立洲水电站引水隧洞变形洞段原因分析及处理方案

2017-11-15，，

四川水利 2017年5期

关键词：钢衬洞段隧洞

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(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司成都分院，成都，610031)

立洲水电站引水隧洞变形洞段原因分析及处理方案

贺双喜，赵继勇，韩纯杰

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司成都分院，成都，610031)

针对四川木里河立洲水电站引水隧洞(引14+271m～引14+422m)复杂多变的地质条件特点，开展隧洞衬砌后围岩出现较大变形的现场检测与数据分析，得知该洞段由于围岩软化发生徐变，且灌浆后围岩变模未能达到设计要求，导致该洞段与设计内径偏差为-0.47m～0.04m。通过结构计算、水头损失等综合比较分析后，采用钢衬方案对变形洞段进行处理，成功解决了变形洞段稳定问题。施工后该变形洞段运行良好。本文处理措施，对类似工程问题具有一定的借鉴和参考意义。

引水隧洞变形灌浆钢衬

四川木里河立洲水电站系木里河干流(上通坝～阿布地河段)水电规划“一库六级”的第六个梯级，电站采用混合式开发，枢纽工程由碾压混凝土双曲拱坝、坝身泄洪系统、右岸地下长输水隧洞及右岸地面发电厂房组成。电站装机容量355MW，多年平均发电量为15.46亿kW·h，开发任务以发电为主。

引水隧洞布置于右岸山体中，采用一洞三机联合供水方式，全长16726.9m。隧洞进口中心线高程2055.10m，纵坡i=3.019‰，隧洞采用圆形断面，内径为8.2m。引用流量230.80m3/s。隧洞埋深74m～1039m，内水作用水头为43m～141m，外水作用水头约38m～482m。沿线工程地质条件和水文地质条件较为复杂，岩性以极薄层、薄层夹偶中厚层板岩夹炭质板岩、砂岩为主。

1 变形洞段地质条件与处理过程

1.1 地质条件

该变形洞段位于F34与F40断层之间，褶曲发育，岩层产状变化较大。其中F34断层，为一逆断层，沿断层带负地形特征较为明显，断层产状为N50°W，NE∠80°～85°，长度5km，断层带宽大于10m～20m，由砂质碎裂岩、构造透镜体组成。该断层于6号施工支洞与主洞交叉口上游附近斜穿主洞。F40断层，产状N14°～35°W，NE∠85°，破碎带宽约20m，为糜棱岩、角砾岩组成。该断层近于平行隧洞轴线，位于隧洞左侧约500m外。该段地下水主要类型为基岩裂隙水，隧洞位于地下水位以下，外水水头约220m～260m。

自下而上各段围岩岩性分别为：桩号14+420m～14+415m洞段为黄色厚层含钙质泥质粉砂岩，14+415m～14+395m洞段为黑色极薄层板岩、含炭质板岩，14+395m～14+375m洞段为含炭质粉砂质板岩，14+375m～14+345m洞段为黑色极薄层板岩、含炭质板岩，14+345m～14+320m洞段为含炭质粉砂质板岩，14+320m～14+271m洞段为黑色极薄层板岩、含炭质板岩，围岩以软岩为主，遇水极易软化。地下水不太活跃，开挖后洞壁多为干燥、潮湿、局部渗水。

1.2 处理过程

引水隧洞沿线布置7条施工支洞，地质条件复杂，变形洞段位于5号施工支洞和6号施工支洞之间，围岩的特点是变化快，遇水软化。在变形洞段开挖初期，考虑边衬砌边开挖和开挖贯通后衬砌两种方案，由于考虑到工期等综合因素，采用了开挖贯通后再进行衬砌的方案，难点就在于如何解决施工期围岩稳定问题。

变形洞段在开挖施工期支护采取超前预固+钢支撑的支护型式，局部洞段发生过塌方。支护完成后进行混凝土衬砌时发现钢支撑不同程度发生变形弯曲，顶拱最大变形将近100cm。衬砌过程中采取二次扩挖，实施过程中采用管棚+超前小导管等处理措施保证施工安全，控制长度3m～5m，衬砌混凝土按上下半洞进行。

