鱼剑口电站引水隧洞优化设计

姚世宏,项庆伟

(1.四川安和水利水电工程有限公司,成都,610213;2.重庆市水利电力建筑勘测设计研究院,重庆,400020)

1 工程概况

鱼剑口水电站位于重庆丰都三建乡与安宁乡境内,是长江右岸支流——龙河最后一级梯级电站。电站为建坝壅水与长隧洞引水混合式开发,主要建筑物有拦河坝、进水塔、引水隧洞、调压井、电站厂房等,装机容量 3×20MW。

引水隧洞是本工程重要引水建筑物,自取水口至调压井全长 7762.75m。隧洞设计洞径6.2m,混凝土衬砌厚度 0.3m～0.6m,隧洞底板高程为 237.80m～220.55m,最大埋深 840m,引用流量 102m3/s,设计内水压力 0.1MPa～0.48MPa。施工采用“钻爆法”,引水隧洞穿越的岩层以灰岩为主(70%以上),岩溶较发育,其次为泥灰岩、泥(页)岩、砂岩。施工中,灰岩洞段出现 7处岩溶大量涌水,泥(页)岩、泥灰岩洞段有较大的塌方,部分地段拱架变形,给施工带来一定困难。

该工程于 2001年8月开工,2004年10月5日下闸蓄水,经过 72h运行、放空检查情况良好,并于 2004年10月25日正式并网发电。

图 1 鱼剑口水电站枢纽总体平面布置

2 地质条件

2.1 地形地貌。施工区属中山地貌,中部最高山岭——方斗山山脊(背斜),海拔高程 1100m～1200m,河床高程为 230m～170m,相对高差1000m左右。山脊走向为北东 30°～40°,两侧呈现“山”字形阶梯,中间高两翼低。区间内沟谷深切,谷内常见基岩滩地和跌水,覆盖较浅。河流、沟槽和山系走向受构造控制。

2.2 地层岩性。引水隧洞穿越一套古生界二迭系下统(T1)～中生界三迭系上统(P3)地层,大致可分为三种岩性洞段:灰岩段、岩屑砂岩段、泥灰岩及泥(页)岩段。隧洞进口处为三迭系须家河组(T3Xj)岩屑砂岩洞段,地层最新;隧洞上、下游为雷口坡组(T2L)泥质灰岩、泥页岩段;隧洞中部为灰岩段,地层为嘉陵江组(T1j)、飞仙关组(T1f)、长兴组 (P2c)、毛口 组 (P1m)、龙潭组(P2L)、栖霞组(P1q),最老地层为二迭系下统栖霞组。引水隧洞横穿方斗山背斜,共穿越八大岩组,两翼地层基本对称一致。

2.3 地质构造。本区基本烈度为 VI度。方斗山背斜为本区的单一构造形迹,背斜轴部与山脊一致。在工区内,背斜东南翼(隧洞上游)岩层较陡 ,产状为 NE20°～ 55°、SE∠35°～ 65°;西北翼(隧洞下游)岩层较缓,产状为 NE20°～40°、NW、∠30°～55°。核部岩层有明显挠曲,洞内层面不明显,局部近直立。洞内主要发育 4组裂隙:①NE20°～ 55°SE或 NW∠30°～ 65°层间裂隙;②NW290°～ 330°、SW或 NE∠70°～ 85°。 ③NE70°～80°、SE或 NW∠60°～80°。 ④NW 270°～280°、SW或 NE∠65°～70°,层间裂隙较发育。

2.4 岩溶。本区碳酸盐类岩石分布广泛,表面的溶沟、溶槽、溶蚀裂隙不明显或发育较浅,落水洞、漏斗,水平方向溶洞及暗河数量不大。岩溶主要分布于背斜轴部及北西翼,出露高程多在 225m～230m;背斜轴部西北翼的“雪玉洞”规模较大,长约十几 km,高或宽 10余 m,洞内钟乳石发育奇特,现已开发为旅游景点。

洞内岩溶主要发育在背斜两翼的嘉陵江组和轴部的茅口组 ～栖霞组,溶蚀类型为溶蚀 -构造和溶蚀型,形态以溶蚀裂隙、蜂窝状溶孔为主,其次为溶洞、溶蚀破碎。最大溶洞为背斜北西翼嘉陵江组第四段(T1j4)K7+235m处 φ6m左右,充填粘土,无水;(T1j1)K 6+500m处 φ3.5m溶洞,大量涌水;K4+767m处溶蚀裂隙,右壁宽 0.6m,雨季大量涌水。

