吉牛水電站建設中的幾個關鍵技術問題與對策

肖 培 偉， 顏 志 衡

(四川革什扎水電開發有限責任公司，四川 丹巴 626300)

1 概 述

吉牛水電站位于四川省甘孜州丹巴縣革什扎河干流上，裝機240 MW(2×120 MW)，工程主要由首部樞紐、引水系統和廠房樞紐等組成。首部樞紐大壩長175.43 m，最大壩高22 m；引水系統主要由有壓引水隧洞、調壓室及壓力管道組成，引水隧洞全長22.377 km，縱坡降2.24‰，城門洞形；廠區樞紐位于革什扎河與大金川河交匯口附近。

吉牛水電站位于青藏高原東南部川西北強烈隆起區的南端，以高山峽谷地貌為主，區域構造穩定性相對較差。工程建筑區主要由一套震旦系至三疊系變質的海相碎屑巖、泥質巖及碳酸鹽巖組成。閘址區出露基巖為震旦系下統(Za)厚～巨厚層變粒巖，偶夾中～薄層二云英片巖，為軟基建壩；引水隧洞穿越的地層巖性為震旦系厚～巨厚層變粒巖、志留系茂縣群第1～4巖組中～厚層二云英片巖、大理巖、石英巖及中～薄層二云片巖等，圍巖遇水易軟化。引水隧洞沿線山體雄厚，谷坡陡峻，海拔4 700～4 800 m，嶺谷高差1 200～

1 800 m，谷坡自然坡度一般為50°～75°，沿線范圍內分別發育有簡歷溝、繞拉溝、東方紅溝、大水溝、大雪溝、柯爾金溝等沖溝，各溝一般為常年流水溝；廠房位于革什扎河口上游約0.2 km的大金川河右岸Ⅰ級階地上，出露地層為志留系第四巖組(Smx4)薄～中層二云英片巖、二云片巖夾石英巖，廠基覆蓋層較深厚，為軟基建廠。

2 閘壩深覆蓋層基礎處理

閘址區河床覆蓋層厚80.8 m，自下而上可分為4層。第①層：含泥卵礫石層，厚10.1 m；第②層：含漂砂卵礫石層，厚42.52～47.02 m；第③層分2個亞層：③-1層為粉細砂層，厚3～9.05 m，③-2層為含礫中細砂層，厚3.3～7.06 m；第④層：含漂砂卵礫石層，厚14.64～19.86 m。各水工建筑物持力層主要為第④層含漂砂卵礫石層，粗顆粒基本構成骨架，據標貫試驗成果和相對含水量、液性指數判別，閘基第③層含礫粉細砂層和分布于左岸閘基第④層中的上層含卵(碎)礫石砂透鏡體需采取相應的工程處理措施后才能解決地基承載力、抗滑穩定性及砂土液化問題。

2.1 設計方案

為增強首部樞紐基礎第④-1層地基承載能力并防止第③-1、③-2、④上層液化并減少地基不均勻沉降，設計對第③-1、③-2、④上層地基采用振沖碎石樁進行加固處理。振沖碎石樁以等邊三角形布置，設計成樁直徑為0.9 m，取水口和左岸擋水壩基礎范圍內樁間距為2 m，沖沙閘、1#～2#泄洪閘、右岸擋水壩、鋪蓋及部分護坦范圍樁間距為2.5 m。振沖碎石樁處理深至第③-1層底部，其平面布置情況見圖1。

2.2 施工方案

地基振沖碎石樁施工工藝為引孔加振沖工藝，采用沖擊鉆機造孔穿透砂卵石層，再用150 kW振沖器在下部砂層內造孔，達到設計孔深后全孔采用l50 kW振沖器填料加密完成制樁。主要施工工序為振沖準備、造孔、填料、振密。造孔過程中保持振沖器處于懸垂狀態，每貫入1～2 m記錄電流、水壓、時間；碎石樁填料采用級配碎石，其飽和抗壓強度應大于40 MPa，含泥量不大于3%，填料粒徑在20～150 mm之間。填料采用強迫填料法自下而上邊振邊填，每次加料以孔內增高不大于0.5 m控制，保持小水量補給，使填料處于飽和狀態。填料后保證振沖器能貫入到原提起前的深度，防止漏振；振沖樁密實程度以振沖器電機工作時顯示的電流為控制標準，必須保證各個深度上樁體均達到規定的加密電流值。

2.3 質量檢測

圖1 基礎振沖碎石樁平面布置圖

振沖碎石樁施工完成后進行了全面質量檢測。動力觸探和標貫試驗結果表明振沖碎石樁在測試范圍內的密實度達到密實狀態；樁間土標貫擊數均大于Ⅶ度地震液化標準貫入錘擊數臨界值；開挖檢查結果表明樁體均勻密實，平均樁徑在1.3 m左右，成樁質量良好；單樁豎向抗壓靜載荷試驗和超重型動力觸探檢測結果表明單樁豎向承載力特征值≥700 kN，壓縮模量≥60 MPa，復合地基承載力380～406 kPa>350 kPa，復合地基抗剪強度φsp=31.4°～32.8°>25°。地基經振沖碎石樁處理后，閘基第③層含礫粉細砂層和分布于左岸閘基第④層中的④-1層含卵(碎)礫石砂透鏡體在Ⅶ度地震烈度條件下為不可能液化砂土，同時，地基承載力得到了較大程度地提高，地基處理效果滿足設計要求。

