某小型水電站引水隧洞底板縱向裂縫成因簡析

郭俊兵

(大唐碧口水力發電廠，甘肅省文縣 746412)

1 工程簡介

某小型水電站采用徑流引水式開發，開發建設任務是發電。電站設計發電流量136 m3/s，電站設計水頭28.0 m，引水發電洞全長約3.7 km，主洞為馬蹄形斷面，設計為平底洞，洞徑7.5 m；地下式調壓井井筒直徑16.0 m，井深38.20 m；地面式廠房。

2 工程地質情況

隧洞位于河道右岸，洞線靠山體側布置，原地勘報告顯示洞線以Ⅳ類圍巖為主，穩定性極差的Ⅴ類圍巖長度576 m，只占洞線長度的15%，Ⅲ類圍巖長度983 m，占洞線長度的26%，Ⅳ類圍巖長度2 226 m，占洞線長度的59%。隧洞上段洞身主要在下二迭統中厚層灰巖局部夾薄層灰巖等硬質巖構成的基巖山體中通過，中段及下段洞身主要在中泥盆統中厚層灰巖及厚～巨厚層灰巖夾板狀千枚巖構成的硬質巖夾軟質巖中通過。洞身總體上穿行于河流背斜西南翼單斜巖層中，局部巖層有小褶曲和扭曲現象，巖層走向與洞線夾角除上段大于30°外，中段及下段巖層走向與洞線夾角多小于30°；隧洞經過的斷裂構造主要為區域逆斷層F1、F9，平移逆斷層F3、和平移正斷層F2及次級斷裂F4、F5 、F7 、F8等；洞身圍巖中裂隙以層面裂隙為主，次為剪切裂隙；隧洞中、下段因巖層走向與洞線夾角較小，會產生“片邦”現象，開挖后需及時支護；洞身大都位于地下水位以下，為層間脈狀基巖裂隙水，多以滴滲水為主，局部有線狀或股狀流，水質在若干溝道段對普通硅酸鹽水泥有弱硫酸鹽侵蝕性。

3 設計施工方案

(1) 一次開挖及支護

設計開挖2條施工支洞，整條隧洞開挖采用全斷面一次鉆孔爆破法，部分砂礫及黏土層地段采用挖掘機械開挖，頂拱180°范圍布設7排系統錨桿，根據現場地質編錄分為A、B、C、D四種斷面類別，其中A、B斷面錨桿為Φ22、L=2 m，C、D斷面錨桿為Φ25、L=3 m；底板系統錨桿布設3排，均為Φ22、L=2 m；C、D斷面鎖腳錨桿為Φ25、L=4 m，分別適用于Ⅲ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖。依據不同斷面，頂拱及邊墻采用Φ6～Φ8、間距150 cm×150 cm的鋼筋網，厚度6～20 cm的混凝土噴護，局部鋼拱架支撐。

(2) 二次襯砌

二次襯砌采用先澆筑底板，待混凝土強度達到后在底板上鋪設鋼軌采用鋼模臺車將邊頂拱一次澆筑成型，襯砌厚度根據現場地質編錄圍巖類別依次分為A、B、C、D四個斷面，底板襯砌厚度分別為40、45、50、50 cm，分別適用于Ⅲ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖(其中B斷面形式未采用)，混凝土標號均為C20常規鋼筋混凝土。

(3) 圍巖灌漿

圍巖灌漿將回填與固結灌漿相結合，在洞頂150°范圍內進行灌漿，孔深1.5 m，間排距2 m×2 m，梅花形布置，全孔一次性、逐步加壓的方式灌漿，初始壓力0.2 MPa，最終壓力0.3 MPa。

