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        黑河塘水電站引水隧洞過磨房溝段的處理

        2012-12-19 03:40:32梁文杰
        水電站設計 2012年4期
        關(guān)鍵詞:隧洞灌漿巖體

        梁文杰

        (中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072)

        1 前 言

        黑河塘水電站主要由首部樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)樞紐三部分組成。首部樞紐由3孔泄洪閘、沖沙閘、左右岸擋水壩及進水口組成;引水系統(tǒng)沿河左岸布置,水流經(jīng)過長約6 443m引水隧洞到達調(diào)壓室,再經(jīng)過長約430m、高差158m的壓力管道進入位于白水江左岸的地面廠房,發(fā)電尾水經(jīng)引渠流入白水江。

        閘址區(qū)位于羌活溝口下游800m至磨房溝上游約300m之間的河段上,引水系統(tǒng)的進水口布置在左岸,取水角為105°,在主河床布置3孔泄洪閘,左岸緊靠進水口布置1孔沖沙閘,構(gòu)成“正向沖沙、泄洪,側(cè)向取水”的引水防沙和泄洪的樞紐體系。設置3孔寬4m的泄洪閘、1孔寬2.5m的沖沙閘,閘底板高程1 738m。閘兩側(cè)為重力式擋水壩,最大壩高21.5m。閘壩基礎為懸掛式混凝土防滲墻,兩岸巖體采用帷幕灌漿。

        引水建筑物由進口閘、引水隧洞、調(diào)壓室及壓力管道組成。取水口設置3套攔污柵及回轉(zhuǎn)式清污機,每孔寬4m,高12.5m,進水口底板高程為1 766.00m,孔口高5m,設有1道工作閘門。

        引水隧洞全長6 442.908m,末端底板高程為1 735.00m,縱向底坡為0.48%,隧洞斷面型式為城門洞形,開挖斷面尺寸為5.2m×6.1m(寬×高),采用錨噴混凝土襯砌和鋼筋混凝土襯砌。引水隧洞的施工,設計布置了3條施工支洞及相應施工道路,其中1號、3號施工支洞設為隧洞的檢修通道。

        調(diào)壓室型式為水室式,豎井直徑7m,高47.3m;上室長200m,上室設交通洞兼補氣洞,長度為150m。壓力管道采用地下埋藏式鋼板襯砌,主管長405.512 m,內(nèi)徑3.7m,支管內(nèi)徑2.2m。

        廠房布置于白水江左岸Ⅰ級階地上,主廠房縱軸線與壓力管道主管垂直。副廠房﹑主變室及GIS室均布置在主廠房的上游側(cè),安裝間布置在主機間左側(cè),尾水渠正向出水與河道相接。廠區(qū)交通與九環(huán)線旅游公路相接。主廠房尺寸46.62m×18.10m×32.42m(長×寬×高)。

        2 隧洞過磨房溝段的工程地質(zhì)條件

        2.1 基本地質(zhì)條件

        引水隧洞自樁號0+850~1+250m穿越磨房溝。該溝為常年流水溝,現(xiàn)代溝床偏右側(cè),切割深度大,谷坡陡峻,多為基巖裸露;左側(cè)1 860.0m高程地形寬緩,為古冰川凍融泥石流堆積的緩坡平臺。隧洞穿越處(0+940m左右)溝底高程1 830m,隧洞底高程約為1 762.5 m,洞段鉛直埋深一般為100~110m,最淺埋深63.0m。

        據(jù)前期地質(zhì)調(diào)查和鉆孔揭示,該溝原始溝床為冰蝕槽谷,古溝床偏隧洞下游側(cè),形態(tài)起伏變化大,溝內(nèi)堆積了厚達80余米的凍融泥石流塊碎石土,塊徑大小懸殊,結(jié)構(gòu)極不均一,塊碎石構(gòu)成骨架,空隙中充填碎屑、角礫及粘質(zhì)粉土,土體結(jié)構(gòu)較密實。因該段覆蓋層透水性強,豐枯地下水位變化大,前期勘察期間正值枯水期,鉆進中均不返水,鉆孔實測終孔水位普遍較低,各孔地下水位均位于基巖頂面附近,自上游向下游分別為1 782.06m(ZK19#)、1 790.71m(ZK17#)、1815.94m(ZK18#)。建議塊碎石土的滲透系數(shù)為1×10-2cm/s,強風化強卸荷巖體建議透水率大于100Lu。

        隧洞穿越段巖性為黑河組下段第1~3亞層,巖性以砂巖夾板巖為主,巖層產(chǎn)狀N35°~50°W/SW∠30°~40°。

        2.2 圍巖工程地質(zhì)條件及評價

        2.2.1 招標階段圍巖分類預測

        前期勘察階段鉆孔揭示,過溝段隧洞埋深63~110m,因覆蓋層深厚,上覆基巖厚度最薄處僅14.0m。巖性以砂巖夾板巖為主,洞段圍巖風化卸荷強烈,巖體結(jié)合度差,地下水活動強烈,裂面普遍中~強銹,充填巖屑和次生泥,按水電圍巖分類標準,洞段圍巖類別以Ⅳ~Ⅴ類為主。

