黑河塘水電站引水隧洞過磨房溝段的處理

梁文杰

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

黑河塘水電站主要由首部樞紐、引水系統、廠區樞紐三部分組成。首部樞紐由3孔泄洪閘、沖沙閘、左右岸擋水壩及進水口組成；引水系統沿河左岸布置，水流經過長約6 443m引水隧洞到達調壓室，再經過長約430m、高差158m的壓力管道進入位于白水江左岸的地面廠房，發電尾水經引渠流入白水江。

閘址區位于羌活溝口下游800m至磨房溝上游約300m之間的河段上，引水系統的進水口布置在左岸，取水角為105°,在主河床布置3孔泄洪閘，左岸緊靠進水口布置1孔沖沙閘，構成“正向沖沙、泄洪，側向取水”的引水防沙和泄洪的樞紐體系。設置3孔寬4m的泄洪閘、1孔寬2.5m的沖沙閘，閘底板高程1 738m。閘兩側為重力式擋水壩，最大壩高21.5m。閘壩基礎為懸掛式混凝土防滲墻，兩岸巖體采用帷幕灌漿。

引水建筑物由進口閘、引水隧洞、調壓室及壓力管道組成。取水口設置3套攔污柵及回轉式清污機，每孔寬4m，高12.5m，進水口底板高程為1 766.00m，孔口高5m，設有1道工作閘門。

引水隧洞全長6 442.908m，末端底板高程為1 735.00m，縱向底坡為0.48%，隧洞斷面型式為城門洞形，開挖斷面尺寸為5.2m×6.1m(寬×高)，采用錨噴混凝土襯砌和鋼筋混凝土襯砌。引水隧洞的施工，設計布置了3條施工支洞及相應施工道路，其中1號、3號施工支洞設為隧洞的檢修通道。

調壓室型式為水室式，豎井直徑7m，高47.3m；上室長200m，上室設交通洞兼補氣洞，長度為150m。壓力管道采用地下埋藏式鋼板襯砌，主管長405.512 m，內徑3.7m，支管內徑2.2m。

廠房布置于白水江左岸Ⅰ級階地上，主廠房縱軸線與壓力管道主管垂直。副廠房﹑主變室及GIS室均布置在主廠房的上游側，安裝間布置在主機間左側，尾水渠正向出水與河道相接。廠區交通與九環線旅游公路相接。主廠房尺寸46.62m×18.10m×32.42m(長×寬×高)。

2 隧洞過磨房溝段的工程地質條件

2.1 基本地質條件

引水隧洞自樁號0+850～1+250m穿越磨房溝。該溝為常年流水溝，現代溝床偏右側，切割深度大，谷坡陡峻，多為基巖裸露；左側1 860.0m高程地形寬緩，為古冰川凍融泥石流堆積的緩坡平臺。隧洞穿越處(0+940m左右)溝底高程1 830m，隧洞底高程約為1 762.5 m，洞段鉛直埋深一般為100～110m，最淺埋深63.0m。

據前期地質調查和鉆孔揭示，該溝原始溝床為冰蝕槽谷，古溝床偏隧洞下游側，形態起伏變化大，溝內堆積了厚達80余米的凍融泥石流塊碎石土，塊徑大小懸殊，結構極不均一，塊碎石構成骨架，空隙中充填碎屑、角礫及粘質粉土，土體結構較密實。因該段覆蓋層透水性強，豐枯地下水位變化大，前期勘察期間正值枯水期，鉆進中均不返水，鉆孔實測終孔水位普遍較低，各孔地下水位均位于基巖頂面附近，自上游向下游分別為1 782.06m(ZK19#)、1 790.71m(ZK17#)、1815.94m(ZK18#)。建議塊碎石土的滲透系數為1×10-2cm/s，強風化強卸荷巖體建議透水率大于100Lu。

隧洞穿越段巖性為黑河組下段第1～3亞層，巖性以砂巖夾板巖為主，巖層產狀N35°～50°W/SW∠30°～40°。

2.2 圍巖工程地質條件及評價

2.2.1 招標階段圍巖分類預測

前期勘察階段鉆孔揭示，過溝段隧洞埋深63～110m，因覆蓋層深厚，上覆基巖厚度最薄處僅14.0m。巖性以砂巖夾板巖為主，洞段圍巖風化卸荷強烈，巖體結合度差，地下水活動強烈，裂面普遍中～強銹，充填巖屑和次生泥，按水電圍巖分類標準，洞段圍巖類別以Ⅳ～Ⅴ類為主。

