古城水电站调压井的设计思路简介

2013-12-17陈亚琴

水电站设计 2013年3期

杨敬，许韬，陈亚琴

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072；2.四川大学水电学院，四川成都 610065)

1 工程概况

古城水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州理县及汶川县境内的杂谷脑河上，属杂谷脑流域水电规划“一库七级”开发规划方案中的第七级梯级电站。

古城水电站的工程任务是发电，采用引水式开发，装机容量168MW，多年平均年发电量8.07亿kW·h。电站水库正常蓄水位1 554.50m，相应库容93.9万m3，汛期排沙运行水位1 550.0m，水库死水位1 550.0m，调节库容58万m3，具有日调节能力。

调压室布置在引水隧洞末端，根据调压井位置的地形地质条件，采用露顶阻抗式调压室。最高涌浪水位1 596.29m，最低涌浪1 524.42m。为使调压室基础置于较完整岩体及减少压力管道施工难度，调压室连接井底高程(隧洞底板高程)1 506.00m，井筒顶高程1 607.00m，井筒高101.00m，内径19.0m；阻抗孔高程1 514.20m，孔径5.0m，属超大型调压井。

古城水电站调压井位置谷坡大多被覆盖层覆盖，1 490m高程以下基岩裸露，临江坡高大于200m。该区岩层为志留系茂县群第三组(Smx3)绢云千枚岩、变质砂岩，岩层产状N70°～85°E，SE(NW)∠70°～80°，为陡倾横向谷。调压井部位岩体风化、卸荷明显，强卸荷水平深度约60m，弱卸荷、弱风化水平深度约150m，岩体中无较大规模的断层分布，主要发育层面裂隙和少量小型挤压破碎带。岩体完整性差。

调压井高程1 569m以上段为强卸荷岩体，其围岩岩性软弱，强度较低，岩体破碎，结构面发育，岩层倾倒，成井条件较差，围岩分类为Ⅴ类；高程1 569m以下为弱微风化岩体，围岩分类为Ⅲ～Ⅳ类。

据地表地质调查，开挖揭示调压井后坡覆盖层较深厚，最深可达50m，主要由坡残积层组成，结构较密实，基岩与覆盖层界线倾角约14°。

2 可研阶段设计情况

根据可研阶段提供的地质条件，调压井位置的基覆界线约为1 607.00m高程左右，井筒置于基岩内。其后坡为覆盖层边坡，为减小边坡开挖高度,边坡按1∶1开挖坡比设计(天然坡比也约为1∶1)，起坡点为井筒外壁，在1 635.00m高程处设置一条3.0m宽马道，坡面采用混凝土框格梁支护，框格梁间排距2.0m×2.0m，框格梁尺寸40cm×40cm，纵、横框格梁节点处设锚筋束(3Φ32，L=9.0m，入框格梁35cm)。最大开挖坡高约60m。

调压井井筒一期支护采用锚喷支护，参数为喷C20混凝土，厚10cm，锚杆Φ25，L=5.0m和L=3.0m、间排距150cm交错布置，挂钢筋网φ8@20cm。

3 现场地质变化

施工过程中，调压井后坡采用自上而下边开挖边支护的工序施工，边坡开口高程为1 671.00m，实际开挖至原设计高程1 607.00m时未见基岩出露，在1 613m高程以下局部调整开挖坡比为1∶0.8，开挖至1 603.00m时，仍未见基岩出露。现场停止施工，且对开挖1∶0.8部分作回填压坡处理，设计补充了钻孔确定基覆界线。

经过现场补勘确认，基覆界线整体较原估计下调约15.5m(见表1)。

表1 古城调压井基覆界线调整 m

4 问题分析

根据开挖揭示的实际地质条件，调压井或边坡应作相应设计调整。由于本工程的具体条件，势必产生如下的问题：

(1)由于上部边坡已经开挖成形，如继续按原设计坡比下挖至基岩面，调压井井筒需外移约16m，而现场的地形条件不允许，1 607m高程处的井筒外壁侧覆仅有10余m；

(2)如按1∶1设计坡比重新开挖边坡，则调压井后坡的覆盖层边坡最大坡高将超过100m，边坡高度增加，对坡面稳定不利。

且已经完成已开挖坡面的临时支护，正在进行的永久边坡支护将报废；

(3)一般情况下，如不改变坡口位置及坡脚位置，可通过调整开挖坡比来实现下挖。本工程若通过调整坡比下挖15.5m，则总体坡比将达1∶0.7左右，这对高达76m的覆盖层边坡显然是不现实的。

(4)若井口下挖，将使约17m井筒垂直外露，不利于结构设计及抗震安全。

通过以上分析，古城水电站调压井宜采取不重新削坡，对1 590m高程以上的井筒按覆盖层井筒垂直下挖施工来进行设计。

由于古城水电站调压井井筒尺寸大，地形、地质条件十分不利，覆盖层段的井筒开挖施工期安全问题非常突出，需要特别重视。

5 设计调整思路

古城水电站调压井为超大型调压井，具有开挖尺寸大，上、中部置于覆盖层及强风化强卸荷基岩中，外侧侧覆小等特点。对开挖揭示出的地质条件的变化，由于各种条件的制约，既不能通过调整调压井的位置来应对，也不宜采用调整开挖坡比和重新削坡来处理。设计中对1 590m以上的井筒按覆盖层井筒开挖进行了工程设计。由于下伏及后坡均为覆盖层，覆盖层段的井筒施工期的安全问题十分突出，设计分析了采用沉井法下挖、对已成形边坡加强支挡后下挖及采用抗滑桩后下挖几个方案，以确保调压井井筒施工期安全。

