俄日水電站調(diào)壓井的布置與施工

何思源，李海濤

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430064)

1 工程概況

1.1 工程基本情況

俄日水電站位于四川省阿壩州金川縣境內(nèi)的俄日河上，系俄日河干流四級水電梯級開發(fā)的第三級，其主要功能是以發(fā)電為主，兼顧下游河道的生態(tài)供水。電站總裝機(jī)容量69 MW，為三等中型工程，由首部樞紐、發(fā)電引水隧洞、地面廠房和變電站等組成，發(fā)電引水隧洞總長12.917 km，在樁號12+098 m處設(shè)置帶上室的水室式調(diào)壓井。調(diào)壓井由豎井、上室及通氣洞組成，豎井內(nèi)徑6 m，井高107.60 m；上室長150 m，橫斷面為城門洞型，斷面尺寸為4.0 m×6.0 m(寬×高)，上室山體垂直埋深100 m，側(cè)向水平埋深125 m。

1.2 地形、地質(zhì)條件

調(diào)壓井所在位置山體雄厚，地表基巖裸露，巖性為三疊系上統(tǒng)侏倭組上段(T3zh)薄至中厚層狀變質(zhì)砂巖夾板巖，其中板巖約占27.8%。巖層產(chǎn)狀234°∠59°。主要發(fā)育2組節(jié)理：①產(chǎn)狀322°∠89°，面平直、可見延伸長3～5 m，間距20～50 cm；②產(chǎn)狀195°∠64°，面平直，間距30～50 cm，可見延伸長2～5 m。調(diào)壓井處巖體呈微風(fēng)化至新鮮狀，裂隙一般閉合無充填，以中厚層狀結(jié)構(gòu)為主，巖體較完整。洞室圍巖穩(wěn)定性主要受巖層層面控制，根據(jù)巖層傾向判斷，順巖層傾向側(cè)(SW側(cè))洞壁為逆向坡，有利于洞室穩(wěn)定，以Ⅲ類圍巖為主，板巖集中部位為Ⅳ類圍巖；反巖層傾向側(cè)(NE側(cè))洞壁為順向坡，不利于洞室穩(wěn)定，受裂隙切割等影響，易形成不穩(wěn)定的楔形體沿層面產(chǎn)生順層滑動?？偟膩砜?，Ⅲ類圍巖約占50%，Ⅳ類圍巖約占35%，Ⅴ類圍巖約占15%。圍巖穩(wěn)定性差，但基本具備成井(洞)條件。

為調(diào)壓井施工而設(shè)置的6號施工支洞洞口處自然坡度約46°，基巖裸露，巖性為三疊系上統(tǒng)侏倭組薄至中厚層狀變質(zhì)砂巖夾炭質(zhì)板巖，總體呈弱風(fēng)化，局部表層分布少量殘坡積堆積碎石夾壤土，厚度小于5 m。巖層產(chǎn)狀190°∠51°，發(fā)育主要裂隙兩組：①組裂隙產(chǎn)狀290°∠37°，②組裂隙產(chǎn)狀78°∠72°。洞室軸向與巖層走向交角較小，不利于洞室穩(wěn)定。根據(jù)洞口地層巖性、風(fēng)化程度及裂隙發(fā)育情況分析，支洞強(qiáng)風(fēng)化強(qiáng)卸荷帶深約20 m，弱風(fēng)化弱卸荷深約50 m，支洞0～50 m屬不穩(wěn)定或極不穩(wěn)定的Ⅳ～Ⅴ類圍巖，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)措施；50 m以內(nèi)卸荷作用逐漸減弱，以局部穩(wěn)定性差的Ⅲ類圍巖為主，局部擠壓破碎帶及板巖集中帶屬Ⅳ類圍巖。進(jìn)口邊坡為視逆向坡，現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性較好。支洞開挖后，因受結(jié)構(gòu)面切割影響，洞頂局部可能會出現(xiàn)坍塌，開挖過程中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)處理，以免影響邊坡的穩(wěn)定。

