某水電站導(dǎo)流洞塌方冒頂處理設(shè)計方案論證

栗 佳，黃遠澤

(1.遼寧省清河水庫管理局有限責任公司，遼寧 鐵嶺 112000；2.中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，長春 130021)

1 工程概況

某水電站位于云南省德宏州境內(nèi)，該樞紐是以發(fā)電、防洪為主，兼顧灌溉的綜合性樞紐工程，并為城市供水、養(yǎng)殖和旅游提供了有利條件。樞紐總庫容12.17×108m3，調(diào)節(jié)庫容6.79×108m3，電站裝機三臺，總裝機容量240MW。

樞紐工程由混凝土雙曲拱壩、引水隧洞及發(fā)電站廠房等組成。

工程施工導(dǎo)流采用土石圍堰一次攔斷河床、導(dǎo)流洞泄流的全年導(dǎo)流方式。導(dǎo)流洞布置在右岸，導(dǎo)流洞全長837.70m，斷面形式為12m×12m(寬×高)城門洞型。

2 導(dǎo)流洞塌方經(jīng)過

據(jù)施工單位介紹，導(dǎo)流洞采用分層開挖方式，上半洞于當年6月末已貫通。當年8月5號晚8點多，導(dǎo)流洞樁號導(dǎo)0+100m左右拱肩附近位置出現(xiàn)滲水(自上導(dǎo)洞貫通以來該部位一直沒有地下水滲出)。當日晚11點多施工人員在樁號導(dǎo)0+118m附近洞段進行施工，在準備進行下部型鋼拱架安裝時，聽到頂部圍巖有異響，并發(fā)現(xiàn)已噴混凝土局部掉塊現(xiàn)象，于是緊急撤場。至次日凌晨00：05分，洞頂樁號導(dǎo)0+088m-0+112m洞段初期支護全部垮塌，洞內(nèi)全部被碎渣封堵。并一直坍塌至地表，地表沉陷寬度約23m，深度約2m，面積約500m2，洞內(nèi)塌方量約4300m3。

3 導(dǎo)流洞塌方原因分析

一般來說，引起隧洞塌方的原因是多方面的，主要分為自然原因和人為因素，其中自然原因較容易調(diào)查和分析，而很多人為因素很難追溯和判定。當年8月中旬，建設(shè)單位組織專家對塌方原因進行了詳細分析，與會專家認為本工程導(dǎo)流洞塌方主要還是自然原因引起的。

3.1 自然原因

根據(jù)導(dǎo)流洞開挖揭露情況，塌方段及其影響段的地質(zhì)條件較差。自樁號導(dǎo)0+065m至導(dǎo)0+124為斷層破碎帶，樁號導(dǎo)0+124m-0+116m出露f14斷層，產(chǎn)狀N50°E，NW，∠70°，寬度8m，主要由糜棱巖、碎裂巖和少量灰黃色斷層泥組成。碎裂巖風化強烈，長石已高嶺土化。斷層泥厚0.2-2cm，不連續(xù)。f14斷層破碎帶出露樁號導(dǎo)0+116m-0+101.72m。樁號導(dǎo)0+065m出露f15斷層，產(chǎn)狀N30°E，NW，∠65°，寬度0.3m-0.5m，主要由糜棱巖及碎塊巖組成。樁號導(dǎo)0+101.72m-0+065m為影響帶，由碎塊巖、碎裂巖組成，節(jié)理發(fā)育，破碎，脆，風化強烈。開挖過程中f14斷層頂拱多處出現(xiàn)滴水和線狀流水，樁號導(dǎo)0+100m處水量突然增大。

相關(guān)洞段圍巖類別為Ⅴ類，其特征為巖石構(gòu)造復(fù)雜，斷裂發(fā)育，順洞軸線方向的斷層寬度>2m，且裂隙充填泥，巖體呈散體結(jié)構(gòu)。另外，該隧洞段上覆巖體最小厚度不足10m，因此其自穩(wěn)能力很差，設(shè)計單位在當年4月初將相關(guān)危險因素和預(yù)判結(jié)論向參建單位發(fā)出了地質(zhì)預(yù)報。

而塌方發(fā)生時期恰逢雨季，經(jīng)連續(xù)降雨，雨水流入表部土層并下滲至巖石裂隙中，趨于飽和的巖土層內(nèi)摩擦角及凝聚力大幅度降低，抗剪強度下降是導(dǎo)致塌方的直接原因[1-2]。

3.2 人為因素

與會專家還提出了存在爆破施工影響、初期支護施工質(zhì)量、初期支護拱頂充填材料及密實度等人為因素的可能性，但很難定論。永久支護施工延時太長可能是塌方的另一重要原因。

塌方段開挖完成至塌方發(fā)生期間僅完成了初期支護，圍巖應(yīng)力釋放時間過長，近1.5個月，過量自由變形可能是導(dǎo)致導(dǎo)致塌方的另一重要因素。

4 塌方處理設(shè)計方案論證

4.1 對原設(shè)計結(jié)構(gòu)進行復(fù)核

通過現(xiàn)場實測，導(dǎo)流洞塌方段樁號為導(dǎo)0+084.46m-導(dǎo)0+116.18m，其中A、B類襯砌段長度分別為16.18m、15.54m，其隧洞開挖尺寸分別為15.00m×14.50m、14.64m×14.32 m。A型襯砌設(shè)計內(nèi)徑12.0m，，頂拱和邊墻襯砌厚度為1.5m；B型襯砌設(shè)計內(nèi)徑12.0m，頂拱和邊墻襯砌厚度為1.2m，一次支護噴混凝土厚度為0.12m。底板采用分離式底板，厚度為0.50m。塌方發(fā)生后，設(shè)計單位第一時間對原設(shè)計成果進行了復(fù)核，經(jīng)過計算，在塌方前該結(jié)構(gòu)尺寸是滿足要求的；但塌方發(fā)生后，上覆各巖土層均需按散粒體考慮，塌方及塌方影響洞段的原設(shè)計襯砌結(jié)構(gòu)均偏小，需要加大襯砌斷面。

