梁文杰

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)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(jìn)水口組成；引水系統(tǒng)沿河左岸布置，水流經(jīng)過(guò)長(zhǎng)約6 443m引水隧洞到達(dá)調(diào)壓室，再經(jīng)過(guò)長(zhǎng)約430m、高差158m的壓力管道進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shè)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(chǔ)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(jìn)口閘、引水隧洞、調(diào)壓室及壓力管道組成。取水口設(shè)置3套攔污柵及回轉(zhuǎn)式清污機(jī)，每孔寬4m，高12.5m，進(jìn)水口底板高程為1 766.00m，孔口高5m，設(shè)有1道工作閘門。

引水隧洞全長(zhǎng)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(kāi)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(shè)計(jì)布置了3條施工支洞及相應(yīng)施工道路，其中1號(hào)、3號(hào)施工支洞設(shè)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(zhǎng)200m，上室設(shè)交通洞兼補(bǔ)氣洞，長(zhǎng)度為150m。壓力管道采用地下埋藏式鋼板襯砌，主管長(zhǎng)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(jí)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(jī)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(zhǎng)×寬×高)。

2 隧洞過(guò)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(hào)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(tái)。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(dá)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(shí)。因該段覆蓋層透水性強(qiáng)，豐枯地下水位變化大，前期勘察期間正值枯水期，鉆進(jìn)中均不返水，鉆孔實(shí)測(cè)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(qiáng)風(fēng)化強(qiáng)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(píng)價(jià)

2.2.1 招標(biāo)階段圍巖分類預(yù)測(cè)

前期勘察階段鉆孔揭示，過(guò)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(fēng)化卸荷強(qiáng)烈，巖體結(jié)合度差，地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，裂面普遍中～強(qiáng)銹，充填巖屑和次生泥，按水電圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)，洞段圍巖類別以Ⅳ～Ⅴ類為主。

2.2.2 開(kāi)挖揭示圍巖地質(zhì)狀況及施工臨時(shí)支護(hù)

經(jīng)開(kāi)挖揭示，樁號(hào)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(dòng)不強(qiáng)，局部段有線狀滲滴水，裂面多弱～輕銹，屬弱風(fēng)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(guò)程中，采取了錨桿、掛網(wǎng)噴護(hù)。

遺傳算法現(xiàn)已在路徑規(guī)劃方面得到一定的運(yùn)行效果。但是標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法搜索空間一般較大，存在過(guò)多多余搜索、導(dǎo)致收斂速度慢和運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)等缺陷。例如，文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]所提的基于柵格地圖的改進(jìn)遺傳算法中，當(dāng)柵格密度較大時(shí)，搜索空間達(dá)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(chǔ)上加入彈性網(wǎng)格概念，采用簡(jiǎn)單獨(dú)立坐標(biāo)編碼，通過(guò)動(dòng)態(tài)變換地圖網(wǎng)格密度，減小算法搜索空間；同時(shí)，加入自適應(yīng)變異算子，以加速收斂速度。

樁號(hào)0+954～1+067m段埋深一般為100～110m，推測(cè)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?gòu)?qiáng)風(fēng)化強(qiáng)卸荷巖體，產(chǎn)狀雜亂，地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，開(kāi)挖過(guò)程中多處產(chǎn)生大量涌水(實(shí)測(cè)最大流量達(dá)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(jìn)尺、弱爆破，超前錨桿、格柵拱架、掛網(wǎng)噴護(hù)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(qiáng)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(hù)，支護(hù)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(dòng)強(qiáng)烈，巖體結(jié)構(gòu)松弛，多呈塊夾泥狀，開(kāi)挖過(guò)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(dá)8～10m。施工中采取了大管棚、加密鋼拱及掛網(wǎng)噴護(hù)，支護(hù)后圍巖基本穩(wěn)定，未產(chǎn)生大的變形。

樁號(hào)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(dòng)較強(qiáng)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(shè)計(jì)