2 調(diào)壓井、6號支洞及其施工岔洞布置

發(fā)電引水隧洞總長12.917 km，根據(jù)發(fā)電引水隧洞的布置特點(diǎn)、沿線的地形、地質(zhì)條件，施工道路、渣場布置以及征占地、環(huán)評等因素影響，發(fā)電引水隧洞共布置6條施工支洞(其中6號支洞為調(diào)壓井施工的主要施工通道，也是調(diào)壓井下游蝶閥室的永久交通洞)，施工支洞斷面凈尺寸為4.4 m×4.7 m(寬×高)，均為城門洞型，側(cè)墻高度為3.5 m，頂拱半徑2.62 m，頂拱中心角為114°。各支洞詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 引水隧洞施工支洞特性 m

俄日水電站調(diào)壓井豎井總高107.60 m，調(diào)壓室上室長150 m，調(diào)壓室及施工支洞、施工岔洞布置平面及剖面詳見圖1、圖2。調(diào)壓井上室的施工利用位于調(diào)壓井底部的6號支洞、通過開挖6號支洞的施工岔洞通往調(diào)壓室上室來實(shí)現(xiàn)。該方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：①不需要另行征地。常規(guī)的調(diào)壓室上室施工，通常會布置專用的施工道路通達(dá)調(diào)壓室上室，以便轉(zhuǎn)運(yùn)施工人員和機(jī)械等，俄日水電站調(diào)壓室上室所在的山體地形陡峭，如果按照傳統(tǒng)的方案修建施工道路，不僅需要克服地形、地質(zhì)的不利影響，而且要克服征地的困難，因工程地處川西藏區(qū)高原地帶，自然環(huán)境相對敏感、脆弱，采用洞室施工對當(dāng)?shù)刈匀弧⑸鐣h(huán)境的影響最?。虎诳梢葬槍こ痰刭|(zhì)特點(diǎn)，充分利用其圍巖特性，在可行的方案下盡量節(jié)省投資。俄日水電站引水隧洞穩(wěn)定性、完整性相對較差的Ⅳ、Ⅴ類圍巖集中在4號施工支洞(樁號6+969)上游側(cè)，4號施工支洞以下包括調(diào)壓井(樁號12+083)、6號施工支洞、上室施工岔洞的圍巖類別大部分為Ⅲ類，主要為薄至中厚層變質(zhì)砂巖與砂質(zhì)板巖互層，巖石微風(fēng)化～新鮮，巖體較完整，采用施工岔洞的方案，洞室的支護(hù)措施相對也比較可靠、簡單、經(jīng)濟(jì)；③調(diào)壓室豎井及上室的施工處在整個施工計(jì)劃的關(guān)鍵線路上，需要嚴(yán)格保證施工進(jìn)度，俄日水電站所處的川西高原氣候區(qū)，每年5至10月汛期降雨頻繁，降水量占全年的89%左右，調(diào)壓室周圍山體分布一定范圍的坡積物，強(qiáng)降雨過后發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性相對較大，施工交通安全保障工作壓力較大。當(dāng)?shù)剡M(jìn)入冬季后，氣溫低，降水量少，氣候寒冷而干燥，1月份和12月份的月平均氣溫在0℃以下，每年自10月開始降雪至次年4、5月份，降雪期為6～8個月。每年11月至次年3月易遇到降雪天氣，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，采用施工岔洞的方案，則可以避免以上施工干擾因素的影響，保障工程按正常進(jìn)度推進(jìn)。綜合考慮以上幾點(diǎn)，最終選擇在6號施工支洞中修建通往調(diào)壓室上室的施工岔洞這一方案[1]。

圖1 調(diào)壓室及施工支洞、施工岔洞平面布置示意

圖2 調(diào)壓室及引水隧洞縱剖面布置示意

在調(diào)壓室上室及豎井的施工布置中，6號支洞及調(diào)壓室上室施工岔洞(下簡稱施工岔洞)是材料、設(shè)備、器具進(jìn)出的主要通道，而調(diào)壓室上室通氣洞則作為人員進(jìn)出的主要通道以及上室開挖過程中通風(fēng)排煙的主要通道；施工岔洞由下平段、斜井段和上平段組成，斜井段傾角為48.1°，長170 m，施工岔洞上下平段長度分別為12 m和90 m，岔洞橫斷面為城門洞型，隧洞凈尺寸為4.7 m×5.9 m(寬×高)，施工岔洞布置詳見圖3。

