天花板水电站引水隧洞设计

张 杰，何 敏，蒋逵超，常 跃

（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024）

天花板水电站引水隧洞全长 2 514.01 m，引用流量 232.4 m3/s，采用圆形断面，内径 8.2 m，采用钢筋混凝土衬砌，隧洞纵坡为0.5%。沿线Ⅳ、Ⅴ类围岩段长度达到总长度的54.93%，开挖洞径最大10.2 m，在开挖中遇到了塌方段。隧洞规模较大，有一定设计难度。

1 隧洞地形、地质条件及布置

引水隧洞前半段 （桩号Y0±000.00～Y0+342.00）地形起伏较大，且发育有深切沟谷，上覆岩体厚度为 70～670 m； 后半段 （桩号 Y0+342.00～Y2+514.00 m）地形较平缓，无冲沟深切，上覆岩体厚度为50～280 m。沿江侧向山体厚度为150～450 m。

桩号Y0±000.00～Y1+647.00段岩性为震旦系上统东龙潭组中厚层至厚层状粉晶质白云岩；桩号Y1+647.00～Y2+514.00段为澄江组长石石英砂岩、岩屑石英砂岩夹泥质粉砂岩，局部见软弱夹层。

引水隧洞沿线东龙潭组白云岩产状为NE54°SE∠17°，属于单斜构造；澄江组砂岩产状为NE62°SE∠73°，倾角较陡，地质构造相对简单，断裂发育有f2、 f7、 f10、 f15、 f16、 f17和 f18。 在白云岩和石英砂岩间有1条角度不整合接触带，接触带内岩性为岩溶角砾岩，大部分岩体为钙质胶结，岩体强度较低且很破碎。隧洞轴线基本上与岩层走向近正交。裂隙主要发育有： ①NW310°NE∠86°； ②NE30～40°NW∠80°； ③ NW305°SW ∠80°； ④ NW275～280°NE∠85°。

隧洞沿线白云岩顺层面发育溶蚀裂隙，地下水为岩溶水；砂岩中发育基岩裂隙水。地下水位埋藏较深，地下水位多在隧洞顶拱以上，岩体为中等透水岩体。隧洞大部分为深埋隧洞，其中Ⅲ类围岩长1 133.00 m，占 45.07%；Ⅳ类围岩长 1 087.00 m，占43.24%；Ⅴ类围岩长294.00 m，占11.69%。

引水隧洞布置于河道右岸，为减小洞线长度，基本采用顺河道裁弯取直布置。即：隧洞桩号Y0±000.00～Y0+075.97段紧邻进水口，为直线段，走向NW354.06°； 桩号 Y0+075.97～Y0+100.70 段为转弯段，转弯半径41.00 m，转弯角度34.56°；桩号Y0+100.70～Y2+514.01段为直线段，走向NW319.50°。

隧洞纵坡0.5%，首部起坡点桩号Y0±000.00，底板高程1 032.00 m，尾部桩号Y2+514.01（接调压井），调压井底部隧洞高程1 019.48 m。圆形断面内径8.20 m，衬砌厚度0.6 m（Ⅲ类围岩）和0.8 m（Ⅳ、Ⅴ类围岩）。

2 开挖、支护设计及不良地址段处理

考虑引水隧洞混凝土衬砌段内径、围岩衬砌厚度和开挖支护过程中挂网、喷混凝土的厚度，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩的开挖洞径分别为9.56、10.1，10.2 m。隧洞分两序开挖，第一序完成上半洞 240°范围开挖，随后进行支护；衬砌混凝土浇筑前完成下半洞开挖，不做支护。

Ⅲ类围岩支护为：顶部 240°范围内采用喷混凝土 C20， 厚度8 cm，随机挂网钢筋φ6.5@20×20 cm，随机锚杆φ22、L=3.1 m，深入岩石 3.0 m。

Ⅳ类围岩支护为：顶部 240°范围内采用系统喷混凝土 C20， 厚度 15 cm， 挂网钢筋 φ6.5@20×20 cm，系统锚杆φ22@1.5×1.5 m、L=4.5 m，深入岩石4.4 m，梅花形布置。

Ⅴ类围岩稳定性较差，开挖支护采用全断面钢格栅拱架支护，格栅断面 15 cm×20 cm，间距0.8～1.2 m，并在顶拱 140°范围内设φ22、L=4.5 m超前锚杆，环向间距 30 cm，倾角 （向外）5°。全断面设喷混凝土 C20、厚度20 cm， 挂网钢筋φ6.5@15×15 cm， 系统支护锚杆 φ22@1.5×1.5 m、L=4.5 m，深入岩石4.4 m，梅花形布置。

在Ⅳ、Ⅴ类围岩等不良地质洞段开挖时，遵循浅钻孔、弱爆破、多循环的原则，同时网喷、锚杆支护应紧跟掌子面。

2008年7月底，在引水开挖过程中，桩号Y1+950.00下游侧出现长度约6 m、高度约10～12 m的塌方段。根据现场情况、参考类似工程经验。对塌方段采取以下处理措施：

（1）在塌方部位虚渣上喷聚丙烯纤维混凝土（聚丙烯掺量为0.6～1.0 kg/m3），使之成为挡墙。在挡墙的掌子面立采用18号工字钢钢拱架 （间排距0.4～0.6 m），打超前管棚进行固结灌浆。管棚参数为：φ48花管、L=6 m，在顶拱240°范围内，每榀拱架设两排，内侧水平，外侧外倾15°，间距35 cm。待固结完成后，进行虚渣清理，清理时控制每次进尺不超过1 m。

