乌东德电站导流洞直柱形堵头衬砌与围岩接触研究

(长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430010)

大断面尺寸导流洞围岩开挖通常导致岩体松弛卸荷，为确保施工期安全，随洞室开挖进行系统的喷锚支护，后期为保证运行期的安全，过流前洞室会进一步实施混凝土衬砌[1-3]。受现场施工环境及条件影响，隧洞边墙和顶拱在进行喷混凝土及后期衬砌混凝土施工前，洞壁岩面及喷混凝土表面均未进行冲洗，存在粉尘污染等情况，可能导致各接触面接触不良，进而对堵头的稳定性产生不利影响[4-7]。目前国内外对衬砌混凝土、喷混凝土和围岩接触情况的相关文献较少，所以，上述接触面的研究对导流洞永久堵头型式的选择和工程安全运行具有重要的意义。本文选取乌东德水电站5号导流洞堵头段的上述接触面进行研究。

乌东德水电站是金沙江下游河段4个梯级中的最上游梯级电站，电站装机容量10 200 MW，多年平均发电量389.1亿kW·h，为Ⅰ等大(一)型工程，主要由高达270 m的混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物及引水发电系统等建筑物组成。施工期利用导流隧洞进行前期导流。

乌东德水电站采用隧洞导流的方式，左右两岸共布置5条导流洞，其中左岸2条、右岸3条。左岸1号与2号导流洞进口底板高程814 m，右岸3号与4号导流洞进口底板高程812 m；1～4号导流洞出口底板高程为800 m，隧洞断面呈城门洞形，过流断面尺寸为16.5 m×24 m(宽×高)；右岸5号导流洞进口底板高程830 m，出口底板高程为 824 m，过流断面尺寸为12 m×16 m(宽×高)。导流洞永久堵头拟采用直柱形结构型式，以达到避免二次开挖，简化施工、加快进度的目的[8-12]。

为了查明堵头段各接触面的接触情况，选取5号导流洞堵头段进行专题研究。收集堵头段开挖地质编录资料，结合该段地质条件分别在边墙及底板布置勘探钻孔；利用钻孔芯样及彩电成果直观判断衬砌及围岩各接触面的结合情况；利用钻孔声波成果定量判断各接触面的接触效果；利用平面超声横波成像检测成果判断各接触面间是否存在缺陷，将勘察成果从点延伸至面；采取钻孔芯样进行各接触面间的室内剪切试验，获得抗剪强度参数；最终，以测试及试验成果为基础，类比相似工程，给出堵头段围岩与喷混凝土接触面、喷混凝土与衬砌混凝土接触面的物理力学参数建议值。

1 基本地质条件

乌东德水电站导流洞从进口至出口穿越的地层为因民组(Pt2y)及落雪组第一段(Pt2l1)至第十段(Pt2l10)地层，岩性主要为灰岩、白云岩、大理岩化白云岩、少量千枚岩及变质砂岩[11-12]。

5号导流洞堵头段位于桩号K0+715～K0+755，地层岩性为落雪组第一段第一亚段(Pt211-1)灰色薄层状灰岩，局部夹极薄层及薄层状白云岩[10-12]，地层走向17°～43°，倾向107°～133°，倾角41°～55°，岩层走向与洞轴线夹角约30°～60°；围岩为微新岩体，未见断层出露，裂隙、岩溶不发育，地应力以低地应力为主，开挖过程中洞壁总体干燥，偶见渗滴水现象，属IV围岩类。开挖后顶拱弱卸荷深度一般为2～4 m；拱座弱卸荷深度一般为3～7 m；边墙中部弱卸荷深度一般为3～8 m；边墙底部弱卸荷深度一般为2～5 m。

2 衬砌及围岩接触情况研究

导流洞分三层开挖，随开挖对边墙及顶拱进行了系统锚杆+0.2 m厚的喷混凝土初期支护，待隧洞全部开挖完成后统一进行了1.2 m厚的混凝土二次衬砌支护。

2.1 底板衬砌混凝土与岩体接触情况

底板衬砌混凝土与岩体接触情况主要通过钻探取芯、钻孔彩电及声波测试进行研究。

2.1.1钻探取芯

堵头段底板布置铅直钻孔5个，底板衬砌混凝土与岩体接触部位衬砌混凝土芯样断面上，基岩所占芯样断面面积在70%～100%，平均86.4%；接触面起伏不平，起伏差一般为4～5 cm。宏观判断基岩与衬砌混凝土接触较好(见图1)。

