水电工程地质动态设计探讨

2018-07-03罗宇

水电站设计 2018年2期

罗宇

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

1 动态设计

以往的水电工程地质设计工作往往都是规范化的设计，以设计作为标准指导性施工，服务的意识和理念都相对较差。目前水电工程行业的设计、施工已达到较高水准，加上市场环境的改变，催生了PPP、EPC、BOT等多种工程建设模式的应用。单一设计水平高已不具竞争力，只有改变服务理念和意识，才能在新型的市场环境中得以生存。动态设计是一种设计理念的改变，设计从传统指导施工向服务施工发展；设计过程中应充分考虑造价效益、施工条件、施工工艺、设备采购等多种问题的精细化设计；在技施阶段也根据现场施工实际情况及时、适当地调整设计方案，从而形成一种精细化动态设计的新常态。本文就工程地质专业在实际工程施工中的动态设计实例加以佐证。

2 工程概况

玉瓦水电站位于四川省九寨沟县白水江流域一级支流黑河上游，属黑河～白水江水电规划“一库七级”方案中的第二梯级引水式电站，装机容量49 MW，为小(1)型工程。首部枢纽建筑由重力坝、泄洪闸、冲沙闸和取水口组成，库容量13.24万m3，最大闸高14.5 m；引水线路全长约14.121 km，隧洞主要断面型式为城门洞形，开挖断面高5.1～5.8 m，宽4.2～5.1 m；厂房枢纽由调压室、压力管道和地面厂房组成。

3 引水隧洞围岩类别精细化划分

3.1 隧洞区工程地质条件

引水隧洞区总体呈斜纵向谷，地形较完整，山顶海拔高程2 500～2 800 m，拔河高差500～800 m，属中高山峡谷型地貌。隧洞区大多基岩裸露，出露基岩地层为二叠系下统黑河组上段(P1h21～ P1h25)浅变质岩系，岩性为一套滨、浅海交互相沉积的碎屑岩和碳酸岩。以薄层状砂质灰岩为主，夹中～厚层砂质灰岩、板岩及少量千枚岩。

引水隧洞位于大录-陵江背斜北东冀，地层挤压褶皱强烈，次级褶曲发育，但总体表现为单斜构造，岩层产状N50°～60°W/NE∠60°～70°。沿线无区域性大断裂通过，岩体中断层不甚发育，次级小断层和顺层挤压破碎带出现几率低，宽度一般为0.2～0.5 m，由碎块岩、片状岩、角砾岩和糜棱岩组成。区内结构面以层面和节理裂隙为主，节理裂隙的发育程度和分布具岩性差异性和区段性特点。

区内物理地质作用不强烈，未发现较大规模的滑坡和变形体分布。其物理地质作用主要表现为两岸岩体的风化卸荷、两岸冲沟沟口的冲洪积堆积体，以及两岸岸坡的崩坡积堆积体。

区内地下水活动总体微弱，地下水位埋深大，谷坡中、上部未见泉水出露，谷坡下部地下水位接近河水位。岩体含水性及透水性受地层岩性、地质构造及风化卸荷的影响，存在一定差异，中厚层砂质灰岩为含水岩层，千枚岩为相对隔水岩层，断层破碎带、挤压破碎带、节理密集带含水相对较丰富。

3.2 初设围岩类别划分

玉瓦水电站为小(1)型工程。依据《中小型水力发电工程地质勘察规范》(DL/T5410-2009)(以下简称《规范》)中岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水状态和主要结构面产状等五大项，将隧洞区围岩划分为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共三类围岩。

Ⅲ类围岩：薄层状砂质灰岩、板岩，岩石新鲜，强度以中硬为主，岩层走向与洞线交角10°～15°，岩体完整性较差，呈薄层状结构，围岩局部稳定性差。施工中应采用短进尺、弱爆破、及时支护的施工工艺。

Ⅳ类围岩：隧洞进、出口段，上伏基岩浅埋段的薄层状砂质灰岩、板岩段，地下水丰富段，一般岩层走向与洞线小角度相交，岩体较破碎，多呈薄层状～块裂结构。该类围岩可能出现较大规模的塌方，围岩不稳定，必须加强支护。

Ⅴ类围岩：过沟浅埋段、断层破碎带、层间挤压带和千枚岩集中出露段，以及岩层走向与洞线近于平行或小角度相交的板岩夹千枚岩的弱风化、弱卸荷岩体，该类围岩呈碎裂结构～散体结构，岩体强度低，地下水活动强烈，围岩极不稳定，必须加强支护。