2.5 水文地质条件。工区内雨量充沛,多年平均降雨量为 900mm左右,且集中于 4～9月份。

前期推测方斗山背斜轴部地下水位高程为400m～500m,高于洞线 200m～300m,两翼水位逐渐降低。施工中除溶蚀裂隙、溶洞段涌水外,其余洞段干燥 ～潮湿,隧洞下游灰岩洞段水量丰富,地下水位在 150m～50m。隧洞中段(背斜轴部)水位在枯水期低于洞底 4m左右,雨季高于洞底1m～5m。地下水类型为岩溶裂隙水和基岩裂隙水,不同岩性的水文地质条件差别较大。灰岩洞段的地下水集中于岩溶通道,受岩溶发育程度控制;砂岩段的裂隙水相对水量较小,泥页岩为相对隔水层,但也存在基岩裂隙水集中出水点。

施工中共出现 7处涌水,下游有 6处,最大的涌水是隧洞中部(桩号 4+767m处)的宽溶蚀裂隙,最大涌水量约为 300m3/h;其它涌水位置分别为 :2+186m(T1f2),4+767m(P1m),5+510m、5+582m(P2c),6+050m(T1f3),6+706m(T1j2)附近溶蚀裂隙及(T1j1)6+500m处溶洞。

2.6 岩石强度。岩屑砂岩湿抗压强度一般为51MPa～70.6MPa,薄层灰岩为 30MPa～60MPa,中厚层灰岩大于 60MPa～100MPa;紫红色砂质泥岩夹灰绿色钙质泥岩及页岩,抗压强度 20MPa左右,较湿泥化抗压强度仅 6MPa～10MPa;泥灰岩抗压强度一般为 20MPa～40MPa,含泥量高,强度变化大(含泥量较高时强度较低)。

2.7 围岩类别。施工前期,根据隧洞的工程地质条件、国内围岩标准和国外常用的 Q系统,采用 RMR分类方法进行了对比分类。灰岩碎屑砂岩段综合判定为Ⅱ类围岩;紫红色泥页岩(薄层泥灰岩)段、炭质页岩(煤层)、碎裂岩为Ⅲ ～Ⅳ类围岩;岩溶破碎带沉积填物为Ⅴ类围岩。

3 衬砌设计

鱼剑口电站引水隧洞衬砌形式,是根据隧洞各段内水压力及地质条件选定,并尽可能最大限度的利用围岩,充分发挥围岩的作用。即考虑支护和衬砌与围岩的共同作用,同时考虑水工隧洞的特点,加固措施满足水流摩阻小、水量渗漏损失少的原则。

对于岩石完整性好的Ⅱ类围岩,设计中曾对同等水头损失条件下的几种断面型式进行了比较分析(见图 2)。

图 2 几种隧洞断面型式

从图 1中可以看出,喷混凝土衬砌具有投资省、施工进度快、受力结构合理的优点,但也存在糙率大且难以控制、抗渗性能较差等缺点。由于本引水隧洞为长隧洞,如喷锚衬砌必须设置集石坑且经常检修,势必会影响发电效益。根据笔者现场感受,对于中小型电站施工,由于管理不完善,隧洞开挖的平整度和喷锚衬砌施工质量难以保证,也会影响发电效益,因此最终选择了圆形现浇混凝土衬砌。

对于岩石完整性差的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩,一次支护采用喷锚、钢格栅、钢拱架,二次支护采用钢筋混凝土,衬砌厚度通过不同的岩石和内水压力计算确定。钢筋混凝土衬砌结构计算采用弹性力学法,对弹性抗力分布不作任何假定,将衬砌结构的计算化为非线性常微分方程组的边值问题,采用电算应用初参数法递推进行各工况下衬砌静力计算,选择最不利工况下的内力进行衬砌配筋计算,衬砌配筋采用半经验半极限方法并结合新规范进行。

4 岩溶的处理

岩溶发育洞段主要在方斗山背斜两翼的嘉陵江组第一段 ～第四段和背斜轴部的茅口组、栖霞组中,围岩类别为Ⅱ、Ⅲ类,完整性良好,表现型式为溶洞涌水、溶蚀裂隙涌水。

笔者根据现场的处理经验认为,对岩溶洞穴或裂隙规模较大,特别是有季节性涌水的岩溶洞穴或裂隙,采用堵、导、排等措施是行之有效的。尽可能在保持原有地下水动力环境不变的情况下,通过调整衬砌和加强对围岩的锚固和固结灌浆,使围岩与衬砌成为整体来共同承担外水压力。

