張學彬

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川成都 610081)

1 概 述

大渡河大崗山水電站位于四川省雅安市石棉縣挖角鄉(xiāng)境內的大渡河中游干流上,裝機 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)電建筑物由電站進水口、4條壓力管道、地下廠房、主變室、尾水調壓室、尾水隧洞、尾閘室及尾水出口等組成。

圖 1 廠方開挖示意圖

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#主機間、副廠房。廠房頂拱高程 991.80m,機組安裝高程944.50m,尾水管底板開挖高程 918.02m。

主廠房采用分層分區(qū)開挖,共分 10層,如圖1所示。主廠房第一層分三個區(qū)開挖,施工順序:貫通中導洞(中導洞頂拱Ⅰ—①區(qū)擴挖及支護上、下游側Ⅰ—②區(qū)擴挖及支護Ⅰ—③區(qū)開挖。

主廠房于 2008年 8月 1日開工,首先進行中導洞開挖,繼之為頂拱及兩側擴挖。至 2008年12月 15日,除中導洞及Ⅰ—①區(qū)全部完成外,Ⅰ—③區(qū)上游側已完成樁號廠(橫)0+070.00～廠(橫)0+133.00,其余部位尚未擴挖,如圖 2所示。

圖 2 塌方前廠房形象面貌圖

2 工程地質情況

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390～520m,水平埋深 310～530m。山體自然坡度為 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),具中粒結構,有輝綠巖脈(β)、花崗細晶巖脈(rL)、閃長巖脈(δ)等各類巖脈穿插發(fā)育于花崗巖中,尤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,地應力量值1=11.37～22.19MPa,屬中-高地應力量級,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。

主機間 3#、4#機組及副廠房段(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,構造形式以斷層和節(jié)理裂隙為特征,有五條斷層。

β80輝綠巖脈,總體產狀 N15°E/NW∠50°～N25°W/SW∠65°,上游壁一帶產狀 N15°E/NW∠50°起伏,頂拱上游側巖脈出露于廠(橫)0+132.5～廠 (橫)約 0+137.5,頂拱中心線巖脈位于廠(橫)0+147.5～廠 (橫)0+151.5,頂拱下游側該巖脈位于廠(橫)0+148～廠 (橫)0+154,巖脈寬 3～4m,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 20～30cm,由片狀巖、碎粉巖組成,屬巖屑夾泥型;β80巖脈及內部的花崗巖透鏡體均構成斷層影響帶,呈碎裂結構。廠區(qū)巖脈分布見圖 3。

圖 3 廠區(qū)巖脈分布圖

3 塌方發(fā)生經過

2008年 12月 16日 12時爆破后,廠 (橫 )0+135.00～0+150.00段出現(xiàn)掉塊,12時 30分掉塊嚴重,12時 55分頂拱偏上游垮塌規(guī)模已較大,在已完成開挖的廠(橫)0+121.00～0+160.00段形成順廠軸線的堆積體。至 12月 17日堆積體仍在擴大,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。圖 4為塌方初期及基本穩(wěn)定時的情形。

圖 4 塌方初期及基本穩(wěn)定的情形示意圖

經過現(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+120.76 ～ 0+160.00)、寬 17.80m(廠(縱)0-005.00 ～0+012.80)、高約 10m(高程982.15～991.55),方量約 3569m3。堆積體頂部長約 15m,寬 4.0～5(圖 5)。堆積體系塊碎石,其成分為花崗巖、輝綠巖,其粒徑以 0.05～0.2及0.5～1.0為主,個別大于 1m。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、弱風化,巖脈下盤多為小粒徑塊碎石、細沙,少泥。

圖 5 實測塌方堆積體平面圖

為了解頂拱孔口以上塌腔的位置、形態(tài)、塌腔內殘留塊碎石堆積體體積,考慮過多種辦法。由于廠房垂直埋深大(400余 m),不可能從廠房頂向下探測,只能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個進行探測,總深度 548.6m,據此得出塌腔的大體位置、形狀,腔體邊緣推測線和殘留腔內未塌下的塊碎石體體積。塌腔體型呈倒置的、偏向廠房左側(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 4～7.5m,塌腔中部(高程 1005.00～1010.00m)長約 22m,寬 18.4 m,塌腔高約 33.0m,頂部高程 1024.00～1022.00m。腔內殘留塊碎石體頂面高程約 1004.00～1010.00m,即從孔口以上 14.0～ 20.0m,估計約 3500m3(圖 6)。

圖 6 塌方體形狀圖(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,經多次討論,各方一致認為塌方產生的原因主要為:

