坪頭水電站引水隧洞施工支洞封堵體的設(shè)計(jì)與思考

陳亞琴，劉 超，樊菊平

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

坪頭水電站工程主要建筑物由首部閘壩樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)樞紐等組成。 整個(gè)引水系統(tǒng)布置在美姑河河道左岸，主要由進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓室、壓力管道等部分組成。引水隧洞全長(zhǎng)12.7km，進(jìn)水口底板高程895.00m，至調(diào)壓室處底板高程降為850.00m，縱坡降為3.5‰。隧洞垂直埋深40～570m，水平埋深140～1 000m；圍巖類別在深埋段以Ⅲ～Ⅳ類為主，在淺埋段的石膏夾層及軟弱的頁(yè)巖分布段以Ⅳ～Ⅴ類為主；隧洞承受水頭32～77m。引水隧洞布設(shè)7條施工支洞，并按照規(guī)范要求進(jìn)行封堵設(shè)計(jì)。工程啟動(dòng)驗(yàn)收后，對(duì)隧洞進(jìn)行充水，隧洞充水之后不同程度出現(xiàn)滲水問(wèn)題，后期對(duì)滲水問(wèn)題進(jìn)行分析處理。本文對(duì)坪頭水電站施工支洞封堵后滲水原因進(jìn)行深入的分析，提出了封堵體的設(shè)計(jì)必須滿足穩(wěn)定和防滲雙重功能的意見(jiàn)，采取了延長(zhǎng)封堵段的處理方案；同時(shí)對(duì)施工支洞的封堵設(shè)計(jì)及施工提出了看法。

2 施工支洞的布置及封堵設(shè)計(jì)

2.1 施工支洞的布置

根據(jù)實(shí)際施工需要及隧洞運(yùn)行管理、檢修方便，在電站引水隧洞洞線上布置了7條施工支洞。所有施工支洞均采用鋼筋混凝土封堵，其中，在2-3號(hào)、4號(hào)施工支洞設(shè)手推式鋼閘門作為隧洞對(duì)外永久檢修交通通道。各施工支洞參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 施工支洞封堵體設(shè)計(jì)

根據(jù)DL/T5195-2004《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》中封堵體設(shè)計(jì)章節(jié)進(jìn)行施工支洞封堵設(shè)計(jì)。柱狀體封堵抗滑穩(wěn)定按照下式進(jìn)行計(jì)算：

作用效應(yīng)函數(shù)S(·)=∑PR

抗力函數(shù)R(·)=fR∑WR+CRAR

式中 ∑PR——滑動(dòng)面上封堵承受的全部切向

作用之和，kN；

∑WR——滑動(dòng)面上封堵全部法向作用之和，向下為正，kN；

fR——混凝土與圍巖的摩擦系數(shù)；

CR——混凝土與圍巖的粘結(jié)力，kPa；

AR——除頂拱部位外，封堵體與圍巖接觸面的面積，m2。

表1 各施工支洞參數(shù) m

根據(jù)上述計(jì)算成果，施工支洞的封堵設(shè)計(jì)情況見(jiàn)表2。

表2 施工支洞的封堵設(shè)計(jì)情況

為增加封堵體混凝土與圍巖之間的銜接，封堵體全斷面設(shè)置錨桿。

各支洞封堵體設(shè)計(jì)(包括封堵長(zhǎng)度、灌漿參數(shù)、錨桿布置)完全符合規(guī)范要求，保證正常運(yùn)行似乎應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)題，但是隧洞試充水后恰恰在支洞洞壁及其封堵體出現(xiàn)了不同程度的滲水。

3 充水后各支洞滲水情況及原因分析

坪頭水電站從2011年5月中旬開(kāi)始水庫(kù)蓄水及向隧洞充水，之后的一個(gè)月時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)專門安排對(duì)引水系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)壓觀察，引水隧洞、壓力管道沿線的所有溝渠、邊坡均未發(fā)現(xiàn)滲水痕跡及其它異常情況，只是各支洞有不同程度的滲水出露，其中1號(hào)、2號(hào)、2-3號(hào)、3號(hào)施工支洞滲水量很少，小于或等于3L/s，對(duì)邊坡及工程本身不構(gòu)成危害，不需要處理；5號(hào)、6號(hào)施工支洞處于隧洞鋼襯段，沒(méi)有滲水現(xiàn)象，不需要處理；4號(hào)支洞滲水量較大，約為30L/s，需要進(jìn)行分析處理。各施工支洞滲水情況分析見(jiàn)表3。