2 原设计方案及实施效果

2.1 设计方案

本段原设计采用C25钢筋混凝土衬砌结构，衬砌厚度100cm，设计内水压力为133m，外水水头约220m～260m。结构计算中主要控制标准为两个：①最大裂缝宽度允许值为0.30mm；②围岩变模应达到1.15GPa。其中围岩变模取1.15GPa，是通过现场试验开展灌前、灌后波速和变模测试后设计取值，比较符合实际情况。

通过三维非线性有限元法进行计算分析，内水压力为控制工况，选配受力钢筋内外层为2φ32@14.3cm，承载能力极限状态持久状况衬砌处于受拉状态，最大拉应力0.062MPa，钢筋处于受拉状态，最大拉应力172MPa，皆满足规范要求；短暂状况：衬砌处于受压状态，最大压应力3.79MPa，钢筋处于受压状态，最大压应力25.9MPa，满足规范要求。正常使用极限状态验算持久状况下裂缝宽度为0.2mm，满足规范要求。短暂状况：未产生裂缝。

2.2 实施效果

变形洞段衬砌完成后进行衬砌厚度、回填灌浆效果、混凝土强度等级及围岩变形模量测试等现场试验工作。从现场试验成果分析混凝土衬砌厚度和强度等级基本满足设计要求，回填灌浆初次检测局部存在脱空，二次灌浆后进行检测满足要求。存在主要的问题为围岩的变形模量不能满足设计要求，隧洞顶部衬砌混凝土发生局部脱落，通过测量发现隧洞发生严重变形。

(1)第一次变模测试在固结灌浆完成后14d开始，在隧洞桩号14+200m～14+470m总共布置16个孔，仅6个孔满足设计要求，其余10孔均不满足，特别是桩号14+389m、14+397m两个孔变模均为0GPa，并有塌孔现象，从孔中出露的物质为黄、黑色泥质混杂物，主要为含钙质和碳质泥质粉砂岩。因变形模量不满足设计要求，对变形洞段进行了复灌。

表1 第一次变形模量检测成果统计

(2)复灌主要是局部环间加密，复灌完成后14d开展第二次变模测试，在桩号14+200m～14+420m总共布置13个孔，仅1个孔完全满足设计要求，1个孔部分满足设计要求，其余11个孔均出现塌孔，无法检测变模，从孔中出露的物质为黄、黑色泥质混杂物，主要为含钙质和碳质泥质粉砂岩。第二次变模测试较第一次更加不理想，因此开展第三次固结灌浆。

表2 第二次变形模量检测成果统计

(3)现场对14+350m～14+455m、14+210m～14+220m、14+265m～14+275m、14+320m～14+340m四段隧洞围岩重新进行补充固结灌浆。补灌的灌浆压力在原设计灌浆压力基础上增加0.5MPa，水泥采用磨细水泥，开灌水灰比上调至3∶1稀浆；补灌孔在原有的环向间距基础上加密一环，耗灰量不大。第三次灌浆完成后进行第三次变模测试，共布置6孔，仅1个孔满足设计要求，3个孔不满足设计要求，其余2个孔出现塌孔。

表3 变形模量第二次复检成果统计

3 缺陷及原因分析

3.1 存在缺陷

隧洞施工完成后主要存在两方面缺陷，一是围岩变模不能满足设计要求，二是衬砌结构发生变形，衬砌结构顶拱部分出现衬砌混凝土剥落、裂缝、露筋等现象，剥落面积最大长度约6m(顺水流方向)，宽约为1.2m～1.8m。隧洞实测内径为7.73m～8.24m，与设计内径偏差位-0.47m～0.04m。

3.2 原因分析

(1)本段隧洞岩性复杂多变，揭露的岩石以软岩为主，以极薄层、薄层为主，断层、裂隙及褶曲发育，岩体破碎，岩体结构为极薄层、薄层状以及散体结构，岩体完整性差，为Ⅴ类，围岩整体可灌性较差；

