楊 宏 昆, 王 坤 雷, 許 紅 軍, 夏 俊 江

(四川省清源工程咨詢有限公司,四川 成都 610072)

1 電站概況

巴拉水電站位于馬爾康市境內(nèi),系大渡河干流水電規(guī)劃“3庫(kù)28級(jí)”自上而下的第2級(jí)水電站,位于東源主干流腳木足河上。電站于2007年啟動(dòng)了勘察設(shè)計(jì)工作,2016年12月完成可行性研究報(bào)告,2018年3月核準(zhǔn)批復(fù),2020年12月正式開(kāi)工建設(shè)。

電站采用混合式開(kāi)發(fā),開(kāi)發(fā)任務(wù)為水力發(fā)電并兼顧減水河段生態(tài)用水需要,壩址位于日部鄉(xiāng)色江吊橋下游約2.2 km處,經(jīng)右岸引水至日部吊橋上游約3.9 km處建地下廠房發(fā)電。電站為二等大(Ⅱ)型工程,由首部樞紐、引水建筑物和廠區(qū)建筑物等組成。首部樞紐攔河面板堆石壩大壩高138.0 m,引水有壓隧洞長(zhǎng)6.9 km,地下廠房裝機(jī)3×240 MW,尾水有壓隧洞長(zhǎng)1.7 km。

根據(jù)工程的布置特點(diǎn)、河道水文特性以及壩址區(qū)的地形地質(zhì)條件,采用斷流圍堰、右岸隧洞導(dǎo)流方案。導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用20年重現(xiàn)期作為導(dǎo)流建筑物的洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),相應(yīng)洪水流量為1 920 m3/s。

導(dǎo)流洞布置在右岸,過(guò)水?dāng)嗝娉叽鐬?0.0 m×11.6 m。進(jìn)口底高程2 809.00 m,出口底高程2 797.00 m。洞身全長(zhǎng)982.761 m,底坡i=0.012 2。全斷面鋼筋混凝土襯砌,襯砌厚度0.6～1.0 m,初期支護(hù)根據(jù)圍巖類別不同采用系統(tǒng)或隨機(jī)噴錨支護(hù)。

上游圍堰采用復(fù)合土工膜心墻土石圍堰。圍堰上游設(shè)計(jì)洪水(20 a一遇)水位為2 850.25 m,考慮波浪爬高并計(jì)入安全超高,堰頂高程取為2 852.00 m,最大堰高45.0 m,堰頂長(zhǎng)度約172.0 m。

下游圍堰堰型與上游圍堰相同,圍堰頂高程2809.00 m,最大堰高10.0 m,堰頂長(zhǎng)度約56.0 m,頂寬度根據(jù)交通要求取為8.0 m。

2 導(dǎo)流洞前段冒頂過(guò)程

2.1 2014年掘進(jìn)回塌及處理

2014 年9月9 日,掘進(jìn)至導(dǎo)0+034樁號(hào)Ⅴ類圍巖段時(shí),在已完成上層開(kāi)挖和初期支護(hù)導(dǎo)0+046～0+034段頂拱發(fā)生回塌。沿平行于洞軸線方向鉆孔探測(cè)表明,塌腔最高邊緣高程約2 837.00 m,呈不規(guī)則錐體分布。推測(cè)空腔頂部上覆巖體埋厚度約30.0 m,空腔長(zhǎng)軸最大12.0 m,最大高度約15.0 m,導(dǎo)流洞塌腔探測(cè)示意圖見(jiàn)圖1。位于導(dǎo)0+045斷面從頂拱中心至左側(cè)洞壁,分布一條寬約3.0 m的風(fēng)化囊,呈全、強(qiáng)風(fēng)化狀,近乎垂直于水流方向,陡傾向南(下游),至樁號(hào)導(dǎo)0+037時(shí)風(fēng)化囊基本消失。

圖1 導(dǎo)流洞塌腔探測(cè)示意圖

塌方發(fā)生后,采用施作管棚和分層邊開(kāi)挖邊襯砌等綜合措施,對(duì)頂拱坍塌段及受到影響的毗鄰下游變形段進(jìn)行處理,形成安全穩(wěn)定襯砌結(jié)構(gòu)。之后,開(kāi)始頂拱塌腔回填混凝土,至2015 年8 月30 日結(jié)束?；靥畹捻敼案采w混凝土厚度0.50～1.36 m,平均厚度1.14 m。2017年12月啟動(dòng)灌漿施工,至2018 年1 月塌方段第一段灌漿基本完成,工程由于外部原因停工。

