浅谈水电站螺旋式调压井设计思路

(中国水电顾问集团双柏开发有限公司，云南 双柏 675107)

浅谈水电站螺旋式调压井设计思路

赵兴有

(中国水电顾问集团双柏开发有限公司，云南 双柏 675107)

大湾电站调压井工程原设计为竖井方案，井筒直径16m，由于地处强风化的破碎岩体中，大跨度的井筒尤其穹顶部位，难于开挖成型，施工安全、质量也难以保证。经认真研究，将原方案调整为螺旋式调压井，有效地避开了强风化破碎岩体。本文对此加以介绍。

调压井；竖井方案；螺旋式调压井

1 概 述

1.1 工程概况

大湾电站属三等中型工程，水库正常蓄水位748m，死水位741m，汛期运行水位742m，水库库容2460万m3，电站装机49.8(2×24.9)MW。电站以单一发电为主，无防洪、灌溉、航运、供水等其他综合利用要求。

1.2 地质条件

调压井顺山梁布置，地形坡度25°～35°，山梁两侧地形相对较陡，坡度约为30°～45°。地质勘探资料显示，调压井部位坡积层厚度约4m，主要由碎石质粉土混块石及部分腐殖土组成，结构疏松。下伏基岩为侏罗系下统冯家河组砂质板岩夹长石石英砂岩。因地处山梁部位，岩体风化、卸荷及蠕变强烈，全、强风化层较深，并存在夹层风化现象。强风化下限埋深45～60m，最深达86m，强卸荷岩体水平深度约16m，卸荷岩体水平深度大于71m，岩体普遍倾倒，倾倒深度与卸荷深度基本一致。

调压井部位结构面以Ⅳ、Ⅴ级为主，无Ⅲ级及以上结构面发育，结构面夹泥严重。顶拱部位岩体全—强风化，围岩以Ⅴ类为主，岩体破碎，强度较低，自稳能力差，开挖过程中需及时进行支护。井筒中段岩体强—弱风化，围岩以Ⅳ、Ⅴ类为主，岩体较为破碎，强度较低，自稳能力较差，开挖过程中应及时支护处理。井筒下段岩体弱风化，围岩以Ⅳ、Ⅲ类为主，岩体相对完整，局部围岩稳定性差，开挖后需对围岩及时支护处理。

2 调压井设计变更原因

2.1 可研阶段设计方案

2.1.1 调压井布置

可研阶段，调压井布置在引水洞1+300处的右岸山梁上，调压井井筒直径16m，断面面积200.96m2，根据调压井涌浪计算结果，最高涌浪水位761.1m，最低涌浪水位726.834m，确定调压井井筒顶高程765m，穹顶高程770m，压力管道进口轴线高程720.625m。根据调压井涌浪计算结果，确定阻抗孔直径3.5m，面积为引水洞面积的34%，可以有效抑制调压室的波动幅度及加速波动的衰减。在穹顶设置水平通风洞(宽×高=4m×5m)，底板高程765m。

根据调压井结构型式及围岩条件，初步确定调压井底板厚1m，井壁厚0.5m，采用钢筋混凝土衬砌，顶拱初期支护为挂网喷锚支护，井壁初期支护为喷锚支护。

2.1.2 变更原因

大湾水电站开工后首先进行引水洞开挖、支护施工，并由2号施工支洞下游面向调压井下部筒体开挖推进，同步安排调压井上部通风洞开挖支护，待通风洞开挖到调压井位置后，开挖小导洞与调压井下部贯通，再扩挖至全断面贯通。通风洞断面尺寸4m×5m(宽×高)，但在进洞后不久就出现大面积塌方，期间采用钢支撑强支护、弱进尺处理。2010年3月11日，在调压井穹顶前半球按调压井支洞断面开挖支护至调压井中心时，由于围岩较差，右边拱出现大规模塌方，调压井洞身及通风洞被堵死，工程被迫停工。随后施工单位先充填灌浆，待具有一强度后，用钢支撑配合超前锚杆、管棚、挂网喷混凝土等方法进行强支护、短进尺处理，但效果不明显，塌方范围有进一步扩大的趋势。