引水隧洞桩号 K6+706m为比较典型的溶洞涌水。该段隧洞围岩为三迭系嘉陵江组第二段(T1j2)底部中厚层灰岩与深灰色厚层含砾泥质灰岩 (质较软 ),岩层产状为 NE43°NW∠45°,在两岩层界面处出现一条环洞层间溶蚀裂隙,宽0.5cm～3cm,充填岩屑及黄泥,左壁顶拱流水,水量 1L/min～2L/min。附近层间裂隙间距 1m～4m,主要充填岩屑、方解石脉,沿裂隙滴水。由于砾泥质灰岩强度低且水量较大,设代人员将围岩由Ⅱ类变更为Ⅲ类,施工对该段进行了锚网喷护处理。当继续施工开挖距该处 30m时,发现 6+706m处的溶蚀裂隙在左壁洞顶出现异常的黄水,流量增大,几小时后发生塌落(高 1m、面积 2.5m×3m),大量地下水及泥浆涌出,最大涌水持续1h～2h,涌出泥浆及黄水近万 m3;随后水量减小,经 26d的清淤、排水、加固顶拱后恢复施工,施工期间流水量仍保持在 20L/min～60L/min,受降雨影响变化较大。

根据现场情况,在溶洞口四周布置短锚筋固定钢管,在钢管与岩石之间先用速凝砂浆封堵,然后用 C15混凝土回填浇筑封堵;封堵后水流可通过钢管集中流出,不影响隧洞的开挖;最后接导流钢管至支洞口排出,保持原有的地下水动力环境。

根据埋深判断,外水压力约 150m,仅靠原衬砌(厚度为 30cm素 C20混凝土)不能满足要求,根据计算将衬砌调整为厚 30cm的 C25钢筋混凝土,同时增加系统锚杆并与内侧受力筋焊接在一起,共同承担外水压力,最后加强固结灌浆处理。

5 衬砌反缝处理

隧洞由于线路比较长,为缩短施工工期,衬砌采用了先衬边顶拱后衬底拱的方式进行,在边顶拱底部形成了一条反缝,如反缝处理不好,极易形成通缝及渗水通道,削弱衬砌的整体性,改变隧洞计算的边界条件。所以,必须选择恰当的处理方案,以保证隧洞安全。

根据施工组织设计手册推荐的方案,反缝处理采用预留键槽,预埋止水片并对反缝进行灌浆。但实际操作中,由于预留键槽、预埋止水片增加了施工难度,考虑到隧洞承受的内水压力为 0.1MPa～0.48MPa,属于中低水头,故未设置键槽,在衬底拱前反缝设置,采用遇水膨胀止水条来替代止水片,待衬砌完成后对反缝灌浆处理,并对迎水面反缝处开一宽 8cm、深 3cm～5cm的槽,用预缩砂浆处理,经实践达到了设计要求。

图 3 反缝缝面处理

6 小结

6.1 水工隧洞是在岩体中开挖而形成的洞室,所以隧洞主体的围岩,必须充分利用围岩自身抗力,衬砌的作用仅是加固围岩及满足水力学的要求。

6.2 对岩溶管道、暗河、涌水地段,外水压力按大部分水头作用考虑,有压隧洞对岩溶洞穴及管道须作特殊处理外,并可通过固结灌浆和增加系统锚杆充分利用围岩分担内水压力,从而减小衬砌厚度,节省工程投资,并疏通原排水通道或另设排水设施,实践证明效果良好。

6.3 实践证明,在中低水头、直径不大的有压引水隧洞边顶拱反缝处理中,可以用遇水膨胀止水条代替止水片,反缝缝面作预缩砂浆处理后,可以减少渗水量,减轻钢筋的锈蚀,增长衬砌的使用寿命。

6.4 整个鱼剑口电站引水隧洞的设计是成功的,充分考虑了岩溶地区有压隧洞衬砌设计的特点,对不同洞段的地质情况选用不同的衬砌形式,对施工中遇到的特殊问题作出了相应的处理设计,为电站的顺利发电创造了条件。