2.2 2018年出現(xiàn)冒頂

2018年5月首次發(fā)現(xiàn)塌腔地表塌陷冒頂。至2020年12月主體工程正式開(kāi)工和導(dǎo)流洞剩余工程啟動(dòng),才正式對(duì)塌陷段進(jìn)行洞內(nèi)表觀查檢。總體上,內(nèi)襯表面無(wú)開(kāi)裂和剝離明顯變形現(xiàn)象。主要表現(xiàn)為在混凝土接縫處可地下滲出,特別是靠山內(nèi)側(cè)洞壁拱肩處水平向接縫普遍見(jiàn)有鈣膜淅出,并見(jiàn)滲水;拱頂接縫有滲水及鈣膜淅出。

2.3 洞段處理的必要性

雖洞段混凝土頂拱一直穩(wěn)定、無(wú)新的變形和裂縫,但由于該洞段在導(dǎo)流洞下閘后至封堵段完成一段時(shí)間要承受約45.0 m的外水壓力,而頂拱有效混凝土厚度僅約2.0 m,若頂拱以上散粒體不能形成可靠自穩(wěn),一旦形成山巖壓力,洞段就存在被擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),由于巴拉導(dǎo)流洞將從2021年11月截流后開(kāi)始通水直至2014年11月下閘蓄水,一直承擔(dān)施工規(guī)劃的前期導(dǎo)流任務(wù)約3年時(shí)間,期間該洞段仍存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn),因此,于2021年1月啟動(dòng)了洞段處理的勘察設(shè)計(jì)工作。

3 塌方洞段地質(zhì)條件及性狀分析

3.1 洞段塌方的原因

塌方段處于導(dǎo)流洞進(jìn)口淺埋段,上覆巖體厚約40.0～50.0 m,巖體風(fēng)化強(qiáng)烈,結(jié)構(gòu)面多充填巖屑和次生泥等,裂面普遍嚴(yán)重銹蝕,結(jié)構(gòu)較松弛,在樁號(hào)0+34～0+60洞頂順洞向分布1條陡傾的全風(fēng)化夾層和近1條南北向陡傾的風(fēng)化夾層相交于樁號(hào)0+036附近,兩條風(fēng)化夾層均有3.0～4.0 m寬。由此該段圍巖穩(wěn)定性極差,致使隧洞開(kāi)挖后發(fā)生塌方。

3.2 塌腔形態(tài)及性狀分析

根據(jù)地表塌陷坑尺寸及初期探測(cè)結(jié)果:(1)塌陷坑最低邊緣高程2 860.00 m,最高2 876.00 m,邊坡坡角度43°,坑底口寬4.0 m,長(zhǎng)8.0 m,利用無(wú)人機(jī)成像建立三維模型,并采用多斷面平行計(jì)算法進(jìn)行估算,該塌陷坑體積約為750 m3。(2)初期坍塌空腔的估算:空腔長(zhǎng)軸最大12.0 m,洞寬12.6 m,估測(cè)最大高度約17.0 m,塌腔斷面約140 m2。依據(jù)斷面法估計(jì)空腔體積約為1 680 m3。(3)初期塌腔頂部至坑底巖柱體積估算:初期最大塌腔高程2 837.00 m至塌陷坑底巖柱高約23.0 m,地表坑底面積約32 m2,體積約735 m3。結(jié)合較為落實(shí)的初期空腔回填約130 m3,則洞段頂拱襯砌上存在空腔體積估算值約為:初期最大塌腔體積估值1 680 m3-塌坑體積750 m3-回填混凝土130 m3=800 m3根據(jù)塌陷坑出露位置與導(dǎo)流洞塌方段位置的比較,其塌腔形態(tài)總體向小樁號(hào)略微傾斜,且為上部面積稍小下部面積稍大的不規(guī)則柱體。

3.3 地震CT物探測(cè)試成果

為查明巴拉水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口段巖體質(zhì)量和坍塌體的形狀及影響松動(dòng)的范圍,對(duì)導(dǎo)流洞進(jìn)口段(樁號(hào):0+004～0+120)進(jìn)行了地震CT勘察檢測(cè),共布設(shè)3條剖面。

結(jié)合本次物探地震波速反演等值線圖分布對(duì)比可研聲波結(jié)果分析認(rèn)為:(1)導(dǎo)流洞進(jìn)口段樁號(hào)0+000～0+140范圍內(nèi)圍巖條件差,以Ⅴ類為主,少量Ⅳ類,應(yīng)做好襯砌后的固結(jié)灌漿工作。(2)塌腔形態(tài)總體向小樁號(hào)略微傾斜,且為上部面積稍小下部面積稍大的不規(guī)則柱體,塌腔內(nèi)基本上已被松渣填滿,垮塌體波速主要在800～1 600 m/s左右,結(jié)構(gòu)松弛。(3)根據(jù)WT2地震CT剖面檢測(cè),導(dǎo)流洞左側(cè)(山外側(cè))巖體,除頂部塌方段巖體波速低外,側(cè)壁在樁號(hào)0+020～0+110段內(nèi)波速低,應(yīng)做好襯砌后的固結(jié)灌漿工作。WT2剖面地震CT波速反演等值線見(jiàn)圖2。