为此，从安全角度出发，设计单位对调压井设计方案进行复核、调整，经认真分析，可研阶段调压井方案存在以下问题：

a.直径16m的调压井穹顶处于地质条件复杂变化的强风化岩层中，即使采用强支护也难以成型，调压井井筒开挖安全隐患极大。施工单位对此也表示无法实施，安全无法保障。

b.原支护设计仅用喷锚支护，井筒钢筋混凝土结构厚度0.5m也显得较为单薄。

此后，设计、专家组一行多次深入现场踏勘、研究比较方案，最终提出螺旋式调压井方案。该方案一方面可避开不利地质构造影响，同时减小开挖跨度。可研阶段设计的16m直径井筒跨度大，岩体破碎风化严重，尤其穹顶部位更难于开挖成型。变更后的6m×6m的城门洞形，有利于开挖洞身整体稳定，洞身工程施工安全、开挖质量及混凝土衬砌质量较易保证，对电站发电运行稳定更加有利。另一方面，结合今后压力钢管安装通道，极大提高了施工便利性。

2.2 推荐设计方案

根据上述情况，经深入设计、比较分析，提出推荐设计方案。

2.2.1 方案比较

根据调压井所处地形地质条件，按照如下原则进行调压井布置：

a.调压井布置于较好围岩中。

b.不影响已完成的的工作面和工程。

c.方便施工和为后续工作提供方便。

根据上述原则提出了如下四个设计比较方案：

a.前移方案。将调压井前移90m，布置于围岩较完整的砂岩中，可以保证调压井围岩稳定及施工顺利进行。缺点是延长钢管道长度，需废弃已完成的部分引水隧洞和施工支洞，重新开挖施工支洞。

b.后移方案。将调压井后移60m，采用明挖调压井方案，这样可以保证调压井施工安全。缺点是调压井将形成100m多高的边坡，开挖支护工程量较大，工期及投资均不利；另外只能在地质条件较差的围岩中布置竖井，同样难以施工。

c.扁圆方案。维持原调压井中心线位置不变，将圆形断面改变为扁圆形(8m×32m)，减少开挖跨度，这在一定程度上降低了施工难度，且已完工程均可正常使用。缺点是通风洞及顶拱施工难度大，安全隐患大。

d.螺旋方案。采用底坡13%的螺旋形调压井，净空尺寸6m×6m。这一方案避开了地质复杂的强风化区域，增强了施工安全性，调压井底坡满足了施工出渣及进料运输要求，可两端同时开挖施工和同时浇筑混凝土，对工程进度有利；根据工程整体调整布置，调压井将兼具压力钢管运输通道。缺点是增加一定工程量。

经分析比较，大湾电站推荐采用螺旋式调压井方案，该方案调压井水平投影面积248.8m2，大于原设计的200.96m2，满足调压需求。

2.2.2 推荐方案布置

推荐方案调压井布置在引水隧洞1+310处，阻抗孔设置在右侧，直径3.5m；调压井采用城门洞形(底宽6m、高6m)，螺旋形上升(坡度13%)，上接已开挖的通风洞。

推荐方案调压井各类围岩比重为：Ⅱ类围岩占17.8%，Ⅲ类围岩占24.4%，Ⅳ类围岩占41.9%，Ⅴ类围岩占15.9%。调压井下段主要为微风化—新鲜的砂质板岩，中段为微风化—新鲜的长石石英砂岩，上段为弱风化的砂质板岩，总体地质条件较好。

