劉雪峰

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng)550001)

七里塘水電站發(fā)電引水隧洞設(shè)計(jì)與研究

劉雪峰

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng)550001)

七里塘水電站左岸發(fā)電引水隧洞進(jìn)口開挖的邊坡，通過(guò)采用合理的邊坡支護(hù)形式，使其能適應(yīng)巖體的地質(zhì)條件和受力條件。對(duì)于各種原因可能引起的滑坡，通過(guò)對(duì)滑坡形成的機(jī)理和巖體穩(wěn)定條件的分析，采用技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的措施進(jìn)行加固，穩(wěn)定了可能滑坡的巖體，保證發(fā)電引水隧洞在施工過(guò)程中和水庫(kù)蓄水運(yùn)行后長(zhǎng)期穩(wěn)定。發(fā)電引水隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜，隧洞穿過(guò)官田坡斷F1，巖體破碎，穩(wěn)定性差，通過(guò)采用符合工程實(shí)際的支護(hù)方式和襯砌型式，保證了隧洞在施工期和運(yùn)行期的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

電站;隧洞設(shè)計(jì);邊坡設(shè)計(jì);計(jì)算模型;襯砌配筋

1 工程概況

七里塘水電站位于貴州省思南縣境內(nèi)六池河干流上，為六池河梯級(jí)規(guī)劃的第三級(jí)，電站距上游六池河梯級(jí)規(guī)劃的第二級(jí)鳳岡九道拐電站約18 km，距下游六池河梯級(jí)規(guī)劃的第四級(jí)雙魚關(guān)電站約3.5 km，距思南縣城52 km。

七里塘水電站壩址控制流域面積1 486 km2，壩址處多年平均流量28.6 m3/s，多年平均徑流量9.02億m3。七里塘水電站為壩后式開發(fā)電站，其總體布置為為:碾壓混凝土雙曲拱壩，左岸引水系統(tǒng)(岸塔式進(jìn)水口、隧洞、壓力管道、地面發(fā)電廠房等)，其中碾壓混凝土雙曲拱壩最大壩高81.0 m，水庫(kù)正常蓄水位532 m，死水位525 m，正常蓄水位以下庫(kù)容4 790萬(wàn)m3。引水發(fā)電系統(tǒng)布置于大壩左岸，引用流量66.6 m3/s，設(shè)有一岸塔式進(jìn)水口，引水道全長(zhǎng)約386.98 m(含隧洞和壓力管道)，其中，引水隧洞為圓形斷面，洞徑為5.0 m，長(zhǎng)242.30 m;主管長(zhǎng)115.746 m(管徑4.6 m);支管總長(zhǎng)51.754 m(管徑2.8 m)。發(fā)電廠房為地面廠房，布置在大壩下游300 m左岸沖溝出口處，電站裝機(jī)容量2×15 MW。

2 引水發(fā)電隧洞工程地質(zhì)條件

引水系統(tǒng)進(jìn)水口布置在離大壩左壩肩約100.0 m處，隧洞線平面上采用折線布置，總體洞向?yàn)镹W向，隧洞洞長(zhǎng)242.30 m，設(shè)計(jì)引用流量為66.60 m3/s，隧洞底坡1%，隧洞斷面為圓形，洞徑為5.0 m。隧洞穿越左岸山體，進(jìn)口段地層巖性為O2b中厚至厚層含泥質(zhì)灰?guī)r，以Ⅳ～Ⅴ類圍巖為主。洞身段地層巖性為O2b中厚至厚層含泥質(zhì)灰?guī)r，洞室圍巖呈弱風(fēng)化～新鮮基巖狀態(tài)，強(qiáng)度較高，屬Ⅲ類圍巖。關(guān)田坡斷層附近段(長(zhǎng)約30 m)，斷層兩盤分別為O2b中厚至厚層含泥質(zhì)灰?guī)r和S1ln薄～中厚層含泥質(zhì)灰?guī)r、頁(yè)巖;受斷層影響巖石破碎，完整性差，屬Ⅴ類圍巖。

