黄登水电站导截流工程主要地质问题及对策

张万奎，黄德凡

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

1 工程概况

黄登水电站位于云南省兰坪县营盘镇境内，水库正常蓄水位1 619 m，相应总库容16.13×108m3。碾压混凝土重力坝坝高203 m，电站装机容量1 900 MW，属一等大(1)型工程。本工程采用“围堰一次断流，导流隧洞泄流”的导流方式。上、下游围堰均为土石围堰，上游围堰最大堰高62 m，下游24 m，围堰堰基均采用混凝土防渗墙防渗。导流隧洞布置于右岸，由一大一小2条导流洞组成。1号导流隧洞洞身长1 146.706 m，方圆形，断面尺寸为16 m×20 m；2号导流隧洞洞身长1 318.137 m，方圆形，断面尺寸为8 m×11 m。工程于2009年开始筹建，2012年11月18日，1号导流洞成功分流，2012年5月20日，2号导流洞成功分流。2013年11月9日实现了工程截流。

2 工程地质问题及处理措施

2.1 导流洞

2.1.1隧洞出口段

导流洞出口约200～250 m长的洞段围岩为泥质板岩夹砂岩，岩石主要由泥质和石英粉砂组成，构成粉砂泥质结构。泥质(绢云母)含量约占88%，石英含量约占10%，方解石含量约占2%，粒度在0.02～0.06 mm左右。由于重结晶(变质)作用，泥质大部分重结晶呈显微鳞片状，定向排列，千枚状构造。岩体平均湿抗压强度为11.95 MPa，属软弱岩类。岩体破碎、松散，呈碎裂～散体结构，围岩为Ⅴ类～Ⅳ类，洞室稳定条件极差，围岩基本无自稳时间，开挖过程中，曾产生顶拱坍塌及边墙变形破坏[1]。

采取的措施为：施工开挖遵循软岩“短进尺、弱爆破”的开挖原则，自上而下分3层采用“核心土”[2]法进行施工，第1层开挖前视情况采用大管棚或注浆小导管或超前锚杆对顶拱进行预加固，然后进行中导洞开挖，再逐步扩挖，并及时封闭及进行系统支护；第2层层高10 m，分3小层进行施工，上一层开挖支护全部完成后才能进行下一层的施工，开挖过程中，遇构造破碎带或围岩极松散破碎部位也采取超前预支护；第3层亦采用分幅开挖，开挖后完成全部系统支护，并设置排水孔。出口约115 m范围因隧洞转弯，岩层走向与洞向近平行，洞室稳定条件更差，洞顶顺层理普遍坍塌；边墙薄层状岩层开挖临空后，亦出现较大程度的屈服弯曲变形[3]，并导致顶拱出现裂缝。经研究，对出口段边墙采用预应力锚杆进行系统加固，同时，考虑到2条隧洞相距较近，后续洞室开挖可能进一步影响边墙变形，故对2条隧洞相近边墙又布置3排1 000 kN级全长粘结性预应力锚索进行锚固，并及时进行混凝土衬砌及固结灌浆。监测资料及导流洞正常运行状况表明，洞室开挖及支护所采用的方案是合适的。

2.1.2出口侧面边坡

导流洞出口侧面边坡最高约120 m，开挖边坡上部30～50 m由坡、崩积层组成，中部15～25 m分布洪积层，下部为千枚状泥质板岩。该边坡部位物理地质作用强烈，主要表现为板岩的倾倒蠕变、岩体风化及岩体卸荷等。倾倒蠕变岩体分布基本与强风化底界深度一致，一般为10～30 m，局部可达60 m。地下水位埋藏较深，覆盖层中分布有上层滞水，常沿堆积物底层和基岩的交界面渗出。千枚状泥质板岩片理发育，岩体透水性具有各向异性的特征，沿片理方向岩体透水性较强。

