透水衬砌对乌东德水电站尾水洞Ⅳ类围岩的影响研究

井发坤，刘铁峰，王梓帆，王团乐，刘冲平

(长江三峡勘测研究院有限公司(武汉)，湖北 武汉 430074)

0 引 言

尾水洞作为水电站引水发电系统的重要组成部分，进行大断面尺寸隧洞开挖时，通常导致围岩卸荷松弛，影响施工安全与进度。工程实践中，尾水洞开挖后一般立即进行喷锚支护，并在洞室过水前实施混凝土衬砌，以保证施工期和运行期的安全。

目前常采用的混凝土衬砌形式主要包括透水衬砌和不透水衬砌两种。透水衬砌是以洞室围岩为主体，衬砌混凝土为透水介质，具有平整水流、减小糙率和保护围岩等作用[1-2]。与不透水衬砌相比，透水衬砌可以减少锚杆数量、衬砌配筋量，减小锚杆及衬砌钢筋直径，降低施工难度，加快施工进度，同时节约工程投资。然而，由于Ⅳ类围岩岩体整体较破碎，结构面较发育，部分岩体中劈理发育，地下水活动频繁，围岩自稳能力差，工程上一般采用不透水衬砌形式。目前关于Ⅳ类围岩透水衬砌的工程实例较少，研究Ⅳ类围岩洞室的透水衬砌适宜性具有重要的工程实践意义。本文对乌东德水电站尾水洞Ⅳ类围岩洞段透水衬砌的适宜性进行研究，既可为尾水洞透水衬砌设计提供科学依据，也可为其他类似工程建设提供借鉴。

1 工程概况

乌东德水电站为世界第七、中国第四大水电站，总装机容量10 200 MW，多年平均发电量约389.1亿kW·h，枢纽工程由大坝、泄洪、引水发电系统等组成。引水发电系统左、右岸各布置3条尾水主洞，隧洞总长分别为1 145 m和1 330 m，其中左、右岸Ⅳ类围岩洞段长分别为241.5 m和784.2 m，占总段长的21.1%和59.0%。

2 工程地质条件

图1 尾水洞围岩分类示意Fig.1 Schematic diagram of surrounding rock classification of tailrace tunnel

3 透水衬砌对Ⅳ类围岩稳定影响分析

采用透水衬砌需在保证洞室围岩稳定的前提下，基于围岩的软化性、完整性、透水性及结构面特征，分析地下水对围岩的软化情况，以避免洞内水压变化时水流反复进出围岩，造成Ⅳ类围岩的渗透破坏，进而影响洞室的长期稳定。

3.1 围岩特性与地下水软化作用分析

3.1.1 岩矿特征与软化性

表大理岩化白云岩岩矿特征

表千枚岩岩矿特征

表千枚岩岩石力学性质试验成果

表极薄层灰岩岩石力学性质试验成果

3.1.1.4 顺雷家湾沟断层(F15)侵入辉绿岩

(1) 岩矿特征。取辉绿岩样进行岩矿鉴定，成果见表6。从岩矿鉴定结果可以看出：辉绿岩中不含遇水膨胀矿物，也不含NaCl、KCl、石膏等易溶性矿物。

表6 辉绿岩矿物含量特征

(2) 岩石软化性。对辉绿岩做岩石物理力学性质试验2组(表7)，结果表明：辉绿岩属坚硬岩，为不可软化岩石。

表7 辉绿岩岩石力学性质试验成果统计

3.1.1.5 地下水对岩石软化性影响

3.1.2 结构面特征

(2) 断层。左岸尾水洞揭露的雷家湾断层(F15)带宽15～20 cm(图2)，带内充填碎裂岩及少量方解石，微风化，较坚硬，具明显挤压现象，不含遇水膨胀矿物。

图2 F15断层碎裂岩Fig.2 Cataclastic rock of fault F15

(3) 裂隙。Ⅳ类围岩洞段裂隙总体不发育，裂面一般平直粗糙，多无充填或方解石胶结，闭合或微张，少部分附泥钙膜或绢云母，极少量有岩屑夹泥填充。裂隙以硬性结构面为主，且多短小。

图极薄层大理岩化白云岩劈理Fig.3 Cleavage extremely thin marbled dolomite

3.1.3 岩体完整性

3.1.4 岩体透水性

3.2 围岩渗透破坏分析

3.2.1 定性分析

因此，尾水主洞Ⅳ类围岩不存在渗流作用下可能渗透变形的破碎带、卸荷带(已固结灌浆处理)、软弱夹层等，岩体不会因采取透水衬砌而产生渗透破坏。

3.2.2 半定量分析

岩体的渗透破坏目前尚无相应规范规程，参考其他工程岩体或结构面渗透试验的渗透破坏水力比降(表8)，其中安全系数取2，即允许渗透破坏水力比降为临界渗透破坏水力比降的1/2。由表8可知，无充填裂隙允许渗透破坏水力比降一般为6.0～7.0，全强风化带、挤压破碎带、软弱夹层等的允许渗透破坏水力比降一般为2.0～3.5[11-15]。

表8 岩体工程渗透试验的水力比降

尾水主洞Ⅳ类围岩以无充填裂隙为主，不存在全强风化带、挤压破碎带、软弱夹层等，且固结灌浆深度达8.0 m。因此，尾水主洞Ⅳ类围岩允许渗透破坏水力比降约为6.0～7.0左右。

大坝蓄水后，尾水主洞段地下水主要来源于山体地下水的侧向补给、尾水洞施工支洞和导流洞中充水的补给。采取透水衬砌时，尾水洞Ⅳ类围岩洞内外水头差为36～55 m，实际水力比降为3.2～4.8。实际水力比降皆小于尾水洞Ⅳ类围岩的允许渗透破坏水力比降，尾水洞Ⅳ类围岩采用透水衬砌不会产生渗透破坏。

4 透水衬砌优势分析

乌东德水电站尾水洞Ⅳ类围岩洞段若采用不透水衬砌，所需的钢筋总量为23 783.7 t；若采用透水衬砌，虽然衬砌厚度不变，但可以减少锚杆数量及衬砌配筋量、减小锚杆及衬砌钢筋直径，所需的钢筋总量为12 317.2 t。与不透水衬砌相比，可节省钢筋11 466.5 t，节约工程投资8 040.56万元。同时，透水衬砌锚杆量及配筋量的减少可以降低施工难度，加快施工进度，有利于控制施工质量与施工安全。

5 结 论

为保证大断面尺寸尾水洞在施工期及运行期的安全，乌东德水电站尾水洞开挖后随即进行了喷锚支护，并在过流前进一步对洞室实施混凝土衬砌。本文从岩石矿物角度研究了地层中是否存在遇水膨胀矿物，根据岩石物理力学试验成果，分析了该工程Ⅳ类围岩是否属可软化岩石，并通过研究结构面特征、岩体的完整性及透水性，分析了该围岩洞段采用透水衬砌是否会产生渗透破坏，得到以下结论。

(1) 尾水洞Ⅳ类围岩总体具有不易被地下水软化的特点，地下水对围岩软化作用轻微；固结灌浆后Ⅳ类围岩内无地下水易软化的破碎带或卸荷带岩体；围岩均属微-弱透水岩体，地下水难以渗入岩体中；围岩在地下水作用下仍为Ⅳ类围岩，即地下水对围岩稳定影响小。

(2) 采取透水衬砌时，尾水洞Ⅳ类围岩洞段实际水力比降皆小于允许渗透破坏水力比降，故采用透水衬砌不会使围岩产生渗透破坏。