4.2 處理方案設(shè)計

當年8月5日導(dǎo)流洞發(fā)生塌方后，與會專家對處理方案進行了初步討論，主要就塌方挖除后設(shè)明拱與二次成洞兩個處理方向進行了探討，基于二次成洞方案具有技術(shù)難度大，施工工藝復(fù)雜，施工安全難以保證等不利因素，專家組一致推薦采用塌方挖除后設(shè)明拱方案。根據(jù)建設(shè)單位要求，結(jié)合參建各方意見及現(xiàn)場實際情況，設(shè)計單位就塌方挖除后的明拱方案先后研究了1)不縮徑、不擴徑整體式結(jié)構(gòu)方案；2)不縮徑、不擴徑整體式結(jié)構(gòu)跨中加支墩方案；3)縮徑方案。

各方案計算主要按2種工況考慮，1種是運行期工況，內(nèi)水水頭32.6m，外水水頭為0m；1種是檢修期工況，內(nèi)水水頭為0m，外水水頭為57.0m，折減系數(shù)為1.0。其荷載組合如下：①運行期：圍巖壓力+襯砌自重+基礎(chǔ)彈性抗力+內(nèi)水壓力。②檢修期：圍巖壓力+襯砌自重+基礎(chǔ)彈性抗力+外水壓力。

1)不縮徑、不擴徑整體式結(jié)構(gòu)方案(方案一)

塌方后由于邊墻和頂拱圍巖抗力作用消失，結(jié)構(gòu)受力及變形復(fù)雜，于是將原分離式底板調(diào)整為整體式結(jié)構(gòu)，底板厚度與邊墻、頂拱相同。并考慮到施工現(xiàn)場鋼模臺車已按原設(shè)計圖紙制作，為了較少施工單位損失優(yōu)先考慮維持內(nèi)徑不變；另外塌方段若要擴挖，難度極大，所以試著保持襯砌厚度不變。采用《水工隧洞鋼筋混凝土襯砌計算程序》(SDCAD)計算，根據(jù)計算結(jié)果分析，最大配筋位置為底板跨中內(nèi)側(cè)，每延米配筋量達53根直徑為32mm的螺紋鋼筋，顯然不滿足要求。

2)不縮徑、不擴徑整體式結(jié)構(gòu)跨中加支墩方案(方案二)

由于方案一配筋量過大，在不縮徑、不擴徑方案基礎(chǔ)上又提出了在跨中加支墩方案。該方案的其他邊界條件基本和不縮徑、不擴徑方案相同。經(jīng)計算該方案每延米配筋量也達20根直徑為28mm的螺紋鋼筋，顯然也是不合理的。

3)縮徑方案(方案三)

通過方案(一)、(二)的配筋計算結(jié)果可以看出，需加大襯砌結(jié)構(gòu)尺寸才能滿足要求。而加大結(jié)構(gòu)尺寸有兩種方式，一是向外擴徑，二是向內(nèi)縮徑。

塌方段如果要擴徑將增大塌坑開挖范圍而帶來新的隱患；而上、下游塌方影響段根據(jù)現(xiàn)場實際揭露情況，還處在F2斷層中，如通過向外擴徑方式，得拆掉洞內(nèi)初期支護結(jié)構(gòu)(包括鋼拱架及噴混凝土)，這樣極易導(dǎo)致塌方洞段兩端繼續(xù)擴展。因此加大襯砌結(jié)構(gòu)尺寸的較優(yōu)途徑就是減小隧洞襯砌后的內(nèi)徑，設(shè)計單位經(jīng)過比較、研究、計算，將隧洞內(nèi)徑縮小50cm-11.00m：A、B型砌厚度分別為1.80m、1.60m。

經(jīng)計算，最大配筋位置為底板跨中內(nèi)側(cè)，每延米配筋量為14根直徑為32mm的螺紋鋼筋，可滿足要求。

4)處理方案確定

經(jīng)各參建單位商議，確定塌方處理按塌方挖除后設(shè)明拱再回填、明拱采用縮經(jīng)方案實施，塌方段上游縮徑范圍確定為導(dǎo)0+060.00m-導(dǎo)0+084.46m，塌方段下游縮徑范圍、確定為導(dǎo)0+116.18m-導(dǎo)0+130.00m，導(dǎo)0+060.00m-導(dǎo)0+100.00m段縮徑0.50m后襯砌厚度變?yōu)?.60m，整體式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)0+100.00m-導(dǎo)0+130.00m段縮徑0.50m后襯砌厚度變?yōu)?.80m，整體式結(jié)構(gòu)。明拱施工完成并達到混凝土設(shè)計齡期后，采用風化砂將塌坑回填至高程817m。

5 結(jié) 語

施工時，為了增加安全余度，經(jīng)各參建單位同意，將塌坑回填高程提高到了822m。塌方處理完成后，導(dǎo)流洞經(jīng)過了2年的穩(wěn)定運行，圓滿完成了導(dǎo)流任務(wù)，目前該工程已投產(chǎn)發(fā)電。隧洞塌方極易對人員、設(shè)備造成傷害，而且處理困難、延長工期、影響效益，因此勘察、設(shè)計、施工、監(jiān)理、業(yè)主各單位都應(yīng)高度重視、各負其責，積極配合，施工過程中加強監(jiān)測，減少類似事故發(fā)生，保障人民生命財產(chǎn)安全。