柬埔寨达岱水电站引水发电洞竖井下弯段围岩塌方原因及工程处理

吕兴民，任梦宁

(机械工业勘察设计研究院，陕西西安 710043)

1 工程概况

达岱水电站［1］位于柬埔寨国公省达岱河上，距首都金边350 km，离国公省50 km。达岱水电站流域面积1 073 km2，多年平均流量为69.20 m3/s。为混凝土面板堆石坝，位于达岱河干流和STUNG KEP支流交汇上游1.3 km的河流上，坝高分别为110 m和77 m，坝长依次为882.3 m和713.5 m。水库正常设计水位为215.0 m，死水位为180 m。两座大坝所形成的水库由明渠相连。引水发电洞为有压洞，长11 120.21 m;电站厂房尾水位为0.5 m，平均发电水头为185.5 m，设计流量为151.8 m3/s，装机容量为246 MW。

引水发电洞位于达岱河左岸山体内，因后半段上覆围岩厚度较薄，将Ps0+240—Ps0+350.909 m段设计优化为竖井式，由上下转弯段和井筒组成，断面为圆形，直径9.6 m。上、下转弯段中线转弯半径为25 m，长度37.52 m。井筒段长度35.869 m。

本工程于2010年5月进入施工阶段，原计划在2013年8月底第一台机组运行发电，截止目前大坝、厂房及其附属建筑物已基本完成。而引水发电洞出现诸多不利因素，影响了工程进度，使工期一再拖延，未能达到预期目的。

2 塌方原因及机理

2.1 塌方状况

竖井段由侏罗系中统沉积岩组成，产状:247°～260°∠5°～3°，微风化。沿层面及裂隙局部有渗、滴水或偶有线状流水出露。在Ps0+319 m上部为长石石英砂岩，青灰色，层理较发育，厚层—中厚层，沿层间常夹有极薄层泥质粉砂岩或粉砂质泥岩，使层间结合力下降。裂隙较发育，以陡倾角为主。岩体较完整。下部为长石石英砂岩与泥质粉砂岩互层结构，出露厚度为14.4 m。青灰、深灰色，层理发育，呈薄层状，单层厚度8～25 cm。裂隙发育。长石石英砂岩为坚硬岩，饱和抗压强度80 MPa以上;泥质粉砂岩饱和抗压强度22 MPa。泥岩饱和抗压强度3～5 MPa(如图1、图2)。

图1 Ps0+348处围岩及塌方情况Fig.1 Wall rock and collapse about Ps0+348

在开挖过程中，下弯段顶拱围岩为砂岩与粉砂岩互层结构，常不能自稳，陆续出现坍塌掉块现象，未能及时采取有效的支护措施，导致Ps0+319.5—Ps0+353.3 m段发生了塌方，最大塌落高度为13.6 m(总高度23.6 m)，顺洞向长度15.2 m，宽度方向 13 m，方量约2 750 m3。

2.2 塌方原因

(1)竖井上下游贯通后，使下弯段顶拱三角地段的围岩，在两面临空的情况下，出现应力松弛，砂岩与粉砂岩互层结构的层面裂隙易形成拉裂、折断。

图2 竖井段地质纵剖面示意图Fig.2 Schematic diagram of geological longitudinal profile of vertical shaft

(2)施工方法不当。下弯段下半段采用导洞(洞径约6 m)开挖掘进到下弯段中部，然后对竖井自上而下进行扩挖，于2013年2月19日与其贯通。因导洞尺寸不能满足设计要求，对已做了锚喷钢拱架支护的围岩进行扩挖，使围岩松弛扰动。

(3)支护不力，工序衔接不够紧密。在下半段扩挖过程中，对扩挖好的洞室支护不及时，工序脱节，在长达8个月未进行衬砌的情况下，于2013年10月21日发生塌方。

2.3 塌方机理

对于水平层(板)状岩石构成的隧洞，其围岩顶板的稳定性，主要取决于岩石的强度和厚度，以及节理裂隙对岩石的切割程度。如岩石的强度较低，在垂直山岩作用下岩层会向下弯曲，围岩顶板会发生拉张破坏，在裂隙切割下，会发生掉块、坍塌，这种破坏往往是渐进式的，如不及时进行锚固或支护衬砌，则由小塌方发展为大塌方，崩塌高度会越来越大，这已被工地多次塌方所证实。在这里顶板塌方高度为13.6 m，因其顶板为厚层坚硬的长石石英砂岩，其强度足以保证顶拱的稳定。

这种破坏有如梁板结构［2］，如图3-a，破坏变形于否，取决于梁板的强度与厚度，薄板易破坏，而厚板的稳定性好，锚杆的作用是可将多层薄板梁锚串成一层厚板梁，其强度和稳定性必然增加。

而在竖井与水平向隧洞交汇地段，水平向层状岩体表现为悬臂式板状结构，如图3-b。在垂直压力作用下，更易发生弯曲、折断、坍塌。

地下水降低了岩石强度，而裂隙破坏了岩石的完整性，使得这种变形破坏更易发生。

图3 梁板结构破坏示意图Fig.3 Schematic diagram of failure of brick-concrete building

3 工程处理

因该洞段要承受水头140～175 m的内水压力，围岩要提供抗力，不至于使衬砌砼发生破坏，影响工程安全运行。为了确保施工人员安全及工程质量，本着“安全有效、质量保证、方便快捷、经济合理”的原则，先后提出了三个方案进行比选，以便选择更合理的方案。