3 推荐方案验证

为验证推荐调压井方案的可行性，主要从水头损失、调压室稳定断面、调压室涌浪水位几方面复核验证。经验算，得出如下结论：

a.推荐方案水头损失为3.022m，比可研方案水头损失3.064m略小，满足设计要求。

b.与可研成果相比，推荐方案调压室水平投影面积为248.77m2，比可研估算断面积200.96m2大，满足调压需求。

c.变更后调压井最高涌浪水位756.28m，比调压井顶部高程762m低5.72m。最低涌浪水位734.106m，比引水隧洞洞顶高程723.55m高10.55m，大于2m，满足设计要求。

4 方案实施效果

4.1 工程量对比

调压井方案变更前后工程量对比见下表。

调压井方案变更前后工程量对比表

4.2 实施效果

2011年5月确定采用设计推荐的螺旋式调压井方案，期间因停工1年多时间，原施工单位已退场，项目重新招标组织施工队伍进场。2011年10月调压井恢复施工，因围岩较差，对全长311.7m城门洞形6m×6m的调压井洞身，全洞段采用钢支撑、超前锚杆、挂钢筋网及喷混凝土进行强支护、短进尺处理。2012年7月14日，调压井开挖顺利贯通，随后对调压井进行全断面喷混凝土补强处理(见图1、图2)。

图1 螺旋式调压井洞身开挖掌子面情况

图2 螺旋式调压井洞身开挖支护效果

2013年4月开始调压井洞室底板清基，2013年5月开始底板混凝土浇筑。2013年7月18日调压井底板混凝土浇筑完成，移交工作面于金结单位，作为压力钢管道安装运输通道使用。计划压力钢管安装完成后，适时进行调压井边顶拱混凝土浇筑。

对比可研方案，螺旋式调压井方案工程量有所增加。但在相同地质条件下，竖井方案开挖难度大，要先开挖调压井上部通风洞，待通风洞开挖到调压井位置后，开挖小导洞与调压井下部洞身贯通，再扩挖至全断面贯通。竖井扩挖断面直径16m，尤其是高46m的井筒，施工质量、人身安全均难以保证，且开挖洞渣料无法正常运送出洞外，对工期不利。

采用13%底坡、断面6m×6m城门洞形螺旋式调压井，工程机械可正常出入，出渣便利。小跨度城门洞形断面，开挖支护难度降低，每延米洞身开挖支护量减小，循环快，能真正意义上实现新奥法施工的时效性。工程质量、安全、进度均得到有效保证，也为其他工种作业提供了极大便利。

5 结 语

对调压井设计方案变更调整，可以得出如下结论：

a.工程量比可研阶段工程量增加较多，但方案的调整减少了施工难度和施工风险，加强了工程整体安全性。

b.变更后调压井水平投影面积满足托马公式要求，涌浪计算结果与可研阶段成果基本相当，且波动范围比可研成果略小，机组的安全运行有保障。

c.设计变更后无论一次支护还是二次衬砌结构，均得到充分加强，工程安全性更好。

d.方案变更后挖掘断面积变小，跨度减小，可采用较常规的开挖方法顺利通过不良地质洞段，施工安全更有保障。可两端同时施工，加快工程进度。

e.变更后调压井底板可兼作压力钢管运输通道，顺利解决了该电站压力钢管运输难的问题。

OnSpiralSurgeShaftDesignIdeasofHydropowerStation

ZHAO Xing-you

(Hydro-ChinaConsultingGroupShuangbaiDevelopmentCo.,Ltd.,Shuangbai675107,China)

Dawan Hydropower Station surge shaft project is originally designed into vertical shaft. The shaft diameter is 16m. Since the project is located in highly weathered crushing rock, it is difficult to excavate and shape shaft with large span, especially in dome area. The construction safety and quality cannot be ensured. The original plan is adjusted into spiral surge shaft after careful research, thereby effectively avoiding highly weathered crushing rock. The condition is introduced in the paper.

surge shaft; vertical shaft plan; spiral surge shaft

TV732.5+1

A

1673-8241(2014)08-0050-04