某水电站导流洞塌方冒顶处理设计方案论证

栗 佳，黄远泽

(1.辽宁省清河水库管理局有限责任公司，辽宁 铁岭 112000；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，长春 130021)

1 工程概况

某水电站位于云南省德宏州境内，该枢纽是以发电、防洪为主，兼顾灌溉的综合性枢纽工程，并为城市供水、养殖和旅游提供了有利条件。枢纽总库容12.17×108m3，调节库容6.79×108m3，电站装机三台，总装机容量240MW。

枢纽工程由混凝土双曲拱坝、引水隧洞及发电站厂房等组成。

工程施工导流采用土石围堰一次拦断河床、导流洞泄流的全年导流方式。导流洞布置在右岸，导流洞全长837.70m，断面形式为12m×12m(宽×高)城门洞型。

2 导流洞塌方经过

据施工单位介绍，导流洞采用分层开挖方式，上半洞于当年6月末已贯通。当年8月5号晚8点多，导流洞桩号导0+100m左右拱肩附近位置出现渗水(自上导洞贯通以来该部位一直没有地下水渗出)。当日晚11点多施工人员在桩号导0+118m附近洞段进行施工，在准备进行下部型钢拱架安装时，听到顶部围岩有异响，并发现已喷混凝土局部掉块现象，于是紧急撤场。至次日凌晨00：05分，洞顶桩号导0+088m-0+112m洞段初期支护全部垮塌，洞内全部被碎渣封堵。并一直坍塌至地表，地表沉陷宽度约23m，深度约2m，面积约500m2，洞内塌方量约4300m3。

3 导流洞塌方原因分析

一般来说，引起隧洞塌方的原因是多方面的，主要分为自然原因和人为因素，其中自然原因较容易调查和分析，而很多人为因素很难追溯和判定。当年8月中旬，建设单位组织专家对塌方原因进行了详细分析，与会专家认为本工程导流洞塌方主要还是自然原因引起的。

3.1 自然原因

根据导流洞开挖揭露情况，塌方段及其影响段的地质条件较差。自桩号导0+065m至导0+124为断层破碎带，桩号导0+124m-0+116m出露f14断层，产状N50°E，NW，∠70°，宽度8m，主要由糜棱岩、碎裂岩和少量灰黄色断层泥组成。碎裂岩风化强烈，长石已高岭土化。断层泥厚0.2-2cm，不连续。f14断层破碎带出露桩号导0+116m-0+101.72m。桩号导0+065m出露f15断层，产状N30°E，NW，∠65°，宽度0.3m-0.5m，主要由糜棱岩及碎块岩组成。桩号导0+101.72m-0+065m为影响带，由碎块岩、碎裂岩组成，节理发育，破碎，脆，风化强烈。开挖过程中f14断层顶拱多处出现滴水和线状流水，桩号导0+100m处水量突然增大。

相关洞段围岩类别为Ⅴ类，其特征为岩石构造复杂，断裂发育，顺洞轴线方向的断层宽度>2m，且裂隙充填泥，岩体呈散体结构。另外，该隧洞段上覆岩体最小厚度不足10m，因此其自稳能力很差，设计单位在当年4月初将相关危险因素和预判结论向参建单位发出了地质预报。

而塌方发生时期恰逢雨季，经连续降雨，雨水流入表部土层并下渗至岩石裂隙中，趋于饱和的岩土层内摩擦角及凝聚力大幅度降低，抗剪强度下降是导致塌方的直接原因[1-2]。

3.2 人为因素

与会专家还提出了存在爆破施工影响、初期支护施工质量、初期支护拱顶充填材料及密实度等人为因素的可能性，但很难定论。永久支护施工延时太长可能是塌方的另一重要原因。

塌方段开挖完成至塌方发生期间仅完成了初期支护，围岩应力释放时间过长，近1.5个月，过量自由变形可能是导致导致塌方的另一重要因素。

4 塌方处理设计方案论证

4.1 对原设计结构进行复核

通过现场实测，导流洞塌方段桩号为导0+084.46m-导0+116.18m，其中A、B类衬砌段长度分别为16.18m、15.54m，其隧洞开挖尺寸分别为15.00m×14.50m、14.64m×14.32 m。A型衬砌设计内径12.0m，，顶拱和边墙衬砌厚度为1.5m；B型衬砌设计内径12.0m，顶拱和边墙衬砌厚度为1.2m，一次支护喷混凝土厚度为0.12m。底板采用分离式底板，厚度为0.50m。塌方发生后，设计单位第一时间对原设计成果进行了复核，经过计算，在塌方前该结构尺寸是满足要求的；但塌方发生后，上覆各岩土层均需按散粒体考虑，塌方及塌方影响洞段的原设计衬砌结构均偏小，需要加大衬砌断面。

