天花板水電站引水隧洞設計

張 杰，何 敏，蔣逵超，常 躍

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

天花板水電站引水隧洞全長 2 514.01 m，引用流量 232.4 m3/s，采用圓形斷面，內徑 8.2 m，采用鋼筋混凝土襯砌，隧洞縱坡為0.5%。沿線Ⅳ、Ⅴ類圍巖段長度達到總長度的54.93%，開挖洞徑最大10.2 m，在開挖中遇到了塌方段。隧洞規模較大，有一定設計難度。

1 隧洞地形、地質條件及布置

引水隧洞前半段 （樁號Y0±000.00～Y0+342.00）地形起伏較大，且發育有深切溝谷，上覆巖體厚度為 70～670 m； 后半段 （樁號 Y0+342.00～Y2+514.00 m）地形較平緩，無沖溝深切，上覆巖體厚度為50～280 m。沿江側向山體厚度為150～450 m。

樁號Y0±000.00～Y1+647.00段巖性為震旦系上統東龍潭組中厚層至厚層狀粉晶質白云巖；樁號Y1+647.00～Y2+514.00段為澄江組長石石英砂巖、巖屑石英砂巖夾泥質粉砂巖，局部見軟弱夾層。

引水隧洞沿線東龍潭組白云巖產狀為NE54°SE∠17°，屬于單斜構造；澄江組砂巖產狀為NE62°SE∠73°，傾角較陡，地質構造相對簡單，斷裂發育有f2、 f7、 f10、 f15、 f16、 f17和 f18。 在白云巖和石英砂巖間有1條角度不整合接觸帶，接觸帶內巖性為巖溶角礫巖，大部分巖體為鈣質膠結，巖體強度較低且很破碎。隧洞軸線基本上與巖層走向近正交。裂隙主要發育有： ①NW310°NE∠86°； ②NE30～40°NW∠80°； ③ NW305°SW ∠80°； ④ NW275～280°NE∠85°。

隧洞沿線白云巖順層面發育溶蝕裂隙，地下水為巖溶水；砂巖中發育基巖裂隙水。地下水位埋藏較深，地下水位多在隧洞頂拱以上，巖體為中等透水巖體。隧洞大部分為深埋隧洞，其中Ⅲ類圍巖長1 133.00 m，占 45.07%；Ⅳ類圍巖長 1 087.00 m，占43.24%；Ⅴ類圍巖長294.00 m，占11.69%。

引水隧洞布置于河道右岸，為減小洞線長度，基本采用順河道裁彎取直布置。即：隧洞樁號Y0±000.00～Y0+075.97段緊鄰進水口，為直線段，走向NW354.06°； 樁號 Y0+075.97～Y0+100.70 段為轉彎段，轉彎半徑41.00 m，轉彎角度34.56°；樁號Y0+100.70～Y2+514.01段為直線段，走向NW319.50°。

隧洞縱坡0.5%，首部起坡點樁號Y0±000.00，底板高程1 032.00 m，尾部樁號Y2+514.01（接調壓井），調壓井底部隧洞高程1 019.48 m。圓形斷面內徑8.20 m，襯砌厚度0.6 m（Ⅲ類圍巖）和0.8 m（Ⅳ、Ⅴ類圍巖）。

2 開挖、支護設計及不良地址段處理

考慮引水隧洞混凝土襯砌段內徑、圍巖襯砌厚度和開挖支護過程中掛網、噴混凝土的厚度，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖的開挖洞徑分別為9.56、10.1，10.2 m。隧洞分兩序開挖，第一序完成上半洞 240°范圍開挖，隨后進行支護；襯砌混凝土澆筑前完成下半洞開挖，不做支護。

Ⅲ類圍巖支護為：頂部 240°范圍內采用噴混凝土 C20， 厚度8 cm，隨機掛網鋼筋φ6.5@20×20 cm，隨機錨桿φ22、L=3.1 m，深入巖石 3.0 m。