        2.2.2 開挖揭示圍巖地質(zhì)狀況及施工臨時支護

        經(jīng)開挖揭示,樁號0+850~0+954m段埋深一般為80~160m,巖性以砂巖夾板巖為主,產(chǎn)狀N35°~50°W/SW∠30°~40°,走向與洞軸線呈大角度相交,地下水活動不強,局部段有線狀滲滴水,裂面多弱~輕銹,屬弱風化弱卸荷上部,巖體呈中厚層狀結(jié)構(gòu),局部薄板狀結(jié)構(gòu),以Ⅲ類圍巖為主,施工過程中,采取了錨桿、掛網(wǎng)噴護。

        遺傳算法現(xiàn)已在路徑規(guī)劃方面得到一定的運行效果。但是標準遺傳算法搜索空間一般較大,存在過多多余搜索、導致收斂速度慢和運行時間長等缺陷。例如,文獻[6]和文獻[7]所提的基于柵格地圖的改進遺傳算法中,當柵格密度較大時,搜索空間達數(shù)百數(shù)千柵格,有較多冗余搜索,影響算法搜索收斂速度。本文在原有遺傳算法的基礎上加入彈性網(wǎng)格概念,采用簡單獨立坐標編碼,通過動態(tài)變換地圖網(wǎng)格密度,減小算法搜索空間;同時,加入自適應變異算子,以加速收斂速度。

        樁號0+954~1+067m段埋深一般為100~110m,推測上伏基巖厚度一般為10~15m,最小厚度約為5.0m,巖性以砂巖夾板巖為主,屬強風化強卸荷巖體,產(chǎn)狀雜亂,地下水活動強烈,開挖過程中多處產(chǎn)生大量涌水(實測最大流量達1 600m3/h),巖體結(jié)合度差,并夾有大量巖屑和黃色次生泥,圍巖極不穩(wěn)定,以Ⅴ類圍巖為主。施工中采取了短進尺、弱爆破,超前錨桿、格柵拱架、掛網(wǎng)噴護等措施。在1+038.5~1+048.5m段因掌子面集中涌水、巖體夾泥較厚、結(jié)構(gòu)強度低,頂拱曾發(fā)生了高約4~6m的塌方,施工中采取了小管棚、鋼拱、掛網(wǎng)噴護,支護后圍巖基本穩(wěn)定,未產(chǎn)生大的變形;1+061~1+067m段因地下水活動強烈,巖體結(jié)構(gòu)松弛,多呈塊夾泥狀,開挖過程中掌子面大量涌水,外側(cè)出現(xiàn)明顯的張拉裂隙,并有大量的碎塊、碎屑及夾泥涌出,并隨之塌方,塌方高達8~10m。施工中采取了大管棚、加密鋼拱及掛網(wǎng)噴護,支護后圍巖基本穩(wěn)定,未產(chǎn)生大的變形。

        樁號1+067~1+100m段巖性以中厚層砂巖為主,產(chǎn)狀N35°~50°W/SW∠30°~40°,走向與洞軸線呈大角度相交,裂面多弱~中銹,巖體呈中厚層狀結(jié)構(gòu),洞段地下水活動較強烈,普遍滲滴水,部分段呈股狀射流,圍巖不穩(wěn)定,以Ⅳ類圍巖為主。

        3 隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設計

        3.1 隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的調(diào)整

        根據(jù)該段開挖及施工臨時支護實際斷面資料,此段仍有部分段底部未開挖至設計高程,實際開挖中心線與設計中心線存在偏差,且該段圍巖破碎,滲透水豐富,若要求按設計布置開挖,施工難度較大,對工期影響較大,為方便施工,對(隧)0+688.77~1+100m的永久結(jié)構(gòu)設計作如下調(diào)整:

        (1)由于隧洞(隧)0+945.00~1+100.00m段的圍巖破碎,地下滲透水豐富,該段隧洞開挖的實際中心線與原設計有較大的偏移,在該段隧洞轉(zhuǎn)點處改為小角度折線相聯(lián)。

        (2)為降低隧洞底板開挖及永久支護施工難度,以及與隧洞原底板縱坡平順銜接,將該段底板縱坡作分段調(diào)整。由于隧洞臨時支護較強,開挖及支護斷面比設計要求的有所減小,故對該段永久襯砌斷面作相應調(diào)整,以確保襯砌厚度不小于60cm。

        (3)對該永久襯砌段邊、頂拱周邊可能存在的空腔地段(尤其是施工開挖中曾出現(xiàn)塌方、冒頂?shù)牡囟?進行地質(zhì)雷達檢測,以加強邊、頂拱回填灌漿和接觸灌漿處理。

        (4)隧洞底板巖體極度松弛,結(jié)構(gòu)極不均一,開挖后有不同程度的松弛回彈,底板清基難以徹底,為改善底板巖體的不均一性,增強其整體性,避免出現(xiàn)不均一變形,適當加深0+978~1+038.5m段底板固結(jié)灌漿深度。