3 閘壩堆石混凝土的應用

3.1 設計方案

設計單位在吉牛水電站大壩右岸9#、10#、11#全長66.71 m擋水壩段采用了堆石混凝土，上游壩坡1∶0.4，下游壩坡1∶0.7，頂寬7.5 m，底寬24.2 m。考慮到堆石混凝土密實性在大規模施工中不確定因素較多，可能出現滲水；同時，考慮到大壩迎水面部分區域布置有鋼筋，橫縫兩側布置有止水，因此，大壩迎水面和橫縫兩側1 m范圍內不進行堆石，而直接采用C20自密實混凝土澆筑，以保證迎水面有足夠的防滲性能，并能保證混凝土與鋼筋緊密結合，以減少鋼筋施工受堆石混凝土的影響，防止堆石混凝土施工破壞止水。壩體頂部由于電纜溝、模板架立鋼筋等的影響，為方便施工，采用厚1 m的C20常態混凝土澆筑。由于基礎面上的防滲墻需要與壩體采用止水緊密結合，且基礎面上如出現貫穿性的混凝土滲漏通道極易造成地基滲透破壞而難以補救，因此，為安全起見，在大壩下部1～1.5 m采用C20常態混凝土；除此以外，全部采用C20堆石混凝土。堆石混凝土量為12 553 m3，自密式混凝土和常態混凝土量為5 647 m3，堆石混凝土使用比例為69%。堆石混凝土是利用專用自密實混凝土充填堆石空隙形成完整密實的混凝土，具有低碳環保、低水化熱、工藝簡便、造價低廉、施工速度快等特點。本工程堆石混凝土采用先放置堆石后用自密實混凝土澆筑工藝。堆石混凝土壩段設計剖面見圖2。

圖2 堆石混凝土壩段設計剖面圖

3.2 過程控制

堆石料要保證新鮮、完整、潔凈，中部或局部厚度控制在30～100 cm，飽和抗壓強度不小于50 MPa。堆石厚度一般為1.5～2 m，施工中嚴格控制堆石料粒徑和含泥量；自密實混凝土配合比經實驗室確定后通過現場復核試驗后最終確定，坍落度控制在250～280 mm、坍落擴展度控制在550～720 mm，V型漏斗通過時間為4～20 s；自密實混凝土采用泵送入倉，澆筑點均勻布置于整個倉面，其間距不超過3 m，按Z字型單向順序澆筑。澆筑完成后除表層自密實混凝土外，每一倉的澆筑頂面應留有塊石棱角，塊石棱角的高度高于自密實混凝土頂面約5～20 cm，以便于下一倉的粘結；自密實混凝土應保持澆筑的連續性，獨立的倉面應連續澆筑完成；堆石混凝土若室外平均氣溫連續5 d低于5 ℃時，且最低氣溫低于-3 ℃時不能澆筑。

3.3 檢測方法及結果

堆石混凝土的過程和最終質量檢測結果為：自密實混凝土坍落度檢測120次，平均值為269 mm，合格率為96.4%；坍落擴展度檢測120次，平均值為690 mm，合格率為98.5%；V漏斗通過時 間 檢 測 120 次，平 均 值 為12 s，合 格 率 為

96.6%；抗壓強度檢測50次，平均值為22.9 MPa，合格率為100%；堆石混凝土每個壩段鉆孔取芯樣表面光滑，整體密實，與塊石粘結緊密；堆石混凝土現場共施打3個壓水試驗孔，共6個孔段，壓水試驗檢測透水率均為0，表明堆石混凝土不透水，滿足設計小于0.01 Lu的要求，整體抗滲性能良好；堆石混凝土容重檢測結果(取芯芯樣容重2.5 t/m3)，滿足設計要求；自密實混凝土抗壓試驗共20組，平均抗壓強度為22.9 MPa，滿足設計要求。

4 富含云母引水隧洞的開挖

4.1 引水隧洞圍巖物理力學特性

(1)云母含量。

經現場取樣進行云母含量測定得知：巖石樣本云母平均含量為28%，最高含量達39%。

(2)聲波測試。

通過現場單孔和跨孔聲波速度測試得知：隧洞圍巖巖體波速穩定且起伏不大，其波速主要集中在3 259～5 177 m/s，平均波速為4 206 m/s。

(3)物理力學性質檢測。

在上游洞段取樣的二云片巖垂直層理加載的干抗壓強度平均值為21～39.7 MPa，濕抗壓強度平均值為15.4～30 MPa，彈性模量平均值為6.54～13.2 GPa，軟化系數為0.71～0.75；平行層理加載的干抗壓強度平均值為13.9～25.8 MPa，濕抗壓強度平均值為10.3～19 MPa，彈性模量平均值為8.54～17.5 GPa，軟化系數為0.69～0.74，存在軟化現象。

