坪頭水電站引水隧洞施工支洞封堵體的設計與思考

陳亞琴，劉 超，樊菊平

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

坪頭水電站工程主要建筑物由首部閘壩樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)樞紐等組成。 整個引水系統(tǒng)布置在美姑河河道左岸，主要由進水口、引水隧洞、調(diào)壓室、壓力管道等部分組成。引水隧洞全長12.7km，進水口底板高程895.00m，至調(diào)壓室處底板高程降為850.00m，縱坡降為3.5‰。隧洞垂直埋深40～570m，水平埋深140～1 000m；圍巖類別在深埋段以Ⅲ～Ⅳ類為主，在淺埋段的石膏夾層及軟弱的頁巖分布段以Ⅳ～Ⅴ類為主；隧洞承受水頭32～77m。引水隧洞布設7條施工支洞，并按照規(guī)范要求進行封堵設計。工程啟動驗收后，對隧洞進行充水，隧洞充水之后不同程度出現(xiàn)滲水問題，后期對滲水問題進行分析處理。本文對坪頭水電站施工支洞封堵后滲水原因進行深入的分析，提出了封堵體的設計必須滿足穩(wěn)定和防滲雙重功能的意見，采取了延長封堵段的處理方案；同時對施工支洞的封堵設計及施工提出了看法。

2 施工支洞的布置及封堵設計

2.1 施工支洞的布置

根據(jù)實際施工需要及隧洞運行管理、檢修方便，在電站引水隧洞洞線上布置了7條施工支洞。所有施工支洞均采用鋼筋混凝土封堵，其中，在2-3號、4號施工支洞設手推式鋼閘門作為隧洞對外永久檢修交通通道。各施工支洞參數(shù)見表1。

2.2 施工支洞封堵體設計

根據(jù)DL/T5195-2004《水工隧洞設計規(guī)范》中封堵體設計章節(jié)進行施工支洞封堵設計。柱狀體封堵抗滑穩(wěn)定按照下式進行計算：

作用效應函數(shù)S(·)=∑PR

抗力函數(shù)R(·)=fR∑WR+CRAR

式中 ∑PR——滑動面上封堵承受的全部切向

作用之和，kN；

∑WR——滑動面上封堵全部法向作用之和，向下為正，kN；

fR——混凝土與圍巖的摩擦系數(shù)；

CR——混凝土與圍巖的粘結力，kPa；

AR——除頂拱部位外，封堵體與圍巖接觸面的面積，m2。

表1 各施工支洞參數(shù) m

根據(jù)上述計算成果，施工支洞的封堵設計情況見表2。

表2 施工支洞的封堵設計情況

為增加封堵體混凝土與圍巖之間的銜接，封堵體全斷面設置錨桿。

各支洞封堵體設計(包括封堵長度、灌漿參數(shù)、錨桿布置)完全符合規(guī)范要求，保證正常運行似乎應該沒有問題，但是隧洞試充水后恰恰在支洞洞壁及其封堵體出現(xiàn)了不同程度的滲水。

3 充水后各支洞滲水情況及原因分析

坪頭水電站從2011年5月中旬開始水庫蓄水及向隧洞充水，之后的一個月時間，現(xiàn)場專門安排對引水系統(tǒng)進行穩(wěn)壓觀察，引水隧洞、壓力管道沿線的所有溝渠、邊坡均未發(fā)現(xiàn)滲水痕跡及其它異常情況，只是各支洞有不同程度的滲水出露，其中1號、2號、2-3號、3號施工支洞滲水量很少，小于或等于3L/s，對邊坡及工程本身不構成危害，不需要處理；5號、6號施工支洞處于隧洞鋼襯段，沒有滲水現(xiàn)象，不需要處理；4號支洞滲水量較大，約為30L/s，需要進行分析處理。各施工支洞滲水情況分析見表3。

由表3可以看出，支洞滲水量大小與水頭并不完全成正比關系，而與靠近主洞施工支洞的圍巖類別、裂隙發(fā)育情況、與其對應主洞的襯砌型式密切相關?？拷鞫次恢玫氖┕ぶФ磭鷰r類別低且裂隙、斷層較發(fā)育，且相應主洞鋼筋混凝土襯砌段短而噴錨段長的話，則其滲流量較大。以下重點分析4號施工支洞情況。

4號施工支洞與主洞及其裂隙、斷層的相對關系平切圖見圖1。

4號支洞與主洞交接部位發(fā)育多組斷層，其中f12-3將主洞與支洞貫穿， f12-3斷層三壁貫通，帶內(nèi)由劈理化的片狀巖、碎裂巖、角礫巖、糜棱巖和夾泥組成，帶內(nèi)物質較破碎，嵌合不甚緊密，裂面普遍銹染，潮濕。斷層發(fā)育，且對應主洞洞段為噴錨襯護，有一定水頭壓力的水即會沿著結構面滲出，在4號施工支洞內(nèi)的結構面出露處以及封堵體施工縫縫面處觀察到較大的有壓水出露。