由表3可以看出，支洞滲水量大小與水頭并不完全成正比關(guān)系，而與靠近主洞施工支洞的圍巖類別、裂隙發(fā)育情況、與其對(duì)應(yīng)主洞的襯砌型式密切相關(guān)。靠近主洞位置的施工支洞圍巖類別低且裂隙、斷層較發(fā)育，且相應(yīng)主洞鋼筋混凝土襯砌段短而噴錨段長(zhǎng)的話，則其滲流量較大。以下重點(diǎn)分析4號(hào)施工支洞情況。

4號(hào)施工支洞與主洞及其裂隙、斷層的相對(duì)關(guān)系平切圖見(jiàn)圖1。

4號(hào)支洞與主洞交接部位發(fā)育多組斷層，其中f12-3將主洞與支洞貫穿， f12-3斷層三壁貫通，帶內(nèi)由劈理化的片狀巖、碎裂巖、角礫巖、糜棱巖和夾泥組成，帶內(nèi)物質(zhì)較破碎，嵌合不甚緊密，裂面普遍銹染，潮濕。斷層發(fā)育，且對(duì)應(yīng)主洞洞段為噴錨襯護(hù)，有一定水頭壓力的水即會(huì)沿著結(jié)構(gòu)面滲出，在4號(hào)施工支洞內(nèi)的結(jié)構(gòu)面出露處以及封堵體施工縫縫面處觀察到較大的有壓水出露。

4 4號(hào)支洞滲水處理方案選擇

發(fā)現(xiàn)4號(hào)支洞滲水后，對(duì)隧洞進(jìn)行部分放空至4號(hào)支洞下游400m，開(kāi)啟4號(hào)支洞檢修閘門進(jìn)洞觀察主洞情況，發(fā)現(xiàn)主洞完好，看不見(jiàn)明顯的集中滲漏通道。根據(jù)分析結(jié)果，提出兩種處理方案：方案一是主洞內(nèi)處理方案，即在主洞內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)或新增固結(jié)灌漿；方案二為支洞內(nèi)處理方案，即在支洞內(nèi)延長(zhǎng)封堵段，封閉f12-3斷層的出口。

圖1 4號(hào)施工支洞860m高程地質(zhì)平切圖

支洞編號(hào)(樁號(hào))封堵段長(zhǎng)度/m水頭/m圍巖類別支洞裂隙發(fā)育主洞襯砌型式滲水總量/L·s-1滲水組成/L·s-1砼與巖壁縫隙封堵段施工縫圍巖裂隙2號(hào)(K3+914)2033III類/未發(fā)現(xiàn)裂隙滲水(1) 向上游20mC型、55mB型、40mC(一)型、50mB(二)型;(2) 向下游20mC型、31mB(一)型、64mC(一)型、71mB(一)型30.6(20%)2.4(80%)0(0%)2-3號(hào)(K5+323)2038III類/40m及120m處各發(fā)育一組裂隙并滲水(1) 向上游20mC型、203mB或B(一)型;(2) 向下游20mC型,47mB(二)型、15mB型、75mC(一)型1.41(70%)0(0%)0.4(30%)3號(hào)(K6+993)2543III類/65m及140m處各發(fā)育一組裂隙并滲水(1) 向上游20mC型、81mC(一)型;(2) 向下游20mC型,86mB(二)型0.40(0%)0.25(60%)0.15(40%)4號(hào)(K9+673)30+5053IV類/上游發(fā)育數(shù)條小斷層,下游靠近規(guī)模較大的斷層(1) 向上游21mD(一)型、36mC型、216mB(一)型、20mC型、45mC(一)型;(2) 向下游20mD(一)型,18mC型、42mD(二)型、49mC型、292mB型、47mC(一)型302(7%)9(30%)19(63%)

