沐若水电站导流洞塌方设计处理技术

2017-11-21刘安国

绿色环保建材 2017年12期

关键词：塌方导流隧洞

刘安国

中国水利水电第八工程局有限公司

沐若水电站导流洞塌方设计处理技术

刘安国

中国水利水电第八工程局有限公司

由于前期地质勘探不足，导致导流洞施工过程中出现塌方事故。通过方案对比，选择最优设计方案，保证工程正常实施。本文通过研究对比导流洞设计方案，对类似工程项目具有一定的借鉴价值。

导流洞；塌方；设计处理技术；方案对比

1 工程概述

沐若水电站导流隧洞布置于左岸，由进口明渠段、洞身段、出口消能段组成。进口底板高程418m，出口底板高程394m。导流隧洞全长810.4m，标准过水断面为斜墙平底马蹄型，断面尺寸为10.0×15.9m。

2 工程方案研究

当1#导流隧洞进口上半洞施工至桩号K0+038左右，隧洞出现塌方，塌方宽度约3m，顺掌子面向内凹进约3m至桩号K0+041左右。后来，塌方延伸至地表形成漏斗状塌坑。地表“漏斗”左侧原1#导流隧洞进口上方变形体塌滑堆积物已将部分土体带入洞中。

洞顶围岩因塌方松弛，引起洞室稳定性进一步下降，若继续按原施工方案进行洞室掘进，可能造成1#导流隧洞进口左侧上部高土石边坡失稳，给导流隧洞塌方处理和导流隧洞运行带来威胁，并可能危及洞内人员及设备安全。

2.1 原因分析

（1）地质因素。导流隧洞进口直线段轴线埋深为6～32m，该段洞顶以强风化岩石为主，岩体节理、裂隙发育，塌方处存在一个小型揉皱，岩层经过揉皱后较破碎，形成强烈深风化区，强风化区侵入导流隧洞上部断面，岩体质量分级为Ⅴ级，洞室稳定性较差。

（2）施工因素。考虑到进口段围岩自身承载力低及封堵期需承担较高外水压力的要求，进口直线段桩号0+000.000～0+070.000采用衬砌厚度为2.0m全封闭钢筋混凝土结构。施工方在通过此段时采取上半洞进洞、挂网喷混凝土、系统锚杆、钢拱架及超前锚杆等初期支护与超前支护措施。但从地质剖面分析，强烈深风化区沿洞线方向长约24.0m，在施工至0+038.000时，因超前锚杆长度不足，一端未进入较完整的岩石之中，因此超前支护未发挥应有作用。在此情况下，加上开挖进尺过大、爆破震动较强，引起洞顶塌方。

2.2 方案研究

塌方后，漏斗周边围岩出现较大范围松弛，岩体自稳能力下降，需结合现场施工情况，对已变形、塌方及预计出现塌方的洞段进行加固处理或另选地质条件较好的地段重新布置导流隧洞或考虑在现有导流隧洞开挖基础上研究设置单洞的可能性，因此考虑以下三个方案：

（1）双洞方案一。原地处理双洞方案，对1#导流隧洞左侧潜在高土石边坡采用放坡开挖，随开挖喷混凝土对坡面进行保护。边坡处理完成后，对上部塌陷区周边变形体滑塌堆积体进行清理，设置周边排水截水沟，对地表塌坑进行回填，减少对高边坡坡脚扰动；回填完成后，自地表对漏斗内土体及漏斗松弛一定范围内岩土体采用灌浆加固处理，增加完整性及强度。地表加固完成后进行洞内塌方体处理，通过管棚、小导管超前注浆、预留核心土及时施做锚喷网+钢拱架初期支护等措施，确保1＃导流隧洞安全通过塌方段。

（2）双洞方案二。移线处理双洞方案，考虑1＃导流隧洞上半洞进洞且掘进距离不长，将1＃导流隧洞进口移至现有1＃、2＃导流隧洞之间，导流隧洞洞身布置与2＃导流隧洞基本平行，通过增加上覆岩体厚度及远离已部分滑塌的高土石边坡，增加洞室稳定性。

（3）单洞方案。此方案利用已施工的2＃导流隧洞进口和1＃导流隧洞出口，将隧洞断面扩大形成一条大洞，扩挖时以导流隧洞已开挖断面为上半洞，向下进行开挖，以尽量减少其对截流、出口消能、下闸封堵及围堰规模等的影响。

3 主要工程量及经济分析

3.1 主要工程量

主要工程量汇总见表1，其中各方案工程量表中部分考虑了2＃导流隧洞移线前导流隧洞进口已发生的边坡开挖工程量，移线方案和单洞方案均考虑废弃1＃导流隧洞所增加的开挖及支护量。

表1 主要工程量汇总表

3.2 经济分析

根据各方案工程量（表1），计算各处理方案导流隧洞工程总造价，并与原合同报价进行对比，对比分析结果见表2及图1。

图1 各方案导流隧洞总造价与原合同报价对比图

从造价表（表2）及对比图（图1）可以看出，处理方案中单洞方案导流隧洞工程投资最省，为1.15亿RM，较原合同报价减少约400万RM，双洞方案导流隧洞工程总造价均超过原合同报价，其中原地处理方案进口边坡及塌方处理为3178万RM，导流隧洞工程总造价达到1.6亿RM，超过原合同报价35%，因此从经济的角度出发，采用单洞方案可确保对控制工程投资有利。