4 底板縱向裂縫情況

該引水隧洞在2014年8月份進行的發電前洞身專項檢查中，發現5處較大底板順水流方向的縱向裂縫，樁號分別為：0+523.00 m～0+532.00 m段(9 m)、0+564.00 m～0+579.00 m段(15 m)、0+612.00 m～0+648.00 m段(36 m)、2+550.00 m～2+574.00 m段(24 m)、3+200.00 m～3+230.00 m段(30 m)，裂縫最寬為2 cm，均位于底板中央位置。原設計單位提出加固處理意見，原承包單位進行了加固處理，驗收合格后充水投運。經歷近4個月發電運行，于2015年1月份再次專項檢查，原裂縫未發現有發展跡象，但又新發現底板較大縱向裂縫5處，樁號分別為：1+045.00 m～1+079.00 m段(34 m)、2+550.00 m～2+559.00 m段(9 m)、2+577.00 m～2+597.00 m段(20 m)、3+250.00 m～3+280.00 m段(30 m)、3+281.00 m～3+318.00 m段(37 m)，最大裂縫寬度約3 cm，同時有表面出現白色狀析出物的細微裂縫多條。

5 主要原因分析

(1) 洞線的變更

在該引水隧洞開挖支護初期，設計方案對主洞洞線進行了更改，更改后的洞線偏向于臨江一側，變更后的主洞長度縮短了約250 m左右，但地質情況較初始設計發生了較大變化，頂部覆蓋層變薄，地下水更為豐富，具有腐蝕性的地表水更易對隧洞造成影響，同時圍巖由Ⅲ、Ⅳ類為主變化為Ⅳ、Ⅴ類為主，變更后的圍巖條件變差。

(2) 底板體型的更改

在可研設計方案基礎上，施工方案將襯砌體型進行了優化變更，馬蹄形斷面的底板形式由最初的反弧變為水平，這樣造成圍巖壓力、外水壓力及混凝土自重等荷載全都作用在水平的底板上面，同時設計方案將二期襯砌的混凝土厚度變薄，特別是底板混凝土厚度有較大變化，所配的鋼筋也做了相應的調整，這樣C20常規混凝土的平底板在相應荷載的作用下極易發生形變。

(3) 灌漿形式的改變

設計方案中圍巖灌漿部分將回填與固結灌漿相結合進行了優化，實施一次灌漿，且只在洞頂150°范圍內進行灌漿，孔深為1.5 m，而根據水利水電工程隧洞設計規范要求灌漿應先回填灌漿后固結灌漿，孔深不小于洞徑的50%，由此可見該隧洞設計方案中灌漿效果未作用于“圍巖松動圈”，圍巖未形成拱圈效應，圍巖很大部分壓力作用在二期襯砌混凝土上。

(4) 外水壓力的影響

該隧洞所在區域地表水及地下水極為豐富，隧洞沿途有3處較大沖溝，有2處常年流水，且水量較大；在隧洞施工過程中，隧洞內也是極為豐富，多處洞段出現常年流水現象。設計方案未對此做相應的工程措施，未采取減壓排水等措施，導致外水壓力

無法釋放，幾乎都集中在二期混凝土之上，無疑加大了外部荷載。后期洞底鉆孔處理出現多處射水、最大0.4 MPa的外水壓力等現象均能反映這一問題。

(5) 工程管理的影響

該小型水電站采用工程總承包(即設計-采購-施工一體化)模式，總承包單位在管理技術能力水平上存在不足，面對復雜的地質情況和困難的施工條件未能提出安全穩妥的應對措施，面對多點多面同時施工缺乏有效的工程管控，施工各環節未能實施有效的嚴格把控，特別是隧洞滲水較大的問題一直未能有效的解決，對優化過的設計方案未能采取有效的保障措施。

6 結 語

該隧洞新出現的裂縫已按照設計單位再次現場勘查后提出的補強加固方案進行處理，目前已基本完成相關工作。根據現場查看實際情況，前期出現的并進行加固處理的底板縱向裂縫未出現新的發展跡象，經設計單位復核后認為滿足安全穩定使用的要求。

百年大計、質量第一，工程質量安全關系重大，無論設計、施工、監理、建設或監督管理單位面對重大問題都應采取科學的嚴謹態度，上述5點原因分析可供其它工程參考。

參考文獻:

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