2.1.2.1 覆盖层坍塌

边坡高程1 560～1 565 m，桩号2号导1+345左右约25 m范围开挖素喷后，混凝土发生开裂并导致小范围的浅层塌方，塌方分布范围为坡、崩积层，组成物质为砂质粉土夹碎石、块石，分布厚度5～10 m。该边坡由坡、崩积层组成，边坡开挖后易产生沿最大剪应力方向的圆弧形滑移失稳，其发生破坏的覆盖层较薄，失稳模式属“脱壳”型的滑移失稳[4]。

边坡高程1 520～1 530 m，桩号2号导1+375～2号导1+335约40 m范围开挖过程中发生小范围的浅层塌方，塌方范围为冲、洪积层，组成物质为粉土混砂卵砾石、孤石，分布厚度2～5 m。该边坡由冲、洪积层组成，因冲积层抗渗稳定条件差，在水的作用下，易产生潜蚀作用，在砂、卵砾石被局部淘空后，导致更大范围土体的圆弧形滑移失稳。

对该段覆盖层组成的边坡，考虑到覆盖层厚度较大，且处于泄洪雾化影响区范围内，采取如下支护措施：①将开挖坡比放缓到1∶1～1∶1.5，以基本挖稳为原则。②覆盖层土体在水的浸泡作用下力学指标降低较大，为避免水的影响，设置截排水系统对地表水进行拦截，对地下水进行疏排。③深层支护采用1 800 kN级锚索，锚固端深入到弱风化基岩内；浅表层支护以封闭边坡、防止边坡局部塌滑及掉块为主要目的，并考虑雾化的不利影响，全部采用混凝土板进行贴坡。经以上措施处理后，边坡处于稳定状态。

2.1.2.2 岩体快速倾倒崩塌

边坡下部50～80 m为千枚状泥质板岩组成的软弱岩质边坡，岩层走向与边坡近平行，岩体倾倒蠕变较强烈，岩层倒转明显。坡面岩体破碎、松散，基本呈散体结构，物理力学强度低。边坡开挖临空后，普遍出现岩体向临空面的快速拉裂、倾倒，并产生逐级崩塌。研究认为，该边坡分布的千枚状泥质板岩岩层为薄片状，原始状态下陡倾山内，岩性软弱，水理性差，板岩中富含亲水性矿物，岩体暴露后，因含水量的变化引起岩体体积的变化，并沿片理向临空面崩解；板岩遇水后亦会产生软化、泥化现象。边坡开挖后，失去了侧向约束，在应力重分布及水的作用下，变形体内部岩体产生弯矩挠曲效应，坡体前缘向临空方向倾倒，并逐渐向坡内连续发展，岩体内部沿早期构造成因的片理面发生层与层之间的剪切蠕滑错动。由于倾倒受控于层间的相互错位变形，故表现为岩层依次连续倾倒，无倾角突变现象发生，其力学性质属塑性连续变形。随着倾倒蠕变的进一步发展，岩体内逐渐产生缓倾坡外的张性剪切破裂，并表现出显著的切层发展现象，具有快速倾倒的特征，进一步牵引上部岩体倾倒，从而产生逐级的渐进型的变形失稳。

该边坡快速倾倒主要由边坡岩层结构及岩体自身性质决定，采用的针对性措施如下：①边坡开挖坡角陡于60°时，开挖切角作用下边坡岩体变形特别明显，边坡设计坡比宜缓于1∶0.75。②为防止边坡岩体失水或被水浸泡，延迟岩体崩解或者软化的速度，边坡开挖后快速素喷封闭。③边坡崩塌始于边坡坡顶，在每级边坡顶部设置锚筋桩锚固，以有效抑制崩塌的发生及发展。④边坡的快速崩塌一般发生在边坡开挖暴露后一周以上，要求边坡支护在一周内完成。以上措施处理后，有效控制了边坡岩体的快速崩塌。