圖2 WT2剖面地震CT波速反演等值線

4 處理方案擬定及分析計(jì)算

4.1 處理思路分析

根據(jù)巴拉導(dǎo)流洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),建筑物級(jí)別為Ⅳ級(jí),對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅲ級(jí)。承受的荷載主要有襯砌自重、山巖壓力,內(nèi)水壓力、外水壓力和灌漿壓力。運(yùn)用工況主要有施工工況、過(guò)流工況和下閘工況,不同工況荷載組合不同。針對(duì)各類圍巖類別、不同工況下進(jìn)行試算的結(jié)果表明:堵頭上游段,下閘工況所承受荷載最大,為控制工況,堵頭下游段(含堵頭段),施工工況所承受荷載最大,為控制工況。

坍塌段屬于堵頭上游段,圍巖類別Ⅴ類,下閘工況時(shí)荷載組合為襯砌自重+山巖壓力+外水壓力,堰前水位2 853.55 m,外水最大壓力0.45 MPa,在設(shè)定固結(jié)灌漿達(dá)到設(shè)計(jì)要求前提下,計(jì)算考慮外水壓折減系數(shù)0.6。永久鋼筋混凝土襯砌厚1.0 m,洞周固結(jié)灌漿入巖6.0 m、間排距3.0 m,頂部設(shè)回填灌漿孔[1]。導(dǎo)流洞襯砌典型斷面見(jiàn)圖3。

圖3 導(dǎo)流洞襯砌典型斷面圖

施工階段,洞段鋼筋混凝土襯砌僅受到“灌漿壓力+襯砌自重+山巖壓力(坍塌散粒體)”作用,無(wú)外水壓作用。由于頂拱上部圍巖坍塌,原來(lái)預(yù)設(shè)的山巖壓力發(fā)生改變,即設(shè)定山巖壓力的“塌落拱圈”(初期塌腔)未能穩(wěn)定,以致塌腔上部“散粒體”再次塌陷形成二次“塌落拱圈”。頂拱混凝土襯砌結(jié)構(gòu)一直穩(wěn)定,無(wú)新的變形和裂縫,可以判斷該二次“塌落拱圈”基本穩(wěn)定,散粒體壓力高度與一次塌落拱基本相當(dāng),約15.0～20.0 m巖土柱高壓力。因而,采取對(duì)坍塌體進(jìn)行自流或低壓固結(jié)灌漿,提高散粒體的整體性、密實(shí)性和自穩(wěn)性,穩(wěn)定和降低二次塌落拱高度、盡量減小塌落散粒體壓力高度是工程處理的首要手段。

在導(dǎo)流洞下閘后至封堵段完成一段時(shí)間,坍塌洞段將承受約45.0 m的外水壓力,頂拱以上坍塌散粒體架空嚴(yán)重,若無(wú)固結(jié)灌漿處理情況下,基本是完全透水,也即原設(shè)計(jì)考慮的0.6外水折減系數(shù)將增至1.0,考慮最不利空腔散離體的浮容重,原設(shè)計(jì)1.0 m厚鋼筋混凝土襯砌將不可能承受比原荷載大的荷載。因而,需要考慮在目前設(shè)計(jì)鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加“二襯”或“三襯”以承載可能增大外水荷載壓力。在頂拱襯砌上的約1.14 m厚的同級(jí)配回填混凝土可視為“二襯”,但有效結(jié)構(gòu)厚度僅約1.0 m。

與此同時(shí),按照隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范要求,也是隧洞結(jié)構(gòu)襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算條件,需要對(duì)襯砌外的巖體或散粒體進(jìn)行回填灌漿和固結(jié)灌漿,即在襯砌外形成致密穩(wěn)定,具有一定強(qiáng)度和弱透水性的6.0～10.0 m范圍的襯砌外拱圈結(jié)構(gòu)。該拱圈結(jié)構(gòu)一方面形成較好的阻水圈,有效降低結(jié)構(gòu)承受的外水壓力,使外水折減系數(shù)滿足設(shè)計(jì)計(jì)算條件;另一方面,能形成襯砌以上6.0～10.0 m的近似深梁結(jié)構(gòu)[2],支撐坍塌散粒體的壓力,對(duì)坍塌散粒體“塌落拱”再次失穩(wěn)起到二次支撐保護(hù)作用。