（2）对塌方段影响部位 （掌子面前约15 m），作加固处理。即，增加无盖重固结灌浆，加密系统锚杆。固结灌浆孔径50 mm，花管φ48，孔深6 m，浆液水灰比采用1∶0.8～1∶1， 浆液中加入水玻璃 （掺量为水泥用量的2%～4%），灌浆压力采用0.1～0.2 MPa；自进式锚杆，φ25、L=6 m，间排距1.5 m×1.5 m，与系统锚杆间隔布置。

（3）经过一个月的处理，引水隧洞顺利通过了塌方段，此间无人员伤亡事故。到2009年该部位混凝土衬砌施工前，一直未发现裂缝。

（4）2010年，灌浆工程施工过程中，对塌方段顶拱空腔部位回填了C15混凝土。

3 结构设计

3.1 结构计算

（1）计算假定：①假定岩体稳定且相对均匀；②计算应力配筋中，有内水组合作用时，不计外水压力的折减；无内水作用时，外水压力不折减；③裂缝验算过程中，有内水组合作用时，外水压力折减系数取0.5；④地下结构忽略温度和地震荷载的影响；⑤计算断面根据隧洞沿线围岩分类及内、外水压力分布情况 （内水压力取值分别考虑上游为正常蓄水位1 071.00 m、厂房正常运行时上游最高发电水位 （P=0.5%）1 074.58 m及调压井最高涌浪水位1 096.11 m求得。外水压力根据引水隧洞沿线地下水位线求得，选取20个典型断面进行计算；⑥2005年，刘云和王亦维[1]建议，当水工隧洞进行了有效的一次支护，在实际结构计算时衬砌的几何尺寸应计入一次支护的尺度，或适当提高围岩的f（隧洞围岩牢固系数）、K0（隧洞围岩单位弹性抗力系数）计算值，对于后者建议f、K0的计算值可比其原始地质参数提高20%～30%。考虑到本工程引水隧洞中Ⅳ、Ⅴ类围岩段采用了较强支护，因此在计算中对于Ⅳ、Ⅴ类围岩段的单位弹性抗力系数值提高了20%。

（2）荷载与计算工况。荷载与计算工况组合见表1所示。

表1 荷载组合

（3）计算方法。根据 DL/T 5195—2004《水工隧洞设计规范》 （以下简称 《电力规范》）规定：“对于I、Ⅱ类及部分Ⅲ类围岩，……，宜采用不承载的混凝土衬砌”。由于本工程引水隧洞周围无I、Ⅱ类围岩，Ⅲ类围岩以石英砂岩加泥质粉砂岩为主，围岩条件较差。因此引水隧洞全部按照承载的混凝土衬砌考虑。在引水隧洞衬砌结构计算过程中，《电力规范》与SL 279—2002《水工隧洞设计规范》（以下简称 《水利规范》）在衬砌计算方法上提法略有区别。现将两规范的提法对比列入表2。表2显示， 《水利规范》在衬砌计算基本理念上与 《电力规范》是相同的。在衬砌计算时，可参照围岩类别、衬砌直径、设计水头等，根据工程类比、设计经验等选择适宜方法进行计算。天花板引水隧洞衬砌计算最终选择的计算方法是：①考虑到本工程引水隧洞开挖直径较大 （9.56～10.2 m），同时Ⅲ类围岩段岩石条件相对于Ⅳ、Ⅴ类围岩较好，因此Ⅲ类围岩段按照有限元法进行计算论；②Ⅳ、Ⅴ类围岩段，依据水利规范要求，按照边值数值解法进行计算。

表2 规范比较

（4）计算成果。按照以上计算方法，在承载力极限状态下，分别按持久状况及偶然状况进行配筋计算，确定配筋；在正常使用极限状态下，验算裂缝开展宽度。

经计算，引水隧洞沿线配筋为： 混凝土衬砌厚度60 cm为5φ22双筋～5φ32双筋；混凝土衬砌厚度80 cm为5φ25双筋～7φ32双筋。

3.2 衬砌分缝

根据规范要求，结合引水隧洞沿线围岩特点、施工机械类型，并参考国内类似工程，本电站引水隧洞衬砌设结构缝，每段衬砌长度为9 m。结构缝内设置橡胶止水，不设填缝材料。

由施工完成后检查情况看，未发现环向连续裂缝，说明天花板水电站引水隧洞结构缝的设置是合适的。

4 灌浆设计

引水隧洞的回填灌浆的目的是对回填衬砌混凝土顶拱以上部位未能浇实的部位灌浆，使一、二次支护结合为整体。固结灌浆目的是加固围岩，提高围岩的整体性，封闭裂隙，增加围岩抗渗能力，从而减少内水外渗。

4.1 回填灌浆

对于引水隧洞全洞段顶拱90°范围内作回填灌浆，灌浆孔直径50 mm，深入岩石10 cm，每排3个孔，排距6.0 m，梅花形布置。

4.2 固结灌浆

根据围岩情况，引水隧洞采用不同的固结灌浆方案，固结灌浆压力根据现场灌浆试验确定。

Ⅲ类围岩段，岩石条件较好，不作固结灌浆。

引水隧洞桩号Y0±000.00～Y1+484.45段，Ⅳ类围岩段中，单位抗力系数大于2 kN/cm3的段，不作固结灌浆。引水隧洞桩号Y1+484.45～Y2+514.01段，Ⅳ类围岩段作固结灌浆，灌浆孔φ50 mm，深入岩石6.0 m，每排8孔，排距6 m，梅花形布置，在顶拱90°范围内兼作回填灌浆。

V类围岩段，由于岩石条件较差，考虑全部作固结灌浆，灌浆参数与Ⅳ类围岩段相同。

［1］刘云，王亦维.关于 《水工隧洞设计规范》中若干结构计算问题的讨论［J］.云南水力发电， 2005（6）:51-53.66.