2.2.2 開挖揭示圍巖地質狀況及施工臨時支護

經開挖揭示，樁號0+850～0+954m段埋深一般為80～160m，巖性以砂巖夾板巖為主，產狀N35°～50°W/SW∠30°～40°，走向與洞軸線呈大角度相交，地下水活動不強，局部段有線狀滲滴水，裂面多弱～輕銹，屬弱風化弱卸荷上部，巖體呈中厚層狀結構，局部薄板狀結構，以Ⅲ類圍巖為主，施工過程中，采取了錨桿、掛網噴護。

遺傳算法現已在路徑規劃方面得到一定的運行效果。但是標準遺傳算法搜索空間一般較大，存在過多多余搜索、導致收斂速度慢和運行時間長等缺陷。例如，文獻[6]和文獻[7]所提的基于柵格地圖的改進遺傳算法中，當柵格密度較大時，搜索空間達數百數千柵格，有較多冗余搜索，影響算法搜索收斂速度。本文在原有遺傳算法的基礎上加入彈性網格概念，采用簡單獨立坐標編碼，通過動態變換地圖網格密度，減小算法搜索空間；同時，加入自適應變異算子，以加速收斂速度。

樁號0+954～1+067m段埋深一般為100～110m，推測上伏基巖厚度一般為10～15m，最小厚度約為5.0m，巖性以砂巖夾板巖為主，屬強風化強卸荷巖體，產狀雜亂，地下水活動強烈，開挖過程中多處產生大量涌水(實測最大流量達1 600m3/h)，巖體結合度差，并夾有大量巖屑和黃色次生泥，圍巖極不穩定，以Ⅴ類圍巖為主。施工中采取了短進尺、弱爆破，超前錨桿、格柵拱架、掛網噴護等措施。在1+038.5～1+048.5m段因掌子面集中涌水、巖體夾泥較厚、結構強度低，頂拱曾發生了高約4～6m的塌方，施工中采取了小管棚、鋼拱、掛網噴護，支護后圍巖基本穩定，未產生大的變形；1+061～1+067m段因地下水活動強烈，巖體結構松弛，多呈塊夾泥狀，開挖過程中掌子面大量涌水，外側出現明顯的張拉裂隙，并有大量的碎塊、碎屑及夾泥涌出，并隨之塌方，塌方高達8～10m。施工中采取了大管棚、加密鋼拱及掛網噴護，支護后圍巖基本穩定，未產生大的變形。

樁號1+067～1+100m段巖性以中厚層砂巖為主，產狀N35°～50°W/SW∠30°～40°，走向與洞軸線呈大角度相交，裂面多弱～中銹，巖體呈中厚層狀結構，洞段地下水活動較強烈，普遍滲滴水，部分段呈股狀射流，圍巖不穩定，以Ⅳ類圍巖為主。

3 隧洞襯砌結構設計

3.1 隧洞襯砌結構的調整

根據該段開挖及施工臨時支護實際斷面資料，此段仍有部分段底部未開挖至設計高程，實際開挖中心線與設計中心線存在偏差，且該段圍巖破碎，滲透水豐富，若要求按設計布置開挖，施工難度較大，對工期影響較大，為方便施工，對(隧)0+688.77～1+100m的永久結構設計作如下調整：

(1)由于隧洞(隧)0+945.00～1+100.00m段的圍巖破碎，地下滲透水豐富，該段隧洞開挖的實際中心線與原設計有較大的偏移，在該段隧洞轉點處改為小角度折線相聯。

(2)為降低隧洞底板開挖及永久支護施工難度，以及與隧洞原底板縱坡平順銜接，將該段底板縱坡作分段調整。由于隧洞臨時支護較強，開挖及支護斷面比設計要求的有所減小，故對該段永久襯砌斷面作相應調整，以確保襯砌厚度不小于60cm。

(3)對該永久襯砌段邊、頂拱周邊可能存在的空腔地段(尤其是施工開挖中曾出現塌方、冒頂的地段)進行地質雷達檢測，以加強邊、頂拱回填灌漿和接觸灌漿處理。

(4)隧洞底板巖體極度松弛，結構極不均一，開挖后有不同程度的松弛回彈，底板清基難以徹底，為改善底板巖體的不均一性，增強其整體性，避免出現不均一變形，適當加深0+978～1+038.5m段底板固結灌漿深度。