(1)塌方前對 β80輝綠巖脈擠壓破碎帶的位置、形態(tài)、規(guī)模、破碎帶結構等參數的認識是模糊的,不太明確且沒有鉆探資料,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,因而未能采取相應的措施。

(2)在廠房中導洞和頂拱開挖完成后,緊接著挖 3#、4#機組及副廠房上游側,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 1～2m,這樣的薄層巖體,在約 30m高的塌腔內塊碎石的強大壓力下,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)塌方。

(3)塌方前沒有明顯征兆,監(jiān)測數據沒有明顯突變,對巖脈僅采取常規(guī)的處理方法,如超前錨桿、噴混凝土、短進尺開挖等,沒有意識到其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,經過反復研究、實踐、改進,取得了一致的認識,按照分期分階段的思路分兩期進行處理:

(1)塌方一期處理:為防止塌方勢態(tài)的進一步擴大,先不把塌下來的碴體挖除,而是將塌方碴堆固結形成支撐結構,并對塌腔及周邊影響范圍進行加固處理;

(2)塌方二期永久加固:塌方一期加固完成后,塌方段頂拱保證了初期穩(wěn)定。為了保證廠房頂拱的永久穩(wěn)定和安全,采用系統(tǒng)固結灌漿、雙層鋼拱架、錨索等措施對塌方體進行加固。

一期工程自 2008年 12月 20日開始,至 2009年 3月 30日基本結束;二期處理工程自 2009年 3月 31日開始至同年 10月 26日結束,塌方補灌自2010年 2月 8日至同年 4月 30日,歷時一年零四個月。

5.2 一期應急處理措施

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

(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進行固結封閉,以穩(wěn)定堆積體形態(tài),利用堆碴對頂拱形成支撐。

(3)由遠及近布設 φ32L=9m和 φ28L=6 m,間排距 1.5m×1.5m加強錨桿、安裝 Ia20間距 0.75m的 20#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行加強支護(圖 7)。

(4)鉆探測孔和固結灌漿孔以探明塌腔的情況,為下一步采取措施提供依據。

(5)恢復被塌方損壞的監(jiān)測儀器,為了解塌方變形和穩(wěn)定狀態(tài)提供可靠的數據。

圖 7 系統(tǒng)支護及塌方口頂拱支護圖

(6)對塌腔內的碴體進行初步固結灌漿。用多臂鉆和 100B潛孔鉆從 β80巖脈兩側和下游側向空腔鉆孔,孔徑為 76mm,孔深 9～12m,分段灌漿,灌漿壓力為 0.15～0.2MPa,水灰比為 1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1。由于腔內碴體松散,鉆孔中多次塌孔,只能鉆一段、灌一段,掃孔后再灌;同時吃漿量過大,只有灌灌、停停。

(7)布設小花管。當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,再進行花管灌漿,灌漿壓力為 0.5MPa。

(8)布設大花管,結構如圖 8所示。在塌腔左右兩端增設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,反鏟挖除時一次進尺 1.0～1.5m,而原設計要求的 6m小花管較短,塌腔內碴體隨之塌落,不能前進。經反復研究,提出布置大花管方案,大花管采用 φ114、δ=7 mm的無縫鋼管,L=9～13m,間距 0.8m,仰角15°～20°,采用 100B潛孔鉆將腔外巖體成孔(φ130),裝入大花管,用沖擊錘將大花管打入空腔內,使用混凝土泵灌注 M30砂漿。大花管一端支撐在鋼拱架上,另一端嵌入腔體內未塌落的碴體中,形成一個強有力的懸挑管棚。

圖 8 大花管結構圖

(9)挖除塌方堆積體。在固結灌漿完成、初期拱架、小花管管棚完成一段后,先用反鏟自安裝間側向副廠房短進尺(1～1.5m)平推挖除塌方體,在第一次挖除時,剛挖除一段(1～1.5m)塌腔內的石碴,又塌落了 200余 m3,說明塌腔內石碴通過初步灌漿、小花管管棚施工并未完全固結,還不具備塌方堆積體挖除條件,經反復研究和試驗,采取了以下措施:

①塌方體空腔周邊采用大花管再次加固。為加強塌方體腔口穩(wěn)定,沿塌方體腔口增加了兩排 φ114、δ=7mm、L=9m的大花管,仰角 15°～20°,間距 0.6m,排距 0.8～1.2m。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 C25鋼纖維混凝土,及時對塌腔上部穩(wěn)定的碴體進行封閉;