(2)变形洞段衬砌混凝土按上下半洞进行，首先完成上半洞240°范围衬砌，再进行下半洞120°范围衬砌。在施工下半洞过程中，上半洞由于基础悬空，引起衬砌结构变形。

4 变形洞段补强方案设计

变形洞段按照相关规程规范进行设计，考虑衬砌钢筋混凝土和围岩整体联合受力。鉴于变形洞段围岩经固结灌浆处理后达不到要求；上下半拱分期浇筑形成的两条纵向施工缝虽经处理后仍存在局部裂缝；部分顶拱衬砌混凝土有剥落、裂缝、露筋等现象，削弱原结构整体性；经断面复测衬砌结构断面与原设计断面变化较大，衬砌不满足结构受力要求等问题。为满足结构安全运行要求，应对变形洞段衬砌结构进行补强。

4.1 补强方案比选

变形洞加固处理原则：结构安全可靠；工期相对较短；投资相对合理；施工相对简单。拟定钢筋混凝土衬砌和钢衬方案进行综合分析。混凝土衬砌方案是在原衬砌基础上重新衬砌，衬砌厚度0.6m，隧洞内径6.6m。钢衬方案是在原衬砌混凝土基础上增加钢衬，回填混凝土0.3m，隧洞内径7.2m。经综合分析钢衬方案投资稍多，但工期较混凝土衬砌方案少1个月，钢衬方案水头损失较混凝土衬砌方案小0.24m，考虑变形洞段处理时间直接影响电站发电效益，采用施工简捷，结构安全的钢衬方案。

4.2 钢衬方案设计

钢管的结构安全级别为Ⅱ级，结构重要性系数γ0=1.0。钢衬围岩埋深约为310m～340m，按埋管进行结构分析计算。选择Q345B钢板，为目前常用钢材，无论是安全性能还是制作安装技术均较成熟。

(1)计算内容

压力钢管承受内水压力的结构分析，确定管壁厚度及刚度验算：采用《水电站压力钢管设计规范》(DL/T5141-2001)附录B计算钢管管壁厚；满足制造工艺、安装、运输等要求的的最小刚度要求验算。

(2)作用荷载

①内水压力：取调压室最高涌浪至特殊运行情况下机组最大压力(静水压力+水锤压力)连线，压力线按直线分布。内水压力值取1.33MPa。

②外水压力：根据地质提供地下水位线，外水220m，折减系数取0.4。原混凝土衬砌结构虽破坏，经加固后仍可承担部分外水压力，按50%考虑钢管承担，取0.5MPa。

③灌浆压力：回填灌浆压力取p灌=0.3N/mm2；接触灌浆压力取p灌=0.2N/mm2。

管道放空时通气设备造成的气压差p=0.1N/mm2。

(3)计算成果

压力钢管承受内压时，按埋管设计，内压为控制工况，抗力限制σR按埋管取值，选用Q345B钢材，22mm管壁计算厚度进行应力校核，钢管承受内水的环向应力均满足应力校核，并满足刚度最小管壁厚度为14mm的要求。

压力钢管抗外稳定分析，外水压力计算值为0.5MPa，钢管外壁每间隔0.65m～0.75m设置了一个200mm×22mm(高×厚)的加劲环，设置加劲环后，压力钢管满足抗外压稳定要求，安全系数K均大于2。钢管环向应力值为199.50MPa，满足Q345B抗力限值。

4.3 实施效果

变形洞段采用钢衬补强后，隧洞于2016年6月开始冲放水试验，由于立洲水电站引水系统长约17km，冲水时间共计109h35min，放水时间总计105h39min。放水后对变形洞段钢衬进行全面检查，钢管未发现变形，钢衬与混凝土端部连接部位未发现渗水，钢衬段山坡未发现出露渗水点，电站于2016年7月底顺利实现三台机组发电，目前电站运行情况良好，钢衬补强方案是科学合理的。