3 引水發(fā)電隧洞進(jìn)口邊坡設(shè)計(jì)

發(fā)電引水系統(tǒng)隧洞布置于左岸，隧洞通過(guò)地層為志留系石牛欄第一段泥晶灰?guī)r、龍馬溪第二段炭質(zhì)灰?guī)r、鈣質(zhì)粉砂巖及鈣質(zhì)頁(yè)巖和龍馬溪第一段灰色—灰綠色或深灰黑色薄—中厚層粉砂鈣質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)粉砂巖、奧陶系上統(tǒng)臨湘—五峰組(O3l+w)泥灰?guī)r、炭質(zhì)頁(yè)巖、泥巖及奧陶系十字鋪組、寶塔組灰?guī)r及湄潭組鈣質(zhì)泥頁(yè)巖。

隧洞全洞段以Ⅳ～Ⅴ類圍巖為主，受關(guān)田坡斷層的影響的洞段較長(zhǎng)，巖體強(qiáng)度較低，成洞條件相對(duì)較差，隧洞底板略低于地下水位，施工開挖過(guò)程中可能遇突發(fā)涌水及巖溶工程地質(zhì)問(wèn)題，施工過(guò)程中應(yīng)注意排水及溶洞、溶隙處理，局部段視具體情況采用隨機(jī)錨桿和噴混凝土臨時(shí)支護(hù)，必要時(shí)也可根據(jù)情況對(duì)斷層破碎帶采用超前支護(hù)，保證隧洞開挖和襯砌施工的安全。

發(fā)電引水建筑物依次由取水口、發(fā)電引水隧洞和壓力鋼管組成，隧洞總長(zhǎng)303.97 m(其中隧洞長(zhǎng)150.694 m，主管長(zhǎng)123.471 m)，支管總長(zhǎng):53.308 m。引水系統(tǒng)采用岸塔式進(jìn)水口，進(jìn)水口底板高程508 m。進(jìn)水口沿水流方向依次設(shè)進(jìn)口段，閘門段及漸變段，總長(zhǎng)34.94 m。喇叭口前部設(shè)一扇活動(dòng)式攔污柵。喇叭口后為閘門井，為井筒式結(jié)構(gòu)，高34.0 m，內(nèi)設(shè)平板事故門一扇。事故閘門后設(shè)12 m長(zhǎng)漸變段，由5.0 m×5.0 m的方孔漸變?yōu)橹睆?.0 m圓洞。

進(jìn)水口后接發(fā)電引水隧洞，根據(jù)隧洞的地形地質(zhì)條件、壓力鋼管及廠址位置綜合考慮，隧洞線平面上采用折線布置。隧洞進(jìn)口底板高程508.0 m，隧洞全長(zhǎng)303.97 m，設(shè)計(jì)引用流量為66.6 m3/s。由于隧洞斷面較大，采用受力條件較好的圓形斷面，洞徑為5.0 m。為降低引水隧洞糙率，減小水頭損失，考慮全部采用C20鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度0.5 m。對(duì)隧洞頂拱120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿，隧洞Ⅴ類圍巖洞段進(jìn)行固結(jié)灌漿，排距為3 m，每排6孔，有效孔深3 m。進(jìn)口邊坡位于左岸山坡上，根據(jù)施工設(shè)計(jì)圖紙，邊坡的開挖，支護(hù)形式及參數(shù)如下:

邊坡方向?yàn)镹E102.715°，為順向坡，邊坡開口線高程508.00 m，在527.60 m和534.80 m高程設(shè)有交通橋樁基礎(chǔ)，508.00～541.00 m高程邊坡坡比為1∶0.4，541.00 m以上高程坡比為1∶0.75。支護(hù)措施如下:永久支護(hù)在508.00～541.00 m高程之間掛網(wǎng)φ8@250，噴 C20混凝土，厚100 mm和設(shè)直徑32、根長(zhǎng)9.0 m、間排距為2.0 m的錨桿聯(lián)合支護(hù)。541.00 m高程為上壩公路，上壩公路開挖邊坡為1∶0.75，其開挖邊坡支護(hù)進(jìn)行噴混凝土支護(hù)。支護(hù)設(shè)計(jì)完成后，用理正軟件復(fù)核進(jìn)口邊坡的穩(wěn)定性，結(jié)果顯示邊坡支護(hù)措施滿足穩(wěn)定性要求。