Ⅳ類圍巖支護為：頂部 240°范圍內采用系統噴混凝土 C20， 厚度 15 cm， 掛網鋼筋 φ6.5@20×20 cm，系統錨桿φ22@1.5×1.5 m、L=4.5 m，深入巖石4.4 m，梅花形布置。

Ⅴ類圍巖穩定性較差，開挖支護采用全斷面鋼格柵拱架支護，格柵斷面 15 cm×20 cm，間距0.8～1.2 m，并在頂拱 140°范圍內設φ22、L=4.5 m超前錨桿，環向間距 30 cm，傾角 （向外）5°。全斷面設噴混凝土 C20、厚度20 cm， 掛網鋼筋φ6.5@15×15 cm， 系統支護錨桿 φ22@1.5×1.5 m、L=4.5 m，深入巖石4.4 m，梅花形布置。

在Ⅳ、Ⅴ類圍巖等不良地質洞段開挖時，遵循淺鉆孔、弱爆破、多循環的原則，同時網噴、錨桿支護應緊跟掌子面。

2008年7月底，在引水開挖過程中，樁號Y1+950.00下游側出現長度約6 m、高度約10～12 m的塌方段。根據現場情況、參考類似工程經驗。對塌方段采取以下處理措施：

（1）在塌方部位虛渣上噴聚丙烯纖維混凝土（聚丙烯摻量為0.6～1.0 kg/m3），使之成為擋墻。在擋墻的掌子面立采用18號工字鋼鋼拱架 （間排距0.4～0.6 m），打超前管棚進行固結灌漿。管棚參數為：φ48花管、L=6 m，在頂拱240°范圍內，每榀拱架設兩排，內側水平，外側外傾15°，間距35 cm。待固結完成后，進行虛渣清理，清理時控制每次進尺不超過1 m。

（2）對塌方段影響部位 （掌子面前約15 m），作加固處理。即，增加無蓋重固結灌漿，加密系統錨桿。固結灌漿孔徑50 mm，花管φ48，孔深6 m，漿液水灰比采用1∶0.8～1∶1， 漿液中加入水玻璃 （摻量為水泥用量的2%～4%），灌漿壓力采用0.1～0.2 MPa；自進式錨桿，φ25、L=6 m，間排距1.5 m×1.5 m，與系統錨桿間隔布置。

（3）經過一個月的處理，引水隧洞順利通過了塌方段，此間無人員傷亡事故。到2009年該部位混凝土襯砌施工前，一直未發現裂縫。

（4）2010年，灌漿工程施工過程中，對塌方段頂拱空腔部位回填了C15混凝土。

3 結構設計

3.1 結構計算

（1）計算假定：①假定巖體穩定且相對均勻；②計算應力配筋中，有內水組合作用時，不計外水壓力的折減；無內水作用時，外水壓力不折減；③裂縫驗算過程中，有內水組合作用時，外水壓力折減系數取0.5；④地下結構忽略溫度和地震荷載的影響；⑤計算斷面根據隧洞沿線圍巖分類及內、外水壓力分布情況 （內水壓力取值分別考慮上游為正常蓄水位1 071.00 m、廠房正常運行時上游最高發電水位 （P=0.5%）1 074.58 m及調壓井最高涌浪水位1 096.11 m求得。外水壓力根據引水隧洞沿線地下水位線求得，選取20個典型斷面進行計算；⑥2005年，劉云和王亦維[1]建議，當水工隧洞進行了有效的一次支護，在實際結構計算時襯砌的幾何尺寸應計入一次支護的尺度，或適當提高圍巖的f（隧洞圍巖牢固系數）、K0（隧洞圍巖單位彈性抗力系數）計算值，對于后者建議f、K0的計算值可比其原始地質參數提高20%～30%。考慮到本工程引水隧洞中Ⅳ、Ⅴ類圍巖段采用了較強支護，因此在計算中對于Ⅳ、Ⅴ類圍巖段的單位彈性抗力系數值提高了20%。