3.1 隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的調(diào)整

根據(jù)該段開(kāi)挖及施工臨時(shí)支護(hù)實(shí)際斷面資料，此段仍有部分段底部未開(kāi)挖至設(shè)計(jì)高程，實(shí)際開(kāi)挖中心線與設(shè)計(jì)中心線存在偏差，且該段圍巖破碎，滲透水豐富，若要求按設(shè)計(jì)布置開(kāi)挖，施工難度較大，對(duì)工期影響較大，為方便施工，對(duì)(隧)0+688.77～1+100m的永久結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(kāi)挖的實(shí)際中心線與原設(shè)計(jì)有較大的偏移，在該段隧洞轉(zhuǎn)點(diǎn)處改為小角度折線相聯(lián)。

(2)為降低隧洞底板開(kāi)挖及永久支護(hù)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(shí)支護(hù)較強(qiáng)，開(kāi)挖及支護(hù)斷面比設(shè)計(jì)要求的有所減小，故對(duì)該段永久襯砌斷面作相應(yīng)調(diào)整，以確保襯砌厚度不小于60cm。

(3)對(duì)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(kāi)挖中曾出現(xiàn)塌方、冒頂?shù)牡囟?進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)，以加強(qiáng)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(kāi)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(qiáng)其整體性，避免出現(xiàn)不均一變形，適當(dāng)加深0+978～1+038.5m段底板固結(jié)灌漿深度。

3.2 結(jié)構(gòu)計(jì)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(jì)算采用DL/T 5195-2004《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的非圓形隧洞襯砌計(jì)算方法即邊值法進(jìn)行，按可靠度計(jì)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(shí)支護(hù)層，在計(jì)算中未計(jì)圍巖的彈性抗力，取值為0.001MPa/m以滿足計(jì)算程序收斂條件，施工中對(duì)襯砌體頂拱進(jìn)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(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)取典型斷面，厚度取最小厚度60cm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20，鋼筋為Ⅱ級(jí)。

因洞段上伏覆蓋層厚度大，透水性強(qiáng)，豐枯地下水位變化大，前期勘察期間正值枯水期，鉆孔實(shí)測(cè)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(jì)算水柱高(水頭約63.0m)，折減系數(shù)0.85，建議設(shè)計(jì)外水壓力為55.0m。

3.3 計(jì)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(yīng)組合：

正常水位運(yùn)行工況： ①+③+④

隧洞放空檢修工況： ②+③+④

3.4 計(jì)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(yùn)行時(shí)，作用水頭為23m；檢修工況時(shí)，外水壓力最大為55m。

3.4.2 計(jì)算成果(見(jiàn)表1、2)

表1 隧洞正常運(yùn)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(jì)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(yùn)行安全性評(píng)價(jià)

4.1 襯砌鋼筋混凝土的檢測(cè)分析

根據(jù)對(duì)已襯砌鋼筋混凝土的檢測(cè)成果，地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)要求?；炷翉?qiáng)度回彈議檢測(cè)成果平均為21.5MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

隧洞正常運(yùn)行時(shí)，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(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)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(wèn)題。

4.2 初期運(yùn)行安全性分析

隧洞充水試運(yùn)行時(shí)，由于隧洞內(nèi)水壓力的抵消作用，外水壓力強(qiáng)度有所減少，使襯砌結(jié)構(gòu)處于有利組合狀況，襯砌強(qiáng)度及變形滿足設(shè)計(jì)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(guò)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(jìn)度。從2006年4月隧洞開(kāi)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(wú)巖石顆粒滲出，說(shuō)明外水內(nèi)滲在短期內(nèi)帶走的軟弱顆粒過(guò)程已基本結(jié)束，在較大滲水點(diǎn)未見(jiàn)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(jiàn)，在試運(yùn)行期間對(duì)該段襯砌頂拱的3處集中出水孔在電站運(yùn)行初期不進(jìn)行封堵，以加快施工進(jìn)度，確保按時(shí)發(fā)電。在初期運(yùn)行期間此段隧洞襯砌混凝土強(qiáng)度及變形達(dá)到設(shè)計(jì)要求，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)可保證運(yùn)行期間的安全。待運(yùn)行一段時(shí)間(如2～3年)后放空檢查，根據(jù)檢查狀況再研究對(duì)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(dǎo)、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(yùn)行，至今一直正常運(yùn)行。