3.3 方案比较

导流隧洞设计方案修改涉及围堰规模、隧洞洞室施工运行期安全、出口消能、进出边坡处理、施工难度、施工工期及工程经济性等多个方面，以下从围堰高度、导流隧洞出口消能、施工难度、施工工期及工程经济性五个方面对方案进行对比分析。

（1）围堰高度。在相同设计洪水标准下，双洞方案遇全年30年一遇设计洪水时，围堰堰前水位为445.0m，单洞方案考虑水库部分调蓄作用，围堰挡水水位为456.9m，单洞方案较双洞方案围堰高度增加约11.0m。

（2）导流隧洞出口消能。单洞方案导流隧洞总过水面积较双洞方案的减小，因此在宣泄设计标准洪水时，导流隧洞出口单宽泄流量由150m3/s/m增加到220m3/s/m。根据双洞方案水工模型试验成果，双洞方案宣泄30年一遇设计洪水时，出口最大流速达到20.7m/s，但对单洞方案，隧洞宣泄5年一遇设计洪水时其出口流速将达到双洞30年一遇设计洪水流速；在设计工况30年一遇洪水时，单洞出口流速将超过20.7m/s，因此需对单洞方案导流隧洞出口消能形式及防冲保护范围进行水工模型试验验证，必要时调整出口消力池结构。

（3）施工难度。管棚超前支护是中国国内处理塌方最有效的手段之一，因此设计研究采用长管棚原地穿越塌方段，但承包人在马来西亚现有施工资源的基础上，贯彻实施此方案可能具有一定难度。另外，在塌方处理之前需对导流隧洞进出口高土石边坡进行处理，因土石方开挖工程量大，在马来西亚多雨气候条件进行边坡处理，有效工作时间短，边坡及时支护难度大。

移线方案因河床部位存在厚度约10～25.0m硬砂岩，水下爆破难度较大，也需对出口高土石边坡进行处理。

单洞方案进口进一步下挖，出口设置消力池，虽然一定程度上增加了导流隧洞进、出口明渠干地施工的难度，但1＃、2＃导流隧洞已施工洞段基本将洞内围岩地质条件探明，承包人可采取有针对性的施工措施确保施工安全。

从施工难度来讲，原地处理双洞方案难度最大，移线处理双洞方案次之，单洞方案最小。

（4）施工工期。原地处理双洞方案可利用2＃导流隧洞作为1＃导流隧洞施工支洞，工期取决于1＃导流隧洞塌方冒顶及进出口高土石边坡处理。移线处理双洞方案需废弃1＃导流隧洞进口已施工洞段，洞线较原方案增加约70.0m，将一定程度延长施工工期。尽管承包人已按双洞方案安排施工，但单洞方案上半洞基本贯通，施工组织相对简单，根据施工方案及工期分析，承包人可对已制作钢模台车进行改造，在做好施工准备的基础上，合理安排洞室开挖和衬砌顺序，可确保2009年12月底完成导流隧洞施工，为实现截流目标争取主动。

（5）经济性。单洞方案混凝土及洞挖均小于双洞方案，其中单洞较原地处理双洞减少混凝土1.5万m3，洞挖减少3.4万m3，进出口明挖减少5.14万m3，但单洞方案钢筋用量较双洞方案增加914t，明渠混凝土工程量较双洞方案增加约2.5万m3。就工程造价而言，单洞方案导流隧洞总造价小于双洞方案，且小于原合同报价，因此对控制工程投资最为有利。

4 结论及建议

上述三个处理方案在设计和施工方面均为可行方案，原地处理双线方案对导流隧洞运行、设计及导流工程总体设计影响最小，但进、出口高土石边坡及塌方处理工程量大、难度较高，存在一定的不确定性，可能会影响工程总体工期。在三个方案中该方案投资最大，为1.6亿马币，超过原合同35%，合同投资控制难度较大。

移线处理双洞方案基本维持原设计方案，洞线增加约70.0m，虽避开了进口高土石边坡的处理，但仍需对出口高土石边坡进行处理，并需水下爆破拆除进口岩坎，对工期有一定影响。该方案造价较原地处理双洞方案为省，但导流隧洞工程造价仍超过原合同报价12%。

单洞方案由于避开了进、出口高土石边坡处理，可集中力量进行导流隧洞施工，施工组织相对简单。因导流隧洞上半洞基本贯通，地质条件较为明确，施工方案及措施的针对性高。只要合理利用现有施工资源，精心制定施工方案并组织实施，可确保导流隧洞2009年具备通水条件，为阶段性实现总工期提供保障。在经济性方面，单洞方案不仅造价最省，而且较原合同报价节省400万马币，对合同成本控制较为有利。

综上所述，单洞方案具有技术上可行、工期上有保障、投资最省等优点，因此宜采用单洞方案。