綜上分析,總體對(duì)坍塌體洞段的處理思路可以概括為“增設(shè)洞段內(nèi)襯、固灌襯砌外圈、回填塌坑空腔”。

4.2 加固內(nèi)襯后的結(jié)構(gòu)試算

采取與原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》[3](NB/T 10391-2020)基本計(jì)算原則和標(biāo)準(zhǔn),即:正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)按限裂要求設(shè)計(jì),荷載組合下導(dǎo)流洞襯砌的最大裂縫寬度允許值為0.30 mm。下閘工況為控制工況,最不利荷載組合:襯砌自重+山巖壓力+外水壓力(堰前水位2 853.55 m)+上覆散粒體自重。計(jì)算斷面為城門(mén)洞型式,凈斷面尺寸為10.00 m×11.60 m(寬×高),直墻高8.70 m。

計(jì)算中對(duì)于洞頂以上散離體厚度結(jié)合塌體性狀仍假定一定高度以上塌體能形成自穩(wěn)塌腔,塌腔內(nèi)散粒體為作用于襯砌頂荷載,初擬高度分別為10.0 m、15.0 m和20.0 m, 加固內(nèi)襯后結(jié)構(gòu)計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 加固內(nèi)襯后結(jié)構(gòu)計(jì)算成果表

分析計(jì)算結(jié)果:當(dāng)塌腔段洞室結(jié)構(gòu)在原襯砌厚度1.0 m基礎(chǔ)上內(nèi)加襯0.5 m,即計(jì)算襯砌厚度為1.5 m時(shí),可抵抗0.45 MPa外水壓力及15.0 m高度的散粒體,此時(shí),內(nèi)加的50 cm襯砌需在邊頂拱配5根C28鋼筋,底板配9根C28鋼筋,并在底板加設(shè)C25錨筋,錨筋長(zhǎng)3.0 m,外露0.5 m與受力鋼筋相連,鋼筋應(yīng)力及裂縫寬度均滿足要求。

4.3 坍塌段綜合處理方案

根據(jù)上述處理思路分析和計(jì)算,擬定塌腔處理方案(表2)包含:塌體回填[4]、塌段內(nèi)襯、回填灌漿和固結(jié)灌漿[5]四項(xiàng)工程措施,以及各項(xiàng)措施對(duì)荷載效應(yīng)的作用。

表2 塌腔處理方案表

4.4 加固內(nèi)襯水力學(xué)復(fù)核

原導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)流量系數(shù)0.623,增加30.0 m長(zhǎng)和0.5 m厚內(nèi)襯后,流量系數(shù)變小0.604,在20 a一遇上游圍堰堰前水位有所抬高,相應(yīng)圍堰頂高程取2 853.00 m,較招標(biāo)階段抬高1.0 m。加高采用L型鋼筋混凝土防浪墻,墻高1.0 m,布置于圍堰頂上游側(cè),通過(guò)延長(zhǎng)復(fù)合土工膜,將膜埋入L型防浪墻底板混凝土中。

4.5 坍塌處理費(fèi)用估算

根據(jù)導(dǎo)流洞坍塌段處理方案,以“招標(biāo)概算”為基礎(chǔ),本導(dǎo)流洞坍塌處理工程費(fèi)用估算為378.32萬(wàn)元,其中:導(dǎo)流洞加固工程336.89萬(wàn)元、上游圍堰加高工程5.15萬(wàn)元、加固段安全監(jiān)測(cè)工程14.87萬(wàn)元、基本預(yù)備費(fèi)21.41萬(wàn)元。

5 結(jié) 語(yǔ)

近幾十年來(lái),隨著隧洞設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的不斷創(chuàng)新,超大斷面無(wú)壓輸水隧洞在水電和水利項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。隧洞通常沿河向布置于岸坡山體內(nèi),由于受地形條限制,首部進(jìn)口段、尾部出口臨河側(cè)向和上覆巖土均淺埋,地質(zhì)條件較差,洞段坍塌冒頂時(shí)有發(fā)生。

本次塌方冒頂處理過(guò)程有幾個(gè)方面經(jīng)驗(yàn)值得總結(jié):一是事件主因是大斷面隧洞淺埋段遭遇不利地質(zhì)條件造成洞段塌方,而塌腔形成后沒(méi)有予以重視并及時(shí)有效回填塌腔,以致腔體高度繼續(xù)延伸直至冒頂;二是采用地震波物探對(duì)查明塌方冒頂?shù)姆秶八恍誀?為襯砌洞頂塌腔散粒體荷載假定提供依據(jù);三是方案設(shè)計(jì)遵循常規(guī)規(guī)范的基本計(jì)算原則和標(biāo)準(zhǔn),但創(chuàng)新性地建立了塌腔上部散離體荷載模型假定,即可能散離體高度和散粒體浮容重為施加襯砌頂荷載假定,并通過(guò)模型分析確定“內(nèi)襯、固灌和外填”的有效處理方式。