某小型水电站引水隧洞底板纵向裂缝成因简析

郭俊兵

(大唐碧口水力发电厂，甘肃省文县 746412)

1 工程简介

某小型水电站采用径流引水式开发，开发建设任务是发电。电站设计发电流量136 m3/s，电站设计水头28.0 m，引水发电洞全长约3.7 km，主洞为马蹄形断面，设计为平底洞，洞径7.5 m；地下式调压井井筒直径16.0 m，井深38.20 m；地面式厂房。

2 工程地质情况

隧洞位于河道右岸，洞线靠山体侧布置，原地勘报告显示洞线以Ⅳ类围岩为主，稳定性极差的Ⅴ类围岩长度576 m，只占洞线长度的15%，Ⅲ类围岩长度983 m，占洞线长度的26%，Ⅳ类围岩长度2 226 m，占洞线长度的59%。隧洞上段洞身主要在下二迭统中厚层灰岩局部夹薄层灰岩等硬质岩构成的基岩山体中通过，中段及下段洞身主要在中泥盆统中厚层灰岩及厚～巨厚层灰岩夹板状千枚岩构成的硬质岩夹软质岩中通过。洞身总体上穿行于河流背斜西南翼单斜岩层中，局部岩层有小褶曲和扭曲现象，岩层走向与洞线夹角除上段大于30°外，中段及下段岩层走向与洞线夹角多小于30°；隧洞经过的断裂构造主要为区域逆断层F1、F9，平移逆断层F3、和平移正断层F2及次级断裂F4、F5 、F7 、F8等；洞身围岩中裂隙以层面裂隙为主，次为剪切裂隙；隧洞中、下段因岩层走向与洞线夹角较小，会产生“片邦”现象，开挖后需及时支护；洞身大都位于地下水位以下，为层间脉状基岩裂隙水，多以滴渗水为主，局部有线状或股状流，水质在若干沟道段对普通硅酸盐水泥有弱硫酸盐侵蚀性。

3 设计施工方案

(1) 一次开挖及支护

设计开挖2条施工支洞，整条隧洞开挖采用全断面一次钻孔爆破法，部分砂砾及黏土层地段采用挖掘机械开挖，顶拱180°范围布设7排系统锚杆，根据现场地质编录分为A、B、C、D四种断面类别，其中A、B断面锚杆为Φ22、L=2 m，C、D断面锚杆为Φ25、L=3 m；底板系统锚杆布设3排，均为Φ22、L=2 m；C、D断面锁脚锚杆为Φ25、L=4 m，分别适用于Ⅲ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩。依据不同断面，顶拱及边墙采用Φ6～Φ8、间距150 cm×150 cm的钢筋网，厚度6～20 cm的混凝土喷护，局部钢拱架支撑。

(2) 二次衬砌

二次衬砌采用先浇筑底板，待混凝土强度达到后在底板上铺设钢轨采用钢模台车将边顶拱一次浇筑成型，衬砌厚度根据现场地质编录围岩类别依次分为A、B、C、D四个断面，底板衬砌厚度分别为40、45、50、50 cm，分别适用于Ⅲ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩(其中B断面形式未采用)，混凝土标号均为C20常规钢筋混凝土。

(3) 围岩灌浆

围岩灌浆将回填与固结灌浆相结合，在洞顶150°范围内进行灌浆，孔深1.5 m，间排距2 m×2 m，梅花形布置，全孔一次性、逐步加压的方式灌浆，初始压力0.2 MPa，最终压力0.3 MPa。

4 底板纵向裂缝情况

该引水隧洞在2014年8月份进行的发电前洞身专项检查中，发现5处较大底板顺水流方向的纵向裂缝，桩号分别为：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)，裂缝最宽为2 cm，均位于底板中央位置。原设计单位提出加固处理意见，原承包单位进行了加固处理，验收合格后充水投运。经历近4个月发电运行，于2015年1月份再次专项检查，原裂缝未发现有发展迹象，但又新发现底板较大纵向裂缝5处，桩号分别为：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)，最大裂缝宽度约3 cm，同时有表面出现白色状析出物的细微裂缝多条。

5 主要原因分析

(1) 洞线的变更

在该引水隧洞开挖支护初期，设计方案对主洞洞线进行了更改，更改后的洞线偏向于临江一侧，变更后的主洞长度缩短了约250 m左右，但地质情况较初始设计发生了较大变化，顶部覆盖层变薄，地下水更为丰富，具有腐蚀性的地表水更易对隧洞造成影响，同时围岩由Ⅲ、Ⅳ类为主变化为Ⅳ、Ⅴ类为主，变更后的围岩条件变差。

(2) 底板体型的更改

在可研设计方案基础上，施工方案将衬砌体型进行了优化变更，马蹄形断面的底板形式由最初的反弧变为水平，这样造成围岩压力、外水压力及混凝土自重等荷载全都作用在水平的底板上面，同时设计方案将二期衬砌的混凝土厚度变薄，特别是底板混凝土厚度有较大变化，所配的钢筋也做了相应的调整，这样C20常规混凝土的平底板在相应荷载的作用下极易发生形变。

(3) 灌浆形式的改变

设计方案中围岩灌浆部分将回填与固结灌浆相结合进行了优化，实施一次灌浆，且只在洞顶150°范围内进行灌浆，孔深为1.5 m，而根据水利水电工程隧洞设计规范要求灌浆应先回填灌浆后固结灌浆，孔深不小于洞径的50%，由此可见该隧洞设计方案中灌浆效果未作用于“围岩松动圈”，围岩未形成拱圈效应，围岩很大部分压力作用在二期衬砌混凝土上。

(4) 外水压力的影响

该隧洞所在区域地表水及地下水极为丰富，隧洞沿途有3处较大冲沟，有2处常年流水，且水量较大；在隧洞施工过程中，隧洞内也是极为丰富，多处洞段出现常年流水现象。设计方案未对此做相应的工程措施，未采取减压排水等措施，导致外水压力

无法释放，几乎都集中在二期混凝土之上，无疑加大了外部荷载。后期洞底钻孔处理出现多处射水、最大0.4 MPa的外水压力等现象均能反映这一问题。

(5) 工程管理的影响

该小型水电站采用工程总承包(即设计-采购-施工一体化)模式，总承包单位在管理技术能力水平上存在不足，面对复杂的地质情况和困难的施工条件未能提出安全稳妥的应对措施，面对多点多面同时施工缺乏有效的工程管控，施工各环节未能实施有效的严格把控，特别是隧洞渗水较大的问题一直未能有效的解决，对优化过的设计方案未能采取有效的保障措施。

6 结 语

该隧洞新出现的裂缝已按照设计单位再次现场勘查后提出的补强加固方案进行处理，目前已基本完成相关工作。根据现场查看实际情况，前期出现的并进行加固处理的底板纵向裂缝未出现新的发展迹象，经设计单位复核后认为满足安全稳定使用的要求。

百年大计、质量第一，工程质量安全关系重大，无论设计、施工、监理、建设或监督管理单位面对重大问题都应采取科学的严谨态度，上述5点原因分析可供其它工程参考。

参考文献:

[1] DL/T5410-2009,中小型水力发电工程地质勘察规范[S].北京：中国水利水电出版社，2010.

[2] GB50071-2002,小型水电站设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[3] SL62-2014,水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].北京：中国水利水电出版社，2014.

[4] SL172-2012,小型水电站施工技术规范[S].北京：中国水利水电出版社，2012.

[5] SL168-2012,小型水电站建设验收规范[S].北京：中国水利水电出版社，2012.