圖3 施工岔洞剖面布置示意

3 調(diào)壓井、6號支洞及其施工岔洞施工

3.1 調(diào)壓井施工

1)施工程序。首先修建臨時道路至6號支洞進(jìn)口，開挖支洞至調(diào)壓井底部，在6號支洞內(nèi)修建一條至調(diào)壓井上室的施工岔洞，施工岔洞下平段按設(shè)計(jì)斷面開挖到位，考慮施工岔洞斜井段開挖難度大，采用鉆爆法先行開挖斜井導(dǎo)洞的方式，然后自上而下擴(kuò)挖斜井段至設(shè)計(jì)斷面，施工岔洞開挖至上平段后，分兩個方向分別開挖上室通氣洞和上室隧洞，待上室通氣洞及上室隧洞形成后即可進(jìn)行調(diào)壓井施工[2-3]。

2)通氣洞施工。在進(jìn)行通氣洞施工時考慮在施工岔洞斜井段鋪設(shè)導(dǎo)軌，頂部設(shè)置卷揚(yáng)機(jī)用于牽引運(yùn)輸渣料和物質(zhì)的斗車，采用有軌運(yùn)輸方式出渣。采用手風(fēng)鉆鉆孔，預(yù)裂光面爆破，通過有軌運(yùn)輸車經(jīng)沿導(dǎo)軌運(yùn)輸至岔洞進(jìn)口平段工作面集中堆放，再轉(zhuǎn)小型挖掘機(jī)裝5～10 t自卸汽車運(yùn)至指定棄渣場。

通氣洞初期支護(hù)使用的拱架、錨桿及噴混凝土材料通過施工岔洞設(shè)置的卷揚(yáng)機(jī)運(yùn)送到上室。

3)上室施工。上室與通風(fēng)洞位于同一高程且相互連通，施工方式與通風(fēng)洞相同。采用手風(fēng)鉆鉆孔，預(yù)裂光面爆破，通過有軌運(yùn)輸車經(jīng)沿導(dǎo)軌運(yùn)輸至施工岔洞進(jìn)口平段工作面集中堆放，再轉(zhuǎn)小型挖掘機(jī)裝5～10 t自卸汽車運(yùn)至指定棄渣場。調(diào)壓室上室襯砌混凝土由混凝土攪拌運(yùn)輸車運(yùn)至調(diào)壓井底部，經(jīng)豎井內(nèi)混凝土泵輸送到上室并入倉澆筑。

4)調(diào)壓井導(dǎo)井施工。通風(fēng)洞及上室隧洞形成后，再進(jìn)行調(diào)壓井導(dǎo)井開挖施工。導(dǎo)井開挖先采用LM-200型反井鉆在調(diào)壓井中心自上而下鉆一個直徑200 mm的導(dǎo)向孔到調(diào)壓井底部，然后自下而上將鉆孔擴(kuò)成直徑1.4 m的圓形導(dǎo)井，作為調(diào)壓井全斷面擴(kuò)挖時的出渣井。導(dǎo)井開挖時的石渣憑自重落到調(diào)壓井底部，出渣方式與引水洞相同。

5)調(diào)壓井全斷面施工。導(dǎo)井貫通后，進(jìn)行調(diào)壓井全斷面擴(kuò)挖施工，自上而下進(jìn)行，手風(fēng)鉆鉆孔，火雷管起爆，毫秒導(dǎo)爆雷管實(shí)現(xiàn)微差預(yù)裂爆破，以減小爆破對圍巖的影響。擴(kuò)挖后進(jìn)行調(diào)壓井開挖鎖口施工，鎖口完成后再繼續(xù)向下擴(kuò)挖。擴(kuò)挖的石渣用人工扒渣，經(jīng)導(dǎo)井溜至調(diào)壓井底部，而后經(jīng)引水隧洞主洞、6號施工支洞運(yùn)出，自卸汽車運(yùn)輸至指定的臨時堆料場或棄渣場。

調(diào)壓井襯砌采用自下而上分段澆筑。底部采用鋼模板和木模板立模澆筑，井筒采用滑模澆筑。襯砌混凝土由混凝土攪拌運(yùn)輸車運(yùn)至洞口，經(jīng)混凝土泵輸送入倉澆筑。

3.2 施工運(yùn)輸系統(tǒng)

調(diào)壓井系統(tǒng)工程施工運(yùn)輸系統(tǒng)由布置在施工岔洞的15 T卷揚(yáng)機(jī)、軌道(輕軌)、起吊天錨及龍門架等組成，見圖3。