4.2 处理方案设计

当年8月5日导流洞发生塌方后，与会专家对处理方案进行了初步讨论，主要就塌方挖除后设明拱与二次成洞两个处理方向进行了探讨，基于二次成洞方案具有技术难度大，施工工艺复杂，施工安全难以保证等不利因素，专家组一致推荐采用塌方挖除后设明拱方案。根据建设单位要求，结合参建各方意见及现场实际情况，设计单位就塌方挖除后的明拱方案先后研究了1)不缩径、不扩径整体式结构方案；2)不缩径、不扩径整体式结构跨中加支墩方案；3)缩径方案。

各方案计算主要按2种工况考虑，1种是运行期工况，内水水头32.6m，外水水头为0m；1种是检修期工况，内水水头为0m，外水水头为57.0m，折减系数为1.0。其荷载组合如下：①运行期：围岩压力+衬砌自重+基础弹性抗力+内水压力。②检修期：围岩压力+衬砌自重+基础弹性抗力+外水压力。

1)不缩径、不扩径整体式结构方案(方案一)

塌方后由于边墙和顶拱围岩抗力作用消失，结构受力及变形复杂，于是将原分离式底板调整为整体式结构，底板厚度与边墙、顶拱相同。并考虑到施工现场钢模台车已按原设计图纸制作，为了较少施工单位损失优先考虑维持内径不变；另外塌方段若要扩挖，难度极大，所以试着保持衬砌厚度不变。采用《水工隧洞钢筋混凝土衬砌计算程序》(SDCAD)计算，根据计算结果分析，最大配筋位置为底板跨中内侧，每延米配筋量达53根直径为32mm的螺纹钢筋，显然不满足要求。

2)不缩径、不扩径整体式结构跨中加支墩方案(方案二)

由于方案一配筋量过大，在不缩径、不扩径方案基础上又提出了在跨中加支墩方案。该方案的其他边界条件基本和不缩径、不扩径方案相同。经计算该方案每延米配筋量也达20根直径为28mm的螺纹钢筋，显然也是不合理的。

3)缩径方案(方案三)

通过方案(一)、(二)的配筋计算结果可以看出，需加大衬砌结构尺寸才能满足要求。而加大结构尺寸有两种方式，一是向外扩径，二是向内缩径。

塌方段如果要扩径将增大塌坑开挖范围而带来新的隐患；而上、下游塌方影响段根据现场实际揭露情况，还处在F2断层中，如通过向外扩径方式，得拆掉洞内初期支护结构(包括钢拱架及喷混凝土)，这样极易导致塌方洞段两端继续扩展。因此加大衬砌结构尺寸的较优途径就是减小隧洞衬砌后的内径，设计单位经过比较、研究、计算，将隧洞内径缩小50cm-11.00m：A、B型砌厚度分别为1.80m、1.60m。

经计算，最大配筋位置为底板跨中内侧，每延米配筋量为14根直径为32mm的螺纹钢筋，可满足要求。

4)处理方案确定

经各参建单位商议，确定塌方处理按塌方挖除后设明拱再回填、明拱采用缩经方案实施，塌方段上游缩径范围确定为导0+060.00m-导0+084.46m，塌方段下游缩径范围、确定为导0+116.18m-导0+130.00m，导0+060.00m-导0+100.00m段缩径0.50m后衬砌厚度变为1.60m，整体式结构，导0+100.00m-导0+130.00m段缩径0.50m后衬砌厚度变为1.80m，整体式结构。明拱施工完成并达到混凝土设计龄期后，采用风化砂将塌坑回填至高程817m。

5 结 语

施工时，为了增加安全余度，经各参建单位同意，将塌坑回填高程提高到了822m。塌方处理完成后，导流洞经过了2年的稳定运行，圆满完成了导流任务，目前该工程已投产发电。隧洞塌方极易对人员、设备造成伤害，而且处理困难、延长工期、影响效益，因此勘察、设计、施工、监理、业主各单位都应高度重视、各负其责，积极配合，施工过程中加强监测，减少类似事故发生，保障人民生命财产安全。