图1 底板混凝土与岩体接触部位典型钻孔芯样Fig.1 Typical drilling core containing interface of concreteliner and surrounding rock at tunnel floor

2.1.2钻孔彩电及声波测试

钻孔彩电测试成果显示，底板衬砌混凝土与基岩接触部位整体接触紧密，未见软弱充填物及张开现象；声波测试显示，底板衬砌混凝土声波值一般约为4 600～4 800 m/s，衬砌混凝土与基岩接触部位声波值一般约为4 200～4 500 m/s，下伏基岩的声波值一般约为4 000～5 000 m/s，衬砌混凝土与基岩接触部位声波值无明显降低现象(见图2)。

图2 底板衬砌混凝土与基岩接触面彩电及声波测试典型成果Fig.2 TV and acoustic test of interface of concrete linerand surrounding rock at tunnel floor

综上所述，5号导流洞堵头段底板衬砌混凝土与基岩接合部位未见软弱充填物、张开及声波值明显降低现象，整体接触紧密,胶结良好。

2.2 边墙喷混凝土与岩体接触情况

边墙喷混凝土与岩体接触情况主要通过水平钻探取芯、钻孔彩电、声波测试及平面超声横波成像检测进行研究。

2.2.1钻探取芯

堵头段边墙布置水平钻孔9个。钻探取芯显示，边墙喷混凝土与岩体接触部位喷混凝土芯样断面上，基岩所占芯样断面面积有5个钻孔为25%～54%(见图3)，有4个钻孔为82%～93%，平均60%；接触面起伏不平，起伏差一般为2～12 cm。宏观判断喷混凝土与基岩接触情况较底板略差。

图3 边墙喷混凝土与岩体接触部位典型钻孔芯样Fig.3 Typical drilling core containing interface of concreteand surrounding rock at tunnel side wall

2.2.2钻孔彩电及声波测试

利用边墙的9个水平钻孔进行了彩电及声波测试。钻孔彩电测试成果显示，边墙喷混凝土与基岩接触部位整体胶结紧密-较紧密，未见明显软弱充填物及张开现象；声波测试显示：边墙喷混凝土声波值一般约为4 200～4 600 m/s，喷混凝土与基岩接触部位声波值一般约为3 800～4 400 m/s，边墙基岩的声波值一般为4 000～5 200 m/s，在喷混凝土与基岩接触部位4个钻孔的声波值有降低现象，一般较岩体降低约10%(见图4)。

注：上部及中上部相对反射强度较大的红色区域及青色条带为衬砌混凝土中配筋所致，⑧区域为接触较差部位。图5 导流洞边墙平面超声横波检测典型成果图(左侧边墙K0+730～K0+735)Fig.5 Plane ultrasonics-wave imaging detection at tunnel side wall (left side wall K0 +730 ～ K0 +735)

2.2.3平面超声横波成像检测

在5号导流洞堵头段两侧边墙1 m高的部位进行了平面超声横波成像检测，检测长度50 m，面积100 m2。检测成果显示，检测范围内存在11处异常，深度一般1.16～1.58 m，单一异常面积一般0.035～0.289 m2，总异常面积1.464 m2(见图5)。分析显示，异常部位均位于喷混凝土与基岩接触部位附近，可能受挂网的影响，喷混凝土与基岩局部接触较差。

综上所述，5号导流洞堵头段边墙喷混凝土与基岩接合部位未见软弱充填物及张开现象，整体胶结紧密-较紧密；局部结合相对较差，存在声波值降低及平面超声横波相对反射强度较大的现象，但其范围有限，仅占1.5%左右；总体较底板混凝土与基岩的接触质量略差。

2.3 边墙衬砌混凝土与喷混凝土接触情况

边墙衬砌混凝土与喷混凝土接触情况主要通过水平钻探取芯、钻孔彩电、声波测试及平面超声横波成像检测进行研究。

2.3.1钻探取芯

堵头段边墙布置水平钻孔9个。钻探取芯显示，衬砌混凝土与喷混凝土接触紧密，接触部位未见软弱充填物及缝隙(见图6)，仅有1个钻孔芯样沿接触面出现断裂现象。

图6 边墙衬砌混凝土与喷混凝土接触部位典型钻孔芯样Fig.6 Typical drilling core containing interface of concreteliner and concrete at tunnel side wall