雙面滑動(dòng)(沿泥化夾層和節(jié)理裂隙)計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 雙面滑動(dòng)計(jì)算模型圖

考慮ABD滑塊穩(wěn)定，安全系數(shù) K1’的計(jì)算公式為:

考慮CBD滑塊穩(wěn)定，安全系數(shù)K2’的計(jì)算公式為:

式中:K1'、K2'為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);G1、G2為 分別為巖體ABD、BCD重量的垂直作用力，kN;f'1、f'2為分別為AB、BC滑動(dòng)面的抗剪斷摩擦系數(shù);c'1、c'2為分別為AB、BC滑動(dòng)面的抗剪斷凝聚力，kPa;A1、A2分別為 AB、BC 面的面積，m2;α、β分別為 AB、BC面與水平面的夾角;U1、U2、U3分別為AB、BC、BD面上的滲透壓力，kN;Q、φ分別為BD面上的作用力及其與水平面的夾角;夾角φ值需經(jīng)論證后選用，從偏于安全考慮φ可取0。

由K1'=K2'=K聯(lián)立上兩式求解Q、K。

4 發(fā)電引水隧洞設(shè)計(jì)

襯砌支護(hù)原則如下:①進(jìn)水口至樁號(hào)0+045.50 m為Ⅲ類圍巖段，一次支護(hù)采用噴混凝土支護(hù)，噴層厚度為10 cm，局部不穩(wěn)定塊體采用隨機(jī)錨桿加固;②錨桿φ25，L=3.0 m，施工過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整布置參數(shù)及錨桿方向;③次鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為0.5 m。

樁號(hào)0+045.50～0+125.00 m，0+169.90～隧洞出口為Ⅳ-Ⅴ類圍巖段，一次支護(hù)采用掛網(wǎng)+系統(tǒng)噴錨支護(hù)，根據(jù)實(shí)際情況布設(shè)。掛網(wǎng)φ8@250，噴層厚10 cm，系統(tǒng)錨桿φ25，L=3.0 m，2.0 m ×2.0 m梅花型布置，施工過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整布置參數(shù)及錨桿方向。二次鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為0.6 m。

樁號(hào)0+125.00～169.90 m為Ⅴ類圍巖段，巖體破碎，穩(wěn)定性差，一次支護(hù)采用噴錨+φ25@500縱橫向鋼筋 +鋼支撐，噴層厚度為10 cm，系統(tǒng)錨桿φ25，L=4.5 m，每個(gè)橫斷面布設(shè)5根錨桿，鋼支撐采用C22輕軌，間距1.0 m。施工過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整布置參數(shù)及錨桿方向，二次鋼筋混凝土襯砌，厚0.7 m。

發(fā)電引水隧洞有巖溶發(fā)育段，該巖溶段的處理措施是在利用襯砌預(yù)留孔對(duì)隧洞圍巖溶洞發(fā)育段進(jìn)行全斷面回填灌漿，灌漿孔深為0.4～0.5 m，灌漿壓力宜為0.2～0.3 MPa，灌注水灰比0.6∶1，回填灌漿可使襯砌外側(cè)形成水泥包裹圈，對(duì)襯砌管片起到加固和防滲作用。灌漿孔要嚴(yán)格施工，封孔材料采用聚合物水泥砂漿，其強(qiáng)度和抗?jié)B等級(jí)或大于等于襯砌混凝土設(shè)計(jì)等級(jí)，砂漿與襯砌混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度≥2.0 MPa。