（2）荷載與計算工況。荷載與計算工況組合見表1所示。

表1 荷載組合

（3）計算方法。根據 DL/T 5195—2004《水工隧洞設計規范》 （以下簡稱 《電力規范》）規定：“對于I、Ⅱ類及部分Ⅲ類圍巖，……，宜采用不承載的混凝土襯砌”。由于本工程引水隧洞周圍無I、Ⅱ類圍巖，Ⅲ類圍巖以石英砂巖加泥質粉砂巖為主，圍巖條件較差。因此引水隧洞全部按照承載的混凝土襯砌考慮。在引水隧洞襯砌結構計算過程中，《電力規范》與SL 279—2002《水工隧洞設計規范》（以下簡稱 《水利規范》）在襯砌計算方法上提法略有區別。現將兩規范的提法對比列入表2。表2顯示， 《水利規范》在襯砌計算基本理念上與 《電力規范》是相同的。在襯砌計算時，可參照圍巖類別、襯砌直徑、設計水頭等，根據工程類比、設計經驗等選擇適宜方法進行計算。天花板引水隧洞襯砌計算最終選擇的計算方法是：①考慮到本工程引水隧洞開挖直徑較大 （9.56～10.2 m），同時Ⅲ類圍巖段巖石條件相對于Ⅳ、Ⅴ類圍巖較好，因此Ⅲ類圍巖段按照有限元法進行計算論；②Ⅳ、Ⅴ類圍巖段，依據水利規范要求，按照邊值數值解法進行計算。

表2 規范比較

（4）計算成果。按照以上計算方法，在承載力極限狀態下，分別按持久狀況及偶然狀況進行配筋計算，確定配筋；在正常使用極限狀態下，驗算裂縫開展寬度。

經計算，引水隧洞沿線配筋為： 混凝土襯砌厚度60 cm為5φ22雙筋～5φ32雙筋；混凝土襯砌厚度80 cm為5φ25雙筋～7φ32雙筋。

3.2 襯砌分縫

根據規范要求，結合引水隧洞沿線圍巖特點、施工機械類型，并參考國內類似工程，本電站引水隧洞襯砌設結構縫，每段襯砌長度為9 m。結構縫內設置橡膠止水，不設填縫材料。

由施工完成后檢查情況看，未發現環向連續裂縫，說明天花板水電站引水隧洞結構縫的設置是合適的。

4 灌漿設計

引水隧洞的回填灌漿的目的是對回填襯砌混凝土頂拱以上部位未能澆實的部位灌漿，使一、二次支護結合為整體。固結灌漿目的是加固圍巖，提高圍巖的整體性，封閉裂隙，增加圍巖抗滲能力，從而減少內水外滲。

4.1 回填灌漿

對于引水隧洞全洞段頂拱90°范圍內作回填灌漿，灌漿孔直徑50 mm，深入巖石10 cm，每排3個孔，排距6.0 m，梅花形布置。

4.2 固結灌漿

根據圍巖情況，引水隧洞采用不同的固結灌漿方案，固結灌漿壓力根據現場灌漿試驗確定。

Ⅲ類圍巖段，巖石條件較好，不作固結灌漿。

引水隧洞樁號Y0±000.00～Y1+484.45段，Ⅳ類圍巖段中，單位抗力系數大于2 kN/cm3的段，不作固結灌漿。引水隧洞樁號Y1+484.45～Y2+514.01段，Ⅳ類圍巖段作固結灌漿，灌漿孔φ50 mm，深入巖石6.0 m，每排8孔，排距6 m，梅花形布置，在頂拱90°范圍內兼作回填灌漿。

V類圍巖段，由于巖石條件較差，考慮全部作固結灌漿，灌漿參數與Ⅳ類圍巖段相同。

［1］劉云，王亦維.關于 《水工隧洞設計規范》中若干結構計算問題的討論［J］.云南水力發電， 2005（6）:51-53.66.