某水电站工程导流洞塌方原因分析

2018-04-16史有富

东北水利水电 2018年11期

关键词：洞顶导流洞覆盖层

史有富，万露，张宏

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

1 导流洞基本情况

某水电站导流洞布置于坝址右岸，洞轴方向：进口为S17°E，至洞身中部转为S71°E，出口段折为N72°E。由进口明挖段、洞身、出口明挖段及闸室等组成。洞径12 m，洞长840.70 m（比可研阶段增加3.0 m），城门洞型。

导流洞于2006年11月开始施工。塌方段上导洞于2007年5月27日开始开挖，6月23日上导洞贯通，塌方段下导洞于7月26日开始开挖。

2007年8月5日晚11点多，导流洞桩号导0+080 m～导0+110 m顶拱突然涌水，钢拱架变形，现场施工人员感觉情况危险，就纷纷撤了出来，至当天夜里12点多钟就发生了大范围的塌方，塌方部位全部被碎渣封堵。经现场测量，导流洞塌方部位洞顶桩号导0+088 m～导0+112.60 m。经检查在相应部位的地面，也出现了较大的塌陷，面积约500 m2。

2 塌方段地质超前预报

在施工过程中，设代处地质专业，将对不良地质洞段和危险洞段及时发出地质预报，以指导各方引起高度重视和做好施工准备。

导流洞塌方部位，洞顶桩号导0+088 m～导0+112.60 m，2007年4月2日在导流洞上导洞开挖至桩号导0+290 m附近，距冲沟部位不稳定的Ⅴ类围岩洞段约150 m，设代处施工地质针对Ⅴ类围岩洞段发出了2007年03号地质预报：“根据前期勘察资料，导流洞出水口方向弧段过后20～28 m，即为不稳定的Ⅴ类围岩，上覆岩体厚约80 m，通过有F9断层，规模较大，岩体破碎较为强烈，易产生较大塌方。导流洞（上导洞）进水口方向目前已开挖至桩号导0+290 m附近，距冲沟部位不稳定的Ⅴ类围岩洞段约150 m。前期勘察资料桩号导0+036.09 m～导0+153.23 m段，上覆岩体厚30～65 m，围岩为弱～微风化片麻岩，通过有F2、F5断层，岩石破碎，岩体完整性差，其中冲沟部位（导0+127.85 m）上覆弱风化岩体厚仅为10 m左右，沟内常年流水不断，水量较大，开挖时易产生涌水、塌方。上述两个部位，建议开挖前充分考虑临时支护方案，备足抢险物资，开挖时采取控制爆破和可靠的支护措施，以免造成大塌方甚至冒顶等现象的发生。”

3 导流洞塌方原因分析

结合现场塌方情况，经对施工单位和监理单位提供的施工过程中资料及相关文件的分析，导流洞塌方的主要原因如下：

1）临时钢拱架与围岩之间结合不密实，起不到应有的支撑作用。对于导流洞断层段，施工临时支护措施为钢拱架支撑及喷锚支护。（DL/T5099-1999）《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》要求：“要保证围岩、喷层和锚杆之间的黏结和锚固，使锚喷支护与围岩形成共同受力体”。上半洞开挖时，桩号导0+116 m～导0+118 m曾于2007年5月9日出现过塌方，并与2007年5月14日完成支护及加固处理。处理完成后，施工单位在桩号导0+095.573 m、导0+104.667 m、导0+111.968 m和导0+114.223 m处设置4处变位观测点，以观察钢拱架的变形。

根据施工单位提供的观测记录可以看出，桩号导0+095.573 m和导0+104.667 m两榀钢拱架，2007年8月5日16点左右，观察的变形最大值为4 mm，2007年8月6日零时即发生冒顶大塌方，钢支撑没有变位迹象，说明钢支撑的钢材应当是在没有达到屈服点时，受到突然的冲击荷载就失稳，推测钢支撑与洞顶围岩之间结合不密实，没有形成一个受力整体，没有达到应有的临时支护的效果。

根据现场有关资料，2007年5月9日塌方段（桩号导0+116 m～导0+118 m）上部采用喷混凝土和填充其它材料相结合的施工手段进行回填。《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》（DL/T5099-1999）要求：“支撑与围岩之间应用板、楔块等背材塞紧”。而采用其它材料充填围岩与钢支撑之间的空隙，充填物难以满足要求，遇外来荷载冲击时首先失稳，使山岩压力形成冲击荷载，导致钢拱架失稳，以至形成塌方、甚至冒顶。

塌方是在2007年8月5日23时开始的。此前几个小时曾进行该段导流洞下半洞中槽的石方爆破开挖。对于该段爆破施工，应进行控制爆破，使震动降低到不影响洞顶围岩稳定的程度，但无法核实当时的爆破施工参数。估计导流洞下层石方开挖的爆破震动也是产生塌方的诱导原因。

2）永久支护施工过迟。塌方段（桩号导0+088 m～导0+112.6 m）位于断层破碎带及影响带范围，该部位节理裂隙发育，岩体较破碎，岩石风化剧烈，透水性极强，属于Ⅴ类围岩。该段隧洞地处浅埋段附近，因此该段容易产生塌方。整个导流洞Ⅴ类围岩只有约60 m，全部集中在浅埋段上游附近。在技施设计阶段中，考虑到该段导流洞成洞条件较差，在该段导流洞结构衬砌设计时，将导流洞顶拱的上覆岩体重力作用作为围岩压力进行结构计算，同时在招标文件中“承包人的责任”、导流洞工程施工技术要求中“洞身石方暗挖”和《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》中均强调“遇有破碎带、断层及地质条件差的部位和地段时，应及时采取临时支护措施，并及时做好永久衬砌（或尽早衬砌）”。导流洞上半洞于6月23日贯通至8月6日大塌方，前后间隔达45 d，开挖临空时间过长，Ⅴ类围岩岩体（断层破碎带）早已卸荷，加之7、8两月正值雨季，8月5日前连续降雨数天，大量雨水渗入岩石裂隙及洞顶覆盖层内，使围岩及洞顶覆盖层达到饱和。而洞顶地表又没有良好的排水设施，又加快了围岩及洞顶覆盖层达到饱和的速度。围岩及洞顶覆盖层达到饱和后，抗剪切能力下降，围岩失稳极易产生塌方，如果及时进行衬砌将会避免导流洞塌方的发生。