2.1.2.3 边坡变形开裂

2011年3月19日，导流洞侧面边坡高程1 530 m马道临时排水渠与上层锚拉板之间出现裂缝，宽约1 cm。该部位前期已出现过开裂，采用回填灌浆封闭，但该裂缝一直处于发展状态，宽度呈增大趋势。截至2011年8月，开挖边坡上部已全部采用锚拉板进行支护，所有锚索也已施工完成，但该裂缝仍继续发展，其开裂宽度已发展至最大约0.3～0.5 m。据现场调查，边坡开裂部位为坡、崩积层与基岩交界处附近，下部倾倒蠕变岩体厚20～30 m，边坡岩土体呈散体结构。分析认为，边坡开裂主要原因为：①边坡组成物质为倾倒蠕变强烈的松散岩体，以散体结构为主，稳定条件差。②边坡部位地下水位埋深较大，但边坡覆盖层中存在上层滞水，且七登河沟水从边坡中部排水渠通过，存在地表水注入地下的情况，造成边坡一定范围内地下水富集，地表水的入渗以及地下水排泄不畅造成了边坡岩土体的弱化，且其水压力对逆向坡岩层产生了较大的力矩作用，导致边坡变形开裂。③下部边坡发生的倾倒崩塌及沉降对上部边坡形成牵引作用，引起上部岩体倾倒变形的范围逐步加大，加剧了边坡的变形和开裂。

经复核，边坡整体的支护强度满足边坡规范要求，采取的针对性措施如下：①遵循治坡先治水的原则，完善修复原有的边坡截、排水系统，同时设置深40 m的系统排水孔，疏排坡内积水，降低坡内地下水位。②及时完成下部边坡支护，防止岩体的快速崩塌及发展对上部边坡产生的牵引作用。经以上措施处理后，边坡变形逐步收敛，并至今保持稳定状态，说明对边坡变形破坏模式判断合适，支护措施有效。

2.2 围堰工程

上游围堰位于坝轴线上游约300 m部位，堰顶高程1 524 m，枯水期江面宽约45～65 m，水深7～10 m。河谷两岸地形陡峻，围堰轴线部位两岸分布有坡、崩积堆积体，上、下游基岩裸露，为玄武岩，地表露头以弱风化岩体为主。河床冲积层厚27～33 m，渗透系数为0.1～0.19 cm/s，属强透水层。下伏基岩的浅表部及两岸基岩浅表部为中等透水～弱透水。

下游围堰位于坝轴线下游约480 m，堰顶高程1 489 m，枯期河面宽约50～70 m，水深6～8 m。左岸地形陡峻，地形坡度55°～70°，右岸地形平缓。围堰两岸基岩裸露，地层为变质火山角(细)砾岩夹变质凝灰岩，地表露头为弱风化岩体。河床冲积层厚25～32 m，渗透系数为0.17 cm/s，属强透水层。下伏基岩的浅表部及两岸基岩浅表部为中等透水～弱透水。

上、下游围堰河床冲积层厚度大，透水性强，且冲积层粗细颗粒粒径比值较大，围堰基础易发生管涌型渗透变形破坏。上游围堰防渗最大深度近60 m，下游围堰50 m，防渗处理深度大，施工困难且施工周期长，截流后围堰施工工期紧。采取的针对性措施主要为：①考虑到围堰防渗处理对象为河床冲积层和人工回填的块、碎石，且多位于水位以下，设计采用混凝土防渗墙下接灌浆帷幕方案防渗，混凝土防渗墙采用冲击钻造孔法施工。②考虑到河床冲积层及人工回填渣土较松散，且存在部分粒径较大的孤石、块石，造孔过程容易产生塌孔，影响施工进度，采取对回填渣土及冲积层进行预固结灌浆的措施。目前，防渗墙施工已基本完成，以上措施为后续工程施工争取了时间，达到了预期效果。

3 结 语

黄登水电站导截流工程地质条件较复杂，前期勘察基本查明了工程地质条件及存在的工程地质问题，为工程布置及施工措施设计提供了依据。针对施工开挖过程中出现的主要地质问题，在现场勘察设计人员的预测分析下，及时调整开挖及支护处理方案，保证了工程施工的顺利进行，为后续各项工程顺利施工奠定了坚实基础。导流洞的运行状况及各项观测资料表明，对主要工程地质问题的分析判断及采取的处理措施是合适的。