3.3 精细化围岩类别划分

玉瓦水电站引水隧洞的开挖单价分别为：Ⅲ类围岩约5 000元/延米，Ⅳ类围岩约11 400元/延米，而Ⅴ类围岩超过20 000元/延米，并且开挖断面和支护形式也有差异。围岩类别的精准划分对工程造价和进度影响巨大。

现场应用《规范》对围岩类别划分时发现：规范中岩石强度评分、岩体完整程度评分和地下水状态评分这三项取值区间大，导致地质人员对有些洞段不同的围岩类别评分有较大差异，个别还会出现围岩类别差异等问题。由此可见《规范》是一种普适的行业标准，在应用过程中还应结合相应的区域地质特征综合考虑。

对此地质人员针对上述三种评分，结合区域地质特征，对其进行了细化。在符合《规范》的前提下制定了统一的、具有操作性的细化评分标准。

在评分细化过程中，首先结合28组岩石物理力学性质试验数据和岩性相对应的现场锤击、开挖成型、残孔率、水敏性等特征，细化岩石强度评分；综合区域地质条件下岩体结构、结构面特征、开挖情况等，细化岩体完整程度评分；依据引水隧洞区域内地下水的出水特征和水量等细化地下水状态评分。细化成果见表1。

通过使用细化后的评分标准发现，不同地质人员对同一段围岩的评分差异明显减小，消除了围岩类别划分不同的情况。实践应用结果表明，基于《规范》结合现场实际地质条件及现场调查法得到的评分细化研究成果，能够较好地适用于本工程，具有较高的实用价值。

表1 地下水状态评分细化成果

4 闸首防渗方案优化设计

4.1 闸首工程地质条件

闸首区河道弯曲呈“S”型，河流总体流向近EW，河谷总体上与地层走向呈中等角度相交，属斜纵向谷。右岸谷坡陡峻，山体浑厚，基岩裸露，平均坡度为60°～65°；左岸阶地发育，地形宽缓，2 022 m高程为Ⅱ级阶地，2 028 m高程为公路，以上为覆盖层斜坡，坡度为30°～40°，河谷呈不对称“U”型谷。

河床覆盖层厚度一般为30～40 m，最厚达51.8 m。河谷左岸崩坡积层广布，厚度不大，铅直厚度一般约5～10 m，结构较松散；右岸基岩裸露，仅坡脚零星分布有崩坡积块碎石土，厚度较小，一般厚约3～5 m，结构较松散；河床覆盖层以冲洪积含漂砂砾石层为主。区内覆盖层按其物质组成、结构和成因，由老至新可分四层：第①层为含漂砂卵砾石层(Qal)，主要分布于河床中下部及阶地部位，厚一般为30～40 m，最厚51.8 m；第②层为碎砾石土(Qal)，主要分布于Ⅰ、Ⅱ阶地的表层，厚约3～4 m；第③层为现代河床的含漂砂卵砾石层(Qal)，主要分布于现代河床上部，厚约5～8 m；第④层为现代崩坡积块碎石土层(Qcol+dl)，主要分布于两岸的坡脚一带，结构较松散，右岸分布较少，厚度较小，左岸公路高程以上及闸轴线下游地段分布较广，厚度变化较大。

水工建筑物基础主要分布于第①层和第③层。

4.2 初设防渗方案

初期设计拟定了铺盖水平防渗和防渗墙垂直防渗两种方案比选。经计算防渗墙垂直方案较铺盖水平防渗方案的总渗流量略小，闸室底部的水头作用更优，出口坡降略小，且防渗墙深度不大，施工难度可控，接头少，防渗保证率高，最终采用防渗墙垂直防渗方案。

4.3 防渗设计方案优化

随着工程开工建设施工，参建单位结合现场施工条件提出了铺盖水平防渗方案，既可与闸体施工同步进行，又可避开冬季施工作业。如技术方案可行，安全性能够得到保障，就可使工期可控性更强。随着工程开工建设，地质基础资料收集日渐完善，对闸首防渗方案进行研究和优化是可行的。

对此设计方在收集得到现场大量基础数据的前提下，多次(组)试验、计算最终得到了：初期设计覆盖层第①层的渗透系数和允许水力比降是合理的；覆盖层第③层因前期试验条件影响，数据较少，类比确定的允许水力比降值偏于保守。最终决定优化防渗方案，采用铺盖水平防渗，且水平铺盖长度由初期设计的水平防渗对比方案中的80 m，缩短到了55 m。