4 4號支洞滲水處理方案選擇

發(fā)現(xiàn)4號支洞滲水后，對隧洞進行部分放空至4號支洞下游400m，開啟4號支洞檢修閘門進洞觀察主洞情況，發(fā)現(xiàn)主洞完好，看不見明顯的集中滲漏通道。根據(jù)分析結果，提出兩種處理方案：方案一是主洞內(nèi)處理方案，即在主洞內(nèi)進行補強或新增固結灌漿；方案二為支洞內(nèi)處理方案，即在支洞內(nèi)延長封堵段，封閉f12-3斷層的出口。

圖1 4號施工支洞860m高程地質平切圖

支洞編號(樁號)封堵段長度/m水頭/m圍巖類別支洞裂隙發(fā)育主洞襯砌型式滲水總量/L·s-1滲水組成/L·s-1砼與巖壁縫隙封堵段施工縫圍巖裂隙2號(K3+914)2033III類/未發(fā)現(xiàn)裂隙滲水(1) 向上游20mC型、55mB型、40mC(一)型、50mB(二)型;(2) 向下游20mC型、31mB(一)型、64mC(一)型、71mB(一)型30.6(20%)2.4(80%)0(0%)2-3號(K5+323)2038III類/40m及120m處各發(fā)育一組裂隙并滲水(1) 向上游20mC型、203mB或B(一)型;(2) 向下游20mC型,47mB(二)型、15mB型、75mC(一)型1.41(70%)0(0%)0.4(30%)3號(K6+993)2543III類/65m及140m處各發(fā)育一組裂隙并滲水(1) 向上游20mC型、81mC(一)型;(2) 向下游20mC型,86mB(二)型0.40(0%)0.25(60%)0.15(40%)4號(K9+673)30+5053IV類/上游發(fā)育數(shù)條小斷層,下游靠近規(guī)模較大的斷層(1) 向上游21mD(一)型、36mC型、216mB(一)型、20mC型、45mC(一)型;(2) 向下游20mD(一)型,18mC型、42mD(二)型、49mC型、292mB型、47mC(一)型302(7%)9(30%)19(63%)

注：B型為噴錨襯砌；B(一)型為加強型噴錨襯砌，不布設固結灌漿；B(二)型為加強型噴錨襯砌，同時布設固結灌漿；C、C(一)型為40cm厚鋼筋混凝土襯砌，同時布設固結灌漿；D(一)、D(二)型為50cm厚鋼筋混凝土襯砌，同時布設固結灌漿。

方案一施工范圍大、占用直線工期長、費用高，達到的預期效果不一定明顯。方案二可達到兩個目的：(1)將滲水引向完整巖石，快速在有效埋深內(nèi)形成阻水效應，同時依靠完整巖石和延長的混凝土封堵段截住滲流，可使其不再在支洞內(nèi)出露；(2)通過延長滲徑降低滲流對破碎圍巖體產(chǎn)生的破壞力。經(jīng)過比選，采用方案二作為實施方案，即在支洞內(nèi)延長封堵段50m封閉f12-3斷層的出口的方案，并對延長段的封堵段進行了預埋管回填灌漿。

處理完成后再次對隧洞進行充水，滲水量出露明顯減少。實踐表明，適度延長封堵段的方案是必要的、可行的。

5 對施工支洞封堵體設計的思考

坪頭水電站各支洞的封堵設計雖滿足了規(guī)范要求，后來的實踐也表明封堵體本身也完好無損，但是，在支洞內(nèi)卻有滲水出露。因此，對具體工程需進行具體的封堵設計，有必要進一步思考引水隧洞施工支洞封堵體設計及施工要求。

筆者認為合理的、完善的封堵設計，應該滿足以下幾條：

(1) 封堵體本身穩(wěn)定性滿足要求，不被內(nèi)水推移；

(2) 封堵體和巖壁之間不會有滲水出露；

(3) 封堵體施工縫或結構縫(若有的話)不會發(fā)生滲水出露；

(4) 不存在未被封堵的支洞壁有明顯的滲漏出露點。

歸納起來，支洞封堵體必須滿足穩(wěn)定和防滲的雙重功能。為此，設計和施工需滿足如下要求：

(1)封堵長度。除了至少滿足規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定所需的長度外，還應根據(jù)支洞內(nèi)發(fā)育裂隙和主洞內(nèi)發(fā)育裂隙的連通性、主洞對應的襯砌型式等因素來確定是否增加封堵長度，以達到防滲的目的。

(2)灌漿。固結灌漿不一定必須實施，可以根據(jù)水頭、支洞巖性、圍巖類別調(diào)整或取消；回填灌漿則必須實施，且必須達到規(guī)范要求，建議盡量采用微膨脹混凝土。

(3)錨桿?？梢愿鶕?jù)水頭、支洞巖性、圍巖類別調(diào)整或取消錨桿。

[1] 成都勘測設計研究院.DL/T 5195-2004《水工隧洞設計規(guī)范》[S].北京：中國電力出版社，2004.

[2] 甘文喜.水工隧洞堵頭設計探討[J].人民長江，2001，32(5).

[3] DLPT 5144-2001《水工混凝土施工規(guī)范》[S].北京：中國電力出版社，2002.

[4] 陳芝煥.水工隧洞封堵體設計與施工[J].云南水力發(fā)電，2009,25(1).

[5] 《四川省涼山州美姑河坪頭水電站隧洞充水及首臺機組啟動驗收設計報告》[R].成都：中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，2011.