(1)由于调压井内径达19.0m，开挖半径过大，沉井相对而言为薄壁结构，受周围不均衡土压力易变形破坏，由于调压井覆盖层为块碎石土，施工中不易保证沉井均匀下沉。

(2)如对已有1 603～1 612m高程坡脚进行锁边处理，增加抗滑力的方式，需设置混凝土墙压重并增加锚索处理。通过计算复核坡脚稳定。但由于前期边坡起坡线紧靠井筒边壁，基本无布置混凝土挡墙的条件；且井筒下挖时，由于基覆界线位于挡墙之下，潜在滑移面可能位于混凝土挡墙以下，导致挡墙失效。

(3)由于井筒后侧覆盖层边坡最终高度将达76m左右，抗滑桩对这类边坡的稳定是最有效的工程措施之一。通过抗滑桩作用，保证后坡整体稳定，对桩后井筒范围内的覆盖层全部开挖。虽然通过施设抗滑桩保障了调压井后坡的稳定，但仅此不能保证井筒开挖过程中的井筒周圈侧壁覆盖层稳定，因此，在开挖前，沿井筒开挖面周圈外设置了两排钢管桩，以维系侧壁覆盖层稳定。钢管桩深入基岩，井筒下挖时，钢管桩不断外露，当钢管桩悬露至一定长度后，钢管桩不能承受土压力，故在内侧靠钢管桩设置环型钢支撑，以保证钢管桩的挡土功效，开挖面形成相应的拱效应，暂时抵抗侧壁土压力。随着井筒下挖至基岩及以下时，抗滑桩的作用将逐渐失效，此时暂停开挖作业，浇筑覆盖层内上部井筒一期混凝土，形成钢管桩和工字钢的型钢混凝土井筒，形成相对刚性的上部混凝土井筒，同时考虑井筒继续下挖存在上部井筒混凝土悬空而下滑的情况，调整覆盖层内调压井混凝土衬砌厚度为2.5m，一期衬厚为1.0m。覆盖层内调压井混凝土坐落于基岩上。为保证基覆界线基岩不出现受上部混凝土压重影响出现剪切破坏。在基岩内设置锁口锚杆。

通过以上分析，选择了抗滑桩+钢管桩+钢支撑的设计调整方案。

6 实施方案设计

上述设计调整成立与否的关键在于，覆盖层井筒段开挖完成时及抗滑桩完全失效后覆盖层调压井段是否会产生整体刚性位移。因此，必须进行边坡稳定分析。

分析方法：采用陈祖煜土坡稳定分析程序STAB2005搜索最不利滑移面，并计算在指定位置的下滑力(不考虑该截面后有任何抗力)，用于支挡结构的设计，并验算覆盖层调压井段开挖完成后是否会产生整体刚性位移。

稳定分析的核心在于参数的选取，通过现场典型位置进行的现场大剪试验，实测Ф=29.6°～33.4°，C=30～35kPa，且边坡开挖中揭示的覆盖层中存在较大孤石，大剪试验提供的抗剪指标较覆盖层整体而言相对偏低，可作为稳定的安全储备。

通过正常、暴雨及地震三种工况分析，调压井施工中按上述措施施工，各期后边坡覆盖层整体稳定。

经过计算，按前述程序进行调压井施工，施工期各期边坡安全系数均满足规范要求，具体工程支护结构设计采用：混凝土抗滑桩、钢管桩、锚索、固结灌浆和锁口锚杆。

混凝土抗滑桩靠山内侧、调压井外边壁打设，桩尺寸为2.0m×3.0m，桩长根据实际钻孔情况确定，抗滑桩入岩深度至少为覆盖层深度的1/2。

钢管直径110mm，布置两排，排距1m，桩距1m，交错布置，钢管桩长根据实际钻孔情况确定，钢管桩入岩深度为覆盖层深度的1/3, 钢管内放置3根φ32的钢筋并绑扎，钢管内浇注M20水泥砂浆。

在边坡混凝土框格梁节点上布置2排100 t/根的锚索，间排距为4m，锚索长度约为65 m，锚固段长度为8.0m，梅花形布置。

为增加井筒侧壁覆盖层稳定性，沿井筒周圈固结灌浆，固结灌浆压力拟定为0.5MPa，孔距1.5m，孔深靠山内侧10m、外侧15m(见图1、2)。

图1 调压井覆盖层开挖处理平面示意

图2 调压井覆盖层开挖处理剖面示意

7 监测资料

为保障井筒开挖支护施工安全，需及时掌握调压井边坡变形情况，在调压井边坡增加两套四点式多点位移计。

监测资料显示自2007年5月至2008年5月，边坡最大变形约6mm，未收敛。2008年“5.12”地震时，井筒开挖面位于高程1 536.0m左右，震后现场检查，除喷混凝土局部开裂外，调压井边坡及井筒未见失稳现象。2008年9月修复监测设施后，调压井边坡监测数据收敛，边坡基本稳定。调压井于2009年7月开挖完成(见图3，4)。