        3.2 結(jié)構(gòu)計算原則及假定

        此段隧洞混凝土襯砌斷面為半圓拱城門洞形,結(jié)構(gòu)計算采用DL/T 5195-2004《水工隧洞設計規(guī)范》推薦的非圓形隧洞襯砌計算方法即邊值法進行,按可靠度計算。

        考慮到本段襯砌外部邊界為由鋼拱支撐、鋼筋拱架、噴混凝土、巖石錨桿等組成的臨時支護層,在計算中未計圍巖的彈性抗力,取值為0.001MPa/m以滿足計算程序收斂條件,施工中對襯砌體頂拱進行回填灌漿、邊墻接觸灌漿、底板固結(jié)灌漿,以滿足襯砌與圍巖接觸條件。

        計算襯砌結(jié)構(gòu)取典型斷面,厚度取最小厚度60cm,混凝土強度等級C20,鋼筋為Ⅱ級。

        因洞段上伏覆蓋層厚度大,透水性強,豐枯地下水位變化大,前期勘察期間正值枯水期,鉆孔實測終孔水位普遍較低,為保證圍巖襯砌有足夠的安全裕度,外水壓力采用磨房溝溝床1 830.0m高程與隧洞頂拱差作為計算水柱高(水頭約63.0m),折減系數(shù)0.85,建議設計外水壓力為55.0m。

        3.3 計算荷載及工況

        ①內(nèi)水壓力:23m;

        ②外水壓力:55m;

        ③山巖壓力;

        ④襯砌自重。

        承載能力極限狀態(tài)作用(荷載)效應組合:

        正常水位運行工況: ①+③+④

        隧洞放空檢修工況: ②+③+④

        3.4 計算成果

        3.4.1 基本參數(shù)

        隧洞為城門洞形,凈尺寸為4.4m×4.6m(寬×高),襯砌厚度為60cm。電站正常運行時,作用水頭為23m;檢修工況時,外水壓力最大為55m。

        3.4.2 計算成果(見表1、2)

        表1 隧洞正常運行工況(內(nèi)水壓力23m)

        表2 隧洞檢修工況(外水壓力55m)

        由于該段隧洞地質(zhì)條件差,外水壓力大,根據(jù)計算成果,采取較大配筋以確保該段結(jié)構(gòu)安全。

        4 電站初期運行安全性評價

        4.1 襯砌鋼筋混凝土的檢測分析

        根據(jù)對已襯砌鋼筋混凝土的檢測成果,地質(zhì)雷達監(jiān)測的襯砌混凝土平均厚度為70cm,最小厚度為58cm,鋼筋布置基本滿足設計要求?;炷翉姸然貜椬h檢測成果平均為21.5MPa,達到設計要求。

        隧洞正常運行時,此段內(nèi)水壓力為23m,巖石最小覆蓋厚度17m,滿足《水工隧洞設計規(guī)范》中對巖石最小埋深的要求,且外水壓力高于內(nèi)水壓力,不存在內(nèi)水外滲問題。

        4.2 初期運行安全性分析

        隧洞充水試運行時,由于隧洞內(nèi)水壓力的抵消作用,外水壓力強度有所減少,使襯砌結(jié)構(gòu)處于有利組合狀況,襯砌強度及變形滿足設計要求。將該段隧洞由較大的股狀滲水排入洞內(nèi),以利于完成隧洞襯砌外緣的接觸灌漿、固結(jié)及回填灌漿工作,降低灌漿過程中因外水壓力影響施工難度,保證灌漿質(zhì)量,加快灌漿施工進度。從2006年4月隧洞開挖至2006年10月25日澆筑混凝土完成,在(隧)1+020、1+028及1+058m處有三股較大的股狀水,其中1+058m處股狀水直徑約15cm,壓力0.3~0.4MPa,其它滲水部位均為股狀、線狀及滴狀滲水,水質(zhì)清澈,無巖石顆粒滲出,說明外水內(nèi)滲在短期內(nèi)帶走的軟弱顆粒過程已基本結(jié)束,在較大滲水點未見新的圍巖塌落被滲水帶出,局部存在的一些排水通道不至于在短期內(nèi)造成圍巖的滲透破壞。目前隧洞襯砌完好穩(wěn)定,因此,根據(jù)地質(zhì)部門建議及專家意見,在試運行期間對該段襯砌頂拱的3處集中出水孔在電站運行初期不進行封堵,以加快施工進度,確保按時發(fā)電。在初期運行期間此段隧洞襯砌混凝土強度及變形達到設計要求,隧洞襯砌結(jié)構(gòu)可保證運行期間的安全。待運行一段時間(如2~3年)后放空檢查,根據(jù)檢查狀況再研究對較大的3股滲水是否采取封堵措施,或?qū)δシ繙纤扇r、截、導、排的工程處理措施。

        自2006年12月19日電站正式發(fā)電投入商業(yè)運行,至今一直正常運行。

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