯砌混凝土采用C50的高強硅粉混凝土。

由于巖塞爆破以后水流夾帶大部分石碴迅速涌入集碴坑，短時間內(nèi)占滿整個集碴坑，以后集碴坑洞壁不再受到?jīng)_刷干擾，故集碴坑襯砌混凝土采用C20的普通混凝土。

②荷載。山巖壓力和襯砌結(jié)構(gòu)自重。進水口段圍巖為Ⅰ～Ⅱ類圍巖，巖石容重為28kN/m3。由于此段結(jié)構(gòu)在巖塞爆破后沒有維護條件，因此為安全考慮，在鎖口段與高邊墻段間的山巖壓力按其上部25m高的巖體受爆破沖擊波影響全部塌落進行設(shè)計；集渣坑段的山巖壓力按0.3倍開挖跨度的塌落拱計。鋼筋混凝土襯砌的結(jié)構(gòu)自重按照容重為25kN/m3考慮。

內(nèi)水壓力與外水壓力。內(nèi)水壓力按照庫水位為正常蓄水位1735.0m考慮。根據(jù)地勘資料進水口段地下水位與庫水位基本一致，因此外水壓力按照庫水位為正常蓄水位1735.0m時乘以0.9的外水折減系數(shù)考慮。

爆破荷載。該次巖塞爆破對近區(qū)地面的影響，大致控制在8度地震左右，但由于進水口段直接與巖塞爆破部位相接，處于沖擊波和應(yīng)力波傳播范圍之內(nèi)，參照有關(guān)工程經(jīng)驗，進水口結(jié)構(gòu)所受的靜荷載均乘以0.5的動力系數(shù)做為爆破荷載考慮。

③結(jié)構(gòu)設(shè)計。鎖口段和高邊墻段。由于鎖口段的結(jié)構(gòu)尺寸和受力條件均優(yōu)于高邊墻段，因此只對高邊墻段進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計工況考慮2種：正常排沙運行工況及巖塞爆破工況。正常運行工況內(nèi)、外水壓力基本平衡，僅相差一流速水頭，類似于外水壓力作用在襯砌上，所以此工況不是控制工況；巖塞爆破工況的主要荷載有外水壓力、垂直的山巖壓力以及爆破產(chǎn)生的動荷載。

由于此段的底部直接連接到集碴坑的底部，坡度達到51°，因此計算斷面取距最高斷面0.5倍開挖跨度處的斷面進行計算，計算斷面的邊墻高度為17m。采用ANSYS計算程序計算，計算過程沒有考慮錨桿及排水孔的作用。經(jīng)計算，巖塞爆破工況下在高邊墻段底角處混凝土襯砌內(nèi)層單元被拉裂，但爆破以后此處即處于內(nèi)外水平衡狀態(tài)，雖然局部的混凝土襯砌內(nèi)層單元被拉裂損壞，但不影響結(jié)構(gòu)的整體性，因此綜合分析，厚1.2m的C50混凝土襯砌，雙層配筋情況下結(jié)構(gòu)是安全的。

集渣坑段。設(shè)計工況考慮3種：正常排沙運行工況、巖塞爆破工況及巖塞爆破后工況。運行工況的主要荷載有內(nèi)、外水壓力，垂直的山巖壓力；巖塞爆破工況主要荷載有外水壓力、垂直的山巖壓力以及爆破產(chǎn)生的動荷載；巖塞爆破后工況是在巖塞爆開后，水及巖渣混合物進入集碴坑但還沒有進入上部的排沙洞時的情況，此工況下集渣坑有水擊壓力而排沙洞內(nèi)無壓力，根據(jù)鏡泊湖巖塞爆破觀測資料分析，集碴坑端部立面所受的水擊壓力較大，約2倍作用水頭，而頂拱、邊墻及底部所受的水擊壓力較小，在設(shè)計中取1.5倍作用水頭。

3種設(shè)計工況均采用ANSYS計算程序計算，經(jīng)計算，上部排沙洞結(jié)構(gòu)是安全、穩(wěn)定的；在集碴坑開挖過程中底角處巖石進入塑性；巖塞爆破后工況在集碴坑端部的頂拱混凝土襯砌內(nèi)層單元被拉裂，其它部位的結(jié)構(gòu)均是安全的?？紤]巖塞爆破時間很短，爆破以后集渣坑即處于內(nèi)外水平衡狀態(tài)，雖然計算結(jié)果中顯示集渣坑個別部位有局部破損的可能，但不影響集渣坑的整體結(jié)構(gòu)及使用要求。綜合分析，厚1.0m的混凝土襯砌，雙層配筋情況下結(jié)構(gòu)是安全的。

由于地質(zhì)探洞在排沙洞上部，最小部位都已挖穿，因此地質(zhì)探洞在巖塞爆破前須封堵，采用C15混凝土封堵后還需進行回填灌漿。