3.2 結構計算原則及假定

此段隧洞混凝土襯砌斷面為半圓拱城門洞形，結構計算采用DL/T 5195-2004《水工隧洞設計規范》推薦的非圓形隧洞襯砌計算方法即邊值法進行，按可靠度計算。

考慮到本段襯砌外部邊界為由鋼拱支撐、鋼筋拱架、噴混凝土、巖石錨桿等組成的臨時支護層，在計算中未計圍巖的彈性抗力，取值為0.001MPa/m以滿足計算程序收斂條件，施工中對襯砌體頂拱進行回填灌漿、邊墻接觸灌漿、底板固結灌漿，以滿足襯砌與圍巖接觸條件。

計算襯砌結構取典型斷面，厚度取最小厚度60cm，混凝土強度等級C20，鋼筋為Ⅱ級。

因洞段上伏覆蓋層厚度大，透水性強，豐枯地下水位變化大，前期勘察期間正值枯水期，鉆孔實測終孔水位普遍較低，為保證圍巖襯砌有足夠的安全裕度，外水壓力采用磨房溝溝床1 830.0m高程與隧洞頂拱差作為計算水柱高(水頭約63.0m)，折減系數0.85，建議設計外水壓力為55.0m。

3.3 計算荷載及工況

①內水壓力：23m；

②外水壓力：55m；

③山巖壓力；

④襯砌自重。

承載能力極限狀態作用(荷載)效應組合：

正常水位運行工況： ①+③+④

隧洞放空檢修工況： ②+③+④

3.4 計算成果

3.4.1 基本參數

隧洞為城門洞形，凈尺寸為4.4m×4.6m(寬×高)，襯砌厚度為60cm。電站正常運行時，作用水頭為23m；檢修工況時，外水壓力最大為55m。

3.4.2 計算成果(見表1、2)

表1 隧洞正常運行工況(內水壓力23m)

表2 隧洞檢修工況(外水壓力55m)

由于該段隧洞地質條件差，外水壓力大，根據計算成果，采取較大配筋以確保該段結構安全。

4 電站初期運行安全性評價

4.1 襯砌鋼筋混凝土的檢測分析

根據對已襯砌鋼筋混凝土的檢測成果，地質雷達監測的襯砌混凝土平均厚度為70cm，最小厚度為58cm，鋼筋布置基本滿足設計要求。混凝土強度回彈議檢測成果平均為21.5MPa，達到設計要求。

隧洞正常運行時，此段內水壓力為23m，巖石最小覆蓋厚度17m，滿足《水工隧洞設計規范》中對巖石最小埋深的要求，且外水壓力高于內水壓力，不存在內水外滲問題。

4.2 初期運行安全性分析

隧洞充水試運行時，由于隧洞內水壓力的抵消作用，外水壓力強度有所減少，使襯砌結構處于有利組合狀況，襯砌強度及變形滿足設計要求。將該段隧洞由較大的股狀滲水排入洞內，以利于完成隧洞襯砌外緣的接觸灌漿、固結及回填灌漿工作，降低灌漿過程中因外水壓力影響施工難度，保證灌漿質量，加快灌漿施工進度。從2006年4月隧洞開挖至2006年10月25日澆筑混凝土完成，在(隧)1+020、1+028及1+058m處有三股較大的股狀水，其中1+058m處股狀水直徑約15cm，壓力0.3～0.4MPa，其它滲水部位均為股狀、線狀及滴狀滲水，水質清澈，無巖石顆粒滲出，說明外水內滲在短期內帶走的軟弱顆粒過程已基本結束，在較大滲水點未見新的圍巖塌落被滲水帶出，局部存在的一些排水通道不至于在短期內造成圍巖的滲透破壞。目前隧洞襯砌完好穩定，因此，根據地質部門建議及專家意見，在試運行期間對該段襯砌頂拱的3處集中出水孔在電站運行初期不進行封堵，以加快施工進度，確保按時發電。在初期運行期間此段隧洞襯砌混凝土強度及變形達到設計要求，隧洞襯砌結構可保證運行期間的安全。待運行一段時間(如2～3年)后放空檢查，根據檢查狀況再研究對較大的3股滲水是否采取封堵措施，或對磨房溝水采取攔、截、導、排的工程處理措施。

自2006年12月19日電站正式發電投入商業運行，至今一直正常運行。