2.3.2钻孔彩电及声波测试

利用边墙的9个水平钻孔进行了彩电及声波测试。钻孔彩电测试成果显示，边墙衬砌混凝土与喷混凝土接触部位整体接触紧密，未见软弱充填物及张开现象；声波测试显示，边墙衬砌混凝土声波值一般为4 500～4 800 m/s，衬砌混凝土与喷混凝土接触部位声波值一般为4 400～4 700 m/s，边墙喷混凝土声波值一般为4 200～4 600 m/s，接触部位未见声波值降低现象(见图7)。

图7 边墙衬砌混凝土与喷混凝土接触面彩电及声波测试典型成果Fig.7 TV and acoustic test of interface of concrete linerand concrete at tunnel side wall

2.3.3平面超声横波成像检测

5号导流洞堵头段两侧边墙平面超声横波成像检测成果显示，边墙衬砌混凝土与喷混凝土接触面附近未见异常。

综上所述，5号导流洞堵头段边墙衬砌混凝土与喷混凝土接合部位未见软弱充填物、张开及声波值明显降低现象，整体接触紧密、胶结良好。

2.4 剪切试验及接触面力学参数建议

利用钻孔芯样采集了6组样品进行室内剪切试验，其中喷混凝土与衬砌混凝土接触部位取样5组，喷混凝土与基岩接触面取样1组(见表1)。试验成果显示,衬砌混凝土与喷混凝土接触部位抗剪断强度f值在1.07～1.31，平均值1.204；C′值在7.19～8.33 MPa，平均值为7.84 MPa。抗剪强度f值在0.619～0.705，平均值0.669；C′值在1.54～1.90 MPa，平均值为1.76 MPa。喷混凝土与基岩接触面试样剪切试验中，抗剪断强度f值为1.33，C′值为5.79 MPa；抗剪强度f值为0.721，C′值为2.11 MPa。

表1 各接触面抗剪试验成果Tab.1 The shear test results of interfaces

综合分析钻探取芯揭示情况，物探测试及室内剪切试验等成果，类比其它工程给出各接触面的抗剪强度建议值。建议底板衬砌混凝土与基岩接触面抗剪断强度参数f值取0.9～1.1，C′值取0.9～1.1 MPa；边墙喷混凝土与基岩接触面抗剪断强度参数f′值取0.8～0.9，C′值取0.7～0.9 MPa；边墙衬砌混凝土与喷混凝土接触面抗剪断强度参数f′值取0.9，C′值取0.9 MPa(见表2)。

表2 各接触面抗剪强度参数地质建议值表Tab.2 The suggested values of shear strength parametersof interfaces

3 结 语

(1) 为保证大断面尺寸导流洞的施工及运行期安全，导流洞一般随开挖进行系统的喷锚支护，并在过流前实施混凝土衬砌。目前国内外对衬砌混凝土、喷混凝土和围岩接触情况研究的相关文献较少。

本文综合利用钻孔取芯、钻孔彩电、声波测试及平面超声横波成像检测及室内试验等手段，以点及面、相互补充、彼此辅证，查明了堵头段各接触面的接触状况；以测试及试验成果为基础，类比相似工程，结合地质条件，提出堵头段围岩与喷混凝土接触面、喷混凝土与衬砌混凝土接触面的物理力学参数建议值，为堵头设计提供依据，这一研究方法及成果可为其他类似工程提供借鉴。

(2) 右岸5号导流隧洞永久挡水堵头拟设计长度40.0 m，堵头段地层岩性为落雪组第一段第一亚段(Pt211-1)灰色薄层状灰岩，局部夹极薄层状及薄层状白云岩；岩体微新，裂隙不发育；岩体质量为Ⅲ1级。

(3) 5号导流洞堵头段底板衬砌混凝土与基岩接触部位整体接触紧密、胶结良好，接触面未见软弱充填物及张开现象；建议结合部位抗剪断强度参数取f′为0.9～1.1,C′为0.9～1.1 MPa。

(4) 5号导流洞堵头段边墙喷混凝土与基岩接触部位未见明显软弱充填物及张开现象，但考虑到边墙建基岩体在喷混凝土之前附着的施工粉尘未进行清洗，且受开挖面凹凸不平及挂网等影响，喷混凝土与边墙建基岩体之间有部分接触较差～差，建议结合部位抗剪断强度参数取f′为0.8～0.9,C′为0.7～0.9 MPa。

(5) 5号导流洞堵头段边墙衬砌混凝土与喷混凝土接合部位整体接触紧密、胶结良好，接触面未见张开现象。建议结合部位抗剪断强度参数取f′为0.9,C′为0.9 MPa。