工程完工后表明，优化的防渗方案不仅减少了开挖量和混凝土工程量，节约了投资成本，还便利了施工，缩短了施工工期。可看出：初期设计的垂直防渗方案并不是最优方案，但也无法确定水平防渗是否能满足防渗要求。只有在工程施工过程中逐步完善基础资料收集，动态地调整设计方案，服务于施工才能使设计方案更好、更优。

5 厂房后边坡和压力管道方案优化设计

5.1 厂房工程地质条件

厂房位于黑河右岸 Ⅰ 级阶地上，阶地长约300 m，宽约50 m，阶面高程约1 859 m，枯水期河水位高程1 857 m，水面宽18 m，阶面拔河高约2 m。

区内出露的基岩地层为黑河组上段第二层中部(P1h22-2)的灰色薄板状～条纹状灰岩，夹少量千枚岩。地层产状为N50°～60°W/NE∠60°～70°。厂房后坡1 880 m高程以上基岩裸露。坡脚分布有少量的崩坡积块碎石土，厚度较小；阶地为冲洪堆积的含漂(块)砂卵砾石层(Qal+pl)，厚约48～51 m，结构密实。勘探揭示，厂区覆盖层按其成因和物质组成，自下而上可分为三层：第①层为冲洪积堆积的含漂(块)砂卵砾石层(Qal+pl)，主要分布于阶地及现代河床中下部，厚48～51 m，结构密实；第②层为现代河床冲积堆积的含漂(块)砂卵砾石层(Qal)，结构松散，局部有架空现象，厚5～8 m，主要分布于现代河床表浅层；第③层为崩坡积块碎石土层(Qcol+dl)，零星分布于厂房后坡坡脚一带，平均厚度5～10 m，结构松散。

厂址在构造上位于大录-陵江背斜北东翼，地质构造简单，次级褶曲不发育，小断层、层内错动带出现频率较低，除层面裂隙发育外，优势节理组有3组：①N10°～30°E/SE(NW)∠60°～70°，延伸大于5 m，间距20～40 cm；②近EW/S(N)∠10°～20°，延伸大于5 m，间距50～60 cm；③N60°～70°E/SE(NW)∠60°～70°，延伸1～3 m，间距40～60 cm。另外，发育1～2组随机节理。

岸坡走向与岩层走向大角度相交，边坡整体稳定性好。区内未发现较大的滑坡、崩塌等不良地质现象，物理地质作用主要表现为岩体的风化、卸荷。据地质调查和勘探揭示，推测区内强卸荷水平深度约为30～40 m，弱风化水平深度约为70～80 m。

5.2 边坡及压力管道初设方案

压力管道下平段洞口位于覆盖层内。可研阶段，出于对压力管道洞挖施工安全及压力钢管安装施工的考虑，设计方案为开挖边坡，将覆盖层堆积体挖除，再对形成的开挖边坡进行支护，压力管道在基岩出露后进行洞挖施工。开挖边坡高度约为50～60 m。

5.3 设计方案优化

随着厂房建筑物基坑开挖，边坡部分基覆界线出露、覆盖层地质条件揭示：原推测的边坡覆盖层深度较厚，复核原剖面如图1所示。

图1 复核原剖面

压力管道段覆盖层厚度由原来推测的40 m，到最新资料推测该位置覆盖层深度约15 m。虽然覆盖层边坡厚度减少，但开挖高度并未发生明显变化。若按原设计方案开挖，人为切脚形成高陡边坡，边坡稳定和施工安全都将存在较大风险，边坡稳定治理的投资和工期将大大超出预期，且压力管道出口的覆盖层为冲击含漂卵石层，结构较密实，具备了砂卵石层直接进洞的条件，同时类比其他类似工程后，提出了覆盖层进洞的施工方案。

经设计多方综合分析施工进度、施工难度、工程投资等方面后，调整了原设计方案，同意采用覆盖层进洞方式，压力钢管采用覆盖层洞内安装。实际施工效果：厂房边坡开挖仅仅受控于厂房建筑物基坑开挖要求，实际开挖高度15 m，其中11.5 m为临时边坡，永久边坡高度3.5 m。压力管道洞挖13 m后出露基岩，与资料完善后推测结果基本一致。不仅有效地减小了开挖方量、节约了开挖工期和投资，同时也极大地保证了施工期的安全，降低了后期高边坡高昂的支护费用。