注：B型為噴錨襯砌；B(一)型為加強(qiáng)型噴錨襯砌，不布設(shè)固結(jié)灌漿；B(二)型為加強(qiáng)型噴錨襯砌，同時(shí)布設(shè)固結(jié)灌漿；C、C(一)型為40cm厚鋼筋混凝土襯砌，同時(shí)布設(shè)固結(jié)灌漿；D(一)、D(二)型為50cm厚鋼筋混凝土襯砌，同時(shí)布設(shè)固結(jié)灌漿。

方案一施工范圍大、占用直線工期長(zhǎng)、費(fèi)用高，達(dá)到的預(yù)期效果不一定明顯。方案二可達(dá)到兩個(gè)目的：(1)將滲水引向完整巖石，快速在有效埋深內(nèi)形成阻水效應(yīng)，同時(shí)依靠完整巖石和延長(zhǎng)的混凝土封堵段截住滲流，可使其不再在支洞內(nèi)出露；(2)通過(guò)延長(zhǎng)滲徑降低滲流對(duì)破碎圍巖體產(chǎn)生的破壞力。經(jīng)過(guò)比選，采用方案二作為實(shí)施方案，即在支洞內(nèi)延長(zhǎng)封堵段50m封閉f12-3斷層的出口的方案，并對(duì)延長(zhǎng)段的封堵段進(jìn)行了預(yù)埋管回填灌漿。

處理完成后再次對(duì)隧洞進(jìn)行充水，滲水量出露明顯減少。實(shí)踐表明，適度延長(zhǎng)封堵段的方案是必要的、可行的。

5 對(duì)施工支洞封堵體設(shè)計(jì)的思考

坪頭水電站各支洞的封堵設(shè)計(jì)雖滿足了規(guī)范要求，后來(lái)的實(shí)踐也表明封堵體本身也完好無(wú)損，但是，在支洞內(nèi)卻有滲水出露。因此，對(duì)具體工程需進(jìn)行具體的封堵設(shè)計(jì)，有必要進(jìn)一步思考引水隧洞施工支洞封堵體設(shè)計(jì)及施工要求。

筆者認(rèn)為合理的、完善的封堵設(shè)計(jì)，應(yīng)該滿足以下幾條：

(1) 封堵體本身穩(wěn)定性滿足要求，不被內(nèi)水推移；

(2) 封堵體和巖壁之間不會(huì)有滲水出露；

(3) 封堵體施工縫或結(jié)構(gòu)縫(若有的話)不會(huì)發(fā)生滲水出露；

(4) 不存在未被封堵的支洞壁有明顯的滲漏出露點(diǎn)。

歸納起來(lái)，支洞封堵體必須滿足穩(wěn)定和防滲的雙重功能。為此，設(shè)計(jì)和施工需滿足如下要求：

(1)封堵長(zhǎng)度。除了至少滿足規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定所需的長(zhǎng)度外，還應(yīng)根據(jù)支洞內(nèi)發(fā)育裂隙和主洞內(nèi)發(fā)育裂隙的連通性、主洞對(duì)應(yīng)的襯砌型式等因素來(lái)確定是否增加封堵長(zhǎng)度，以達(dá)到防滲的目的。

(2)灌漿。固結(jié)灌漿不一定必須實(shí)施，可以根據(jù)水頭、支洞巖性、圍巖類別調(diào)整或取消；回填灌漿則必須實(shí)施，且必須達(dá)到規(guī)范要求，建議盡量采用微膨脹混凝土。

(3)錨桿。可以根據(jù)水頭、支洞巖性、圍巖類別調(diào)整或取消錨桿。

[1] 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.DL/T 5195-2004《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[2] 甘文喜.水工隧洞堵頭設(shè)計(jì)探討[J].人民長(zhǎng)江，2001，32(5).

[3] DLPT 5144-2001《水工混凝土施工規(guī)范》[S].北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[4] 陳芝煥.水工隧洞封堵體設(shè)計(jì)與施工[J].云南水力發(fā)電，2009,25(1).

[5] 《四川省涼山州美姑河坪頭水電站隧洞充水及首臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)驗(yàn)收設(shè)計(jì)報(bào)告》[R].成都：中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2011.