進(jìn)出口漸變段、斷層破碎帶、地下水豐富洞段二次采用鋼筋混凝土襯砌。襯砌厚度為0.7 m。

鋼筋混凝土襯砌要加強(qiáng)固結(jié)灌漿。固結(jié)灌漿孔深入基巖5.0 m，每排6個(gè)孔，排距3.0 m。隧洞每隔10 m設(shè)一條施工縫，縫中填膨脹橡膠止水條，此外，隧洞在地質(zhì)條件明顯變化處斷層、破碎帶設(shè)置變形縫，縫中設(shè)橡膠止水帶［1］。隧洞頂部要進(jìn)行回填灌漿，回填灌漿的范圍在頂拱中心角120°，每排有3個(gè)孔，排距為3.0 m，深入圍巖10 cm。

5 隧洞襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算

本工程使用理正軟件計(jì)算隧洞襯砌厚度及配筋，根據(jù)地質(zhì)提供的各項(xiàng)參數(shù):①Ⅲ類圍巖K0=20～30 MPa/cm;②Ⅳ類圍巖K0=5～8 MPa/cm;③Ⅴ類圍巖 K0=2～5 MPa/cm;④回填灌漿壓力取0.4 MPa。

內(nèi)水壓力水頭:設(shè)計(jì)洪水位時(shí)H=25.64 m，校核洪水位時(shí)H=29.54。

外水壓力水頭:設(shè)計(jì)洪水位時(shí)H=25.64 m，校核洪水位時(shí)H=29.54。

對(duì)Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖的正常工況和特殊工況分別用理正巖土軟件做配筋計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下:

1)Ⅲ類圍巖:由理正巖土軟件計(jì)算得到在正常運(yùn)行期時(shí)，單側(cè)配筋達(dá)到最大為1569.70 mm2，實(shí)際選用 φ22@200(單位長(zhǎng)度1 m范圍內(nèi))As=1 901 mm2，滿足要求。構(gòu)造筋選用φ16@200。

2)Ⅳ類圍巖:由理正巖土軟件計(jì)算得到在正常運(yùn)行期時(shí)，單側(cè)配筋達(dá)到最大為2 278.4 mm2，實(shí)際選用 φ22@150(單位長(zhǎng)度1 m范圍內(nèi))As=2 534 mm2，滿足要求。構(gòu)造筋選用φ18@200。

3)Ⅴ類圍巖:由理正巖土軟件計(jì)算得到在正常運(yùn)行期時(shí)，單側(cè)配筋達(dá)到最大為2 603.9 mm2，實(shí)際選用 φ25@160(單位長(zhǎng)度1 m范圍內(nèi))As=3 068 mm2，滿足要求。構(gòu)造筋選用 φ18@200［2］。

［1］文恒.當(dāng)巴電站引水隧洞襯砌設(shè)計(jì)［J］.湖南水利水電，2008(04):20-21.

［2］向國(guó)興.大七孔電站引水隧洞襯砌設(shè)計(jì)［J］.貴州水力發(fā)電，2000(02):35-37.

Design and Research of Diversion Tunnel for Qilitang Hydropower Station

LIU Xue-feng
(Guizhou Province Water Conservancy ＆ Hydropower Investigation，Design and Research Institute，Guiyang 550001，China)

The excavation slope of left bank diversion tunnel in Qilitang hydropower station is supported through the use of reasonable slope form in order to be suitable for the geological conditions and stress conditions of rock body.Due to the various reasons，it may result in landslide.Through the analysis of the landslide formation mechanism and stability of rock mass conditions，the feasible technology and reasonable economicmeasures are conducted to reinforce the rock body that is apt to resulting in landslide and ensured the stability of power diversion tunnel in construction process and after reservoir storage.The geological conditions of diversion tunnel is complicated and it goes through Tianguanpo fault which is a breaking rock body，poor stability，through the use of practical support and lining long term stability of construction period and operation period is ensured.

power station;tunnel design;slope design;calculation model;lining reinforcement

TV554

B

1007-7596(2014)06-0043-03

2014-01-06

劉雪峰(1986-)，男，貴州六盤水人，助理工程師，從事水工建筑物設(shè)計(jì)。