④鋼拱架隨后跟進并向下延伸至底部,噴C25素混凝土將鋼支撐拱架全部覆蓋,形成承重體系。

如此實施,碴體挖除取得了實質性的進展,隨后又從副廠房側兩端同時開挖,經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。

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,為二期處理提供了安全的施工環(huán)境。

5.3 二期永久處理

設計單位根據塌方空腔體的資料,對塌方處理方案進行了計算分析研究,考慮到該部位對廠房下部施工和工程永久安全運行的重要性,結合一期處理的措施,提出了二期永久處理方案。

(1)對塌腔體內的碴體實施系統(tǒng)固結灌漿,灌漿孔間排距為 2m×2m,徑向孔深 9m,以期將腔內碴體固結成較厚的穩(wěn)定層。

灌漿采用自孔口向孔底分段灌漿法,孔內循環(huán),段長3m,分序加密(Ⅲ序),灌漿壓力為孔口段0.5MPa,其余段不大于 1.0MPa(后改為 1.5 MPa)。漿液配合比采用 2∶1,1∶1,0.5∶1三個比級。

固結灌漿質量檢查采用巖體聲波測試,不小于 2500m/s,同時應用單點法作壓水試驗,合格標準為 85%的試驗段不大于 5Lu,其余不大于 7 Lu,且分布不集中。

(2)布置鋼筋網及第二層工字鋼拱架。為了加強型鋼拱架的承載能力和頂拱的整體性,在一期支護的基礎上,再增加了一層 φ20@30cm×30 cm鋼筋網,實施第二層 20#工字型鋼支撐拱架,再噴厚 25cm的混凝土。

(3)對塌方段實施錨索加強支護(圖 9)。錨索設計噸位為 180t,塌方口范圍錨索張拉鎖定值為 50t,其余為 150t。

圖 9 塌方口錨索支護平面構圖

(4)在塌腔范圍內加密排水孔,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。

5.4 塌方固結灌漿復灌

(1)復灌緣由。

2009年 11月,設計方為了進一步了解塌腔內殘留的破碎巖塊堆積體在固結灌漿后的質量情況,進行了鉆孔取芯、孔內攝像、聲波測試等,檢測資料表明:孔口以上(仰孔)6m內水泥漿結石體和巖塊固結體密實和基本密實,6～9m段碴體松散,水泥漿少或無,未達到設計要求,需復灌。分析原因:①設計灌漿壓力過小。因是仰孔,灌漿泵距灌漿孔底部 24m,壓力達不到;②灌漿過程中,按一般地質要求限流限量待凝,而塌腔體內巖塊間空隙大,灌漿通道在停灌期間堵塞;③因是仰孔,漿液到達頂面卸壓后由于重力作用向下沉淀,從而造成孔頂部少漿或無漿。

(2)補灌措施。

在廠房第四層頂面(高程 967.20m)搭設 25 m高的滿堂腳手架平臺,在該平臺上向廠房頂拱仰向固結灌漿,灌漿范圍主要在塌腔內,灌漿參數為:孔間排距 1.5m×1.5m,梅花形布置,孔徑為76mm,孔向垂直于巖石,孔深 13m,分兩序,每孔分成 6m、3m、4m三段,自下而上分段孔內循環(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 1.0～1.5MPa,二、三段仍為 2.0MPa。漿液水灰比為 3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1,灌漿過程中不間歇,直至達到灌漿結束標準。

(3)補灌成果。

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計要求;4個取芯孔孔內灌漿結石明顯,部分孔由于巖體較為破碎,芯樣獲取率較低;在塌方體補灌范圍內布設的 7個孔內攝像資料齊全,圖像清晰;1個聲波檢測孔平均波速為 2586m/s,符合設計要求。

6 結 語

經過一年多時間的奮戰(zhàn),大崗山水電站主副廠房較大規(guī)模的塌方處理終于結束,為廠房的永久安全提供了保障。通過此次塌方處理實踐,筆者總結出以下幾點認識:

(1)地下洞室大塌方發(fā)生后,先不進行塌方體挖除,而對塌方體固結形成支撐體,可以防止塌方規(guī)模進一步擴大。

(2)對塌方體周圍圍巖進行加固處理后,對塌方體挖除必須分臺階、短進尺進行,可減小二次塌方的規(guī)模。

(3)采用大花管灌漿穩(wěn)定塌腔內松散石碴是本工程一期處理最關鍵、最有效的施工措施。

(4)要達到塌腔內松散石碴完全固結的效果,固結灌漿要分期進行。