15 T卷揚(yáng)機(jī)布置在岔洞上平段，采用Φ22，L=3 m錨桿進(jìn)行固定。運(yùn)輸軌道斜井段傾角為48.1°，長170 m，垂直高差為105 m。

3.3 施工安全措施

調(diào)壓井施工必須采取確實(shí)可行的安全措施,保證材料、設(shè)備運(yùn)輸和人員通行安全。調(diào)壓井施工安全措施在參考文獻(xiàn)[4-6]中有相關(guān)闡述，俄日水電站調(diào)壓井施工主要利用6號施工支洞及其施工岔洞，由于施工岔洞斜井傾角48.1°，坡長、陡，高差大(約105 m)、施工岔洞導(dǎo)洞斷面小(寬×高=2 m×1.5 m)、設(shè)備、施工材料上、下運(yùn)輸困難，施工通訊也較困難，安全問題突出，針對這些問題需要制定相應(yīng)的安全技術(shù)措施。

1)在施工岔洞斜井設(shè)置有軌運(yùn)輸線。為了將調(diào)壓井上室、通氣洞、穹頂在開挖期間的反井鉆機(jī)、支護(hù)材料、設(shè)備和混凝土襯砌期間的鋼筋、模板、電焊機(jī)等能夠通過施工岔洞斜井安全運(yùn)輸?shù)焦ぷ髅?需采取機(jī)械運(yùn)輸方式,在施工岔洞斜井用卷揚(yáng)機(jī)、軌道與自制小車做成有軌運(yùn)輸線，解決材料設(shè)備及運(yùn)輸問題。在軌道、小車、鋼絲繩及卷揚(yáng)機(jī)安裝、錨固、調(diào)試好后，必須進(jìn)行卷揚(yáng)提升系統(tǒng)的空載、負(fù)載試運(yùn)行試驗(yàn)，合格后方能投入使用。

2)對通道進(jìn)行擴(kuò)挖施工及其安全措施。對上室與施工岔洞上平段交叉部位頂拱進(jìn)行擴(kuò)高，擴(kuò)高到6 m，上室與通氣洞交叉部位擴(kuò)寬擴(kuò)高到2.5 m×3.5 m(寬×高)。擴(kuò)挖施工時采取從上往下施工方法，以減少人工扒渣量。在擴(kuò)挖施工時，要求施工人員嚴(yán)格遵守項(xiàng)目部火工材料的管理和使用制度，施工時，每班必須派2名安全管理人員在上下彎段負(fù)責(zé)安全看護(hù)及通訊聯(lián)系。測量需多次對擴(kuò)挖斷面進(jìn)行檢查，及時處理超挖、欠挖現(xiàn)象，保證設(shè)計(jì)斷面尺寸。

4 結(jié) 語

俄日水電站調(diào)壓井工程施工區(qū)受地形、地質(zhì)條件限制、施工對環(huán)境的保護(hù)要求以及臨時征、占地的影響，場內(nèi)施工道路僅通到6號施工支洞洞口，從6號支洞口至調(diào)壓室通氣洞口間無施工道路，施工期間僅有6號施工支洞一條通道。針對施工邊界條件和工程本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，調(diào)壓室系統(tǒng)開挖施工總體方案為自內(nèi)向外施工，依靠新增設(shè)的6號支洞施工岔洞進(jìn)行由上至下、由內(nèi)至外施工。通過有軌運(yùn)輸和制定詳細(xì)的施工現(xiàn)場管理措施，解決了施工材料運(yùn)輸及人員交通困難和施工過程中的安全問題，保證了調(diào)壓井施工的順利進(jìn)行，從而確保了工程的總體進(jìn)度。

調(diào)壓井是長距離、高水頭發(fā)電引水系統(tǒng)消除水錘影響重要的建筑物，受地形、地質(zhì)條件、環(huán)境保護(hù)、征地和投資等諸多因素的限制，調(diào)壓井的布置和施工直接影響工程的進(jìn)度和安全運(yùn)行。俄日水電站調(diào)壓井布置與施工經(jīng)驗(yàn)對受地形、地質(zhì)、氣候、環(huán)保、征占地等因素制約的長距離、高水頭水工建筑物的布置與施工有一定的參考和借鑒作用。