3.1 方案一

考虑到现塌腔顶板厚层砂岩强度高，完整，稳定性好。按如下步骤进行施工:

(1)对塌腔两侧及其下游壁喷C20砼，厚度保证15～20 cm。

(2)对塌腔壁进行全面锚固。重点是顶板及右壁，按梅花形布置锚杆，间距1.5 m，入岩长度5 m。锚杆头预留长度约1 m，以便对将来回填砼起到悬吊作用，减轻对衬砌砼的压力。

(3)在塌腔内中线位置(沿洞线)布置两个钢塔结构，对塌腔顶板进行支撑，防止顶板再次出现弯折变形破坏。该项与(2)尽可能同时进行。

(4)在目前情况下，尽可能将洞线提高，以减少洞顶塌腔空间和砼填筑量。同时加强衬砌结构，以满足工程需要。

(5)接下平洞衬砌上游面向井筒方向分段衬砌、分层回填塌腔砼，最后进行回填灌浆。

3.2 方案二(如图4)

(1)抬高隧洞高程。将井筒、下平段延长，采用圆心角为90°、中心线转弯半径为8.8 m的圆弧隧洞与其连接。

(2)从井筒和下弯段下游两个方向往塌腔内浇筑C20砼。在浇筑到一定高程时，在井筒中心位置，预留断面约4 m×3 m(长×宽)的空腔(作为后续二次扩挖竖井的溜碴井;若现场条件许可，直接在竖井直线段对应的底部虚碴上开始预留)。再继续浇筑到塌腔顶板位置。

(3)按设计要求，完成塌腔顶板上3 m范围竖井衬砌，然后对塌腔顶部及塌方体分别进行回填、固结灌浆。

图4 方案二示意图Fig.4 Schematic diagram of scheme 2

(4)在下平段塌方入口处打超前、径向锚杆，孔排距1.5 m，孔深6 m。再进行竖井下弯段的下半段开挖施工。

(5)下半段开挖采用“边开挖、边衬砌”的原则。开挖衬砌至下弯段中部。

(6)开挖下弯段的上半段，先自下而上完成溜碴井开挖(若预留溜碴井与下弯段下半段贯通，就无需此项工作)，再自上而下进行扩挖，直至贯通。

(7)对下弯段洞顶进行回填灌浆。

3.3 方案三(如图5)

(1)在目前情况下，尽可能将洞线提高，以减少洞顶塌腔空间和填筑的砼量。

图5 方案三示意图Fig.5 Schematic diagram of scheme 3

(2)接下平洞原来衬砌继续朝上游进行砼衬砌，以下游塌方边界为基准，向塌腔内延伸5 m，并在顶部埋设3 m长的砼注入管。

(3)在塌方体上填筑石碴，距上游塌方边界垂直距离约5 m，填筑面向下平洞方向倾斜，坡比为1∶1.25，封堵住下平洞衬砌洞口。

(4)首先通过砼注入管向塌腔内注入砼，保证厚度不少于3 m。待凝固后，继续浇筑回填砼至回填石碴边缘。

(5)从回填石碴表面到上游塌方边界向上3 m范围打径向砂浆锚杆，并自下而上分段衬砌，到达塌方边界时一次性将剩余塌腔进行砼回填。然后在塌方边界及其以上9 m范围的竖井下游面，打俯角砂浆锚杆，以便对回填砼起到悬吊作用。

(6)将设计衬砌断面内及其到回填砼间的石碴开挖后，接(2)向上游分段衬砌。

(7)对衬砌断面以外石碴及衬砌与回填砼间进行固结、回填灌浆。

3.4 方案比选

方案一 优点:施工程序简单，材料用料少，用时较短，仅用3个月。缺点:支护用时长，难以保证施工人员安全。若再次发生塌方，后果较严重，贻误工期。

方案二 与原设计方案比较增加了洞线和衬砌长度，增加了塌腔空间回填砼量;回填砼占据了竖井及洞室的空间，要进行钻爆开挖。在爆破过程中对周围回填砼及围岩有扰动和破坏作用，势必要跟进支护，增加了材料用量和施工难度。施工安全。估算工期需要7.5 个月。

方案三 优点:与原设计方案比较，缩短了洞线长度，减少了塌腔空间回填砼量，预留了竖井、洞室及其砼衬砌空间位置，只需将设计开挖断面下限以上的回填石碴机械挖除即可衬砌。施工安全有保证。缺点:工序较复杂，估算工期需要3.5个月。

通过上述分析，方案三优于其它方案，可确保施工安全，基本不用爆破，又可节省人力、物力和财力，同时能加快施工进度，工期可以保证，经业主、地质、设计和施工等单位研究分析，成为塌方处理的首选方案。

3.5 处理效果

用方案三对塌方进行了处理，进展顺利，用时较短，效果理想。通过监测，未发现异常，确保了工程安全，达到了预期目的。

4 教训

(1)对水平状软硬相间的互层状结构岩体，只有对顶拱及时采取有效锚固支护措施，才能保证顶拱围岩的稳定，顶拱稳定则洞室稳定。(2)对于竖井下弯洞段的施工，在两面临空的环境下，更应及时锚固支护，增加顶拱围岩的整体性和抵抗弯曲拉裂破坏变形能力。

［1］机械工业勘察设计研究院.柬埔寨达岱水电站工程地质勘察报告［R］.西安:机械工业勘察设计研究院，2011.

［2］濮声荣.工程地质实践与探索［M］.西安:陕西科学技术出版社，2012:360－362.