4.2 提高開挖效率的施工方案

針對該引水隧洞巖體富含云母造成開挖炸藥單耗高、單循環進尺短、洞室成型差等突出問題，在炸藥選型方面，對于抗壓強度達到50 MPa的堅硬巖石，選炸 藥 密 度 為 1～1.2 g/cm3、爆 速 為4 800 m/s的銨油炸藥；對于抗壓強度低于30 MPa的軟弱巖石，選炸藥密度為1～1.2 g/cm3、爆速為3 000 m/s的硝銨炸藥；在鉆爆參數方面，增加掏槽孔的排數、減小孔距，采用三、四層楔形掏槽以降低抵抗線從而為后續孔爆破創造良好的臨空條件，中心采用多直眼空孔桶形掏槽以形成小掏槽區從而為先爆孔爆破創造條件，將掏槽區盡量布置在隧洞中心部位，選擇合理時間間隔的雷管系列和合理的起爆網絡，根據巖層走向順層掏槽。通過鉆爆參數優化，開挖爆破效率得到了明顯提高。Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞段造孔長度為2.8 m，實際爆破長度約2.3 m，爆破效率增加21%，單耗約2 kg/m3，單耗降低26%。Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段造孔長度為3 m，實際爆破長度為2.4 m，爆破效率增加22%，單耗約2.3 kg/m3左右，單耗降低14%。富含云母洞段不同圍巖類別爆破優化布孔情況見圖3、4。

圖3 富含云母的Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞段優化爆破設計布孔圖

圖4 富含云母洞的Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段優化爆破設計布孔圖

4.3 引水隧洞底板軟化問題的治理

該工程引水隧洞圍巖富含云母，巖石抗壓強度低，特別是潮濕施工環境下巖石強度降低明顯，開挖后隧洞底板在潮濕環境下經出渣車輛碾壓后軟化嚴重，平均軟化厚度為35～55 cm，進而造成較大的底板混凝土超填量。

(1)主要治理措施。

針對上述現象采用的主要應對措施有：預留開挖保護層、鋪設碾壓墊渣層、皮帶機運輸方案、降低混凝土底板設計高程、浮渣上澆筑底板混凝土、開挖后及時鋪設混凝土底板等。本工程采用了預留開挖保護層、鋪設碾壓墊渣層、降低混凝土底板設計高程、開挖后及時鋪設混凝土底板等措施，但以上措施均存在利弊。

(2)各項治理措施之利弊。

①預留保護層開挖：其優點是底板混凝土超填量明顯減少；缺點是后期底板混凝土澆筑的是未被汽車碾壓的部位，欠挖處理量非常大。

②鋪設碾壓墊渣層：采用洞渣料覆蓋的優點是減少出渣量，短期改善運輸條件；缺點是墊渣層被碾壓后逐步軟化、泥化，將引起再次換填；采用骨料覆蓋的優點是底板保護快速有效；缺點是增加投資和清基量。

③皮帶機運輸方案：優點是取消出渣車輛，減輕了對底板的碾壓破壞；缺點是皮帶機架設后與邊頂拱鋼模臺車相互干擾大，無法實現洞內平行作業。

④降低混凝土底板設計高程：優點是節省投資，既保證了設計厚度，又減少了混凝土回填量；缺點是由于Ⅱ、Ⅲ類和IV、V類圍巖的開挖高程和底板軟化厚度不均衡，全洞段無法統一設計高程的降低標準，澆筑后底板面呈起伏狀，邊頂拱混凝土襯砌時鋼模臺車行走困難，同時水頭損失大。

⑤及時鋪設混凝土底板：優點是減小了因底板軟化引起的混凝土超填，及時改善了洞內交通條件；缺點是為保證平行作業工效，需增加人員并強化調度和管理。

⑥浮渣上澆筑底板混凝土：本工程圍巖富含云母，遇水易軟化，不易采用。

5 結 語

吉牛水電站首部樞紐、地面廠房均處于深厚覆蓋層區域，基礎處理難度大且具有代表性，設計人員結合開挖揭露的實際地質情況，開展了動態

優化設計，不僅加快了工程施工進度，節約了投資，而且更有利于保證工程質量；堆石混凝土首次在水電工程主體工程中應用，充分體現了堆石混凝土低碳環保、低水化熱、工藝簡便等特點。筆者總結了堆石混凝土在加快施工進度、控制工程投資、控制工程質量等方面的注意事項，特別要根據工程規模、質量控制要求、料源情況等重點研判了堆石混凝土的使用范圍。富含云母超長引水隧洞工程施工建設是該工程最具挑戰性和代表性的個性特征，開挖降效、火工材料超耗、遇水汽車碾壓軟化等問題造成的嚴重性后果是各參建單位在施工前未能預見到的，給工程施工質量、進度、投資、安全文明施工控制等帶來了極大的困難；同時，吉牛水電站地處地質災害高發區，其管理戰線長、施工便道高差大且坡度陡等特點使工程安全管理壓力非常大。該工程在采取了超前謀劃地質災害應對措施，科學采取避讓、引導、治理等綜合措施后，確保了工程施工的安全。