水電站導流洞開挖技術難點處理

摘 要：隨著人類對電的需求增加與自然資源的逐年減少，新型發電技術不斷被人們所采用。風電、水電將成為電力系統的主要發展方向。導流洞作為水電站的一個關鍵部分，它的開挖工作與水電站所處的地形、氣候等因素密切相關。由于有些水電站地形復雜、氣候惡劣，施工當中存在不少安全問題，以至于對導流洞開挖技術要求很高。文章將以新疆察汗烏蘇水電站為例，簡述一下目前水電站導流洞開挖技術的難點及其處理措施。

關鍵詞：水電站；導流洞；開挖技術；難點處理

工程實例：新疆察汗烏蘇水電站屬于開都河中游河段水電規劃中的第七個梯級水電站，位于巴音郭楞蒙古自治州和靜縣的區域內。其導流洞位置在開都河左岸，洞身總長度為537.974米，成型的洞斷面7.5×10平方米，洞口呈城門狀，上下游設置的建筑物有進水口、進出口明渠以及閘門井等。可見其地形之復雜，施工之困難。通過對施工工藝的優化以及施工技術提高，設計出了一套合理的方案來解決以上難點極為重要。

1 開挖導流洞所面臨的問題

1.1 復雜的地質構造

1.1.1 導流洞的整個洞體較薄，洞口處厚度僅有20米。并且洞體部分多位于南天山大斷裂帶的影響范圍之內，巖石結構以破碎結構為主，巖體具有較差的完整性。導流洞的結構面風化嚴重，巖體由于經過多次構造應力疊加和陡傾結構面切割，形成了不穩定結構，因此總體地形條件較差，且容易塌方。

1.1.2 豐富的地下水。導流洞的出口位于開都河的水面下方，并且基巖裂隙水發育，這無疑對開挖安全與開挖質量造成極為嚴重的負面影響。為滿足導流隧洞的質量要求，僅僅采用普通的開挖爆破技術是不行的，所以需要開發一種新的爆破方法以及質量控制體系。

1.2 施工技術難點

在開挖過程中技術要求的難點問題主要有以下幾點：導流洞內部開挖起伏值應控制在10cm以內；殘留炮孔的痕跡需在開挖輪廓面上呈均勻分布；相鄰兩炮孔之間的巖面應保持平整，同時兩茬炮之間的預留裂爆破孔或者臺階之間的最大外斜值需控制在5cm以內；洞內開挖的半孔率要求能在85%。以上技術問題都給該工程導流洞的正常施工帶來了一定的難度。

1.3 工程工期緊，施工強度大

察汗烏蘇水電站的導流洞開挖工程相較其他工程，不僅施工準備時間較短，而且開挖的工期緊。在工程施工的高峰時期，施工強度更是高達兩萬立方米/月。

1.4 惡劣的氣候環境

此導流洞開挖時正處冬季，當地平均氣溫在零下20攝氏度。此次低的溫度給施工帶來了極大的壓力，提高了管理上的成本。

1.5 安全隱患

由于前面所提到開挖處的地形條件差，在爆破力的影響下，極易發生塌滑事故。所以施工的安全問題突出，應采取有效措施保護施工人員的安全。

2 導流洞開挖技術難點處理

2.1 洞口爆破

在水電工程中精細爆破尚未完善，仍處于探索階段。目前，精細爆破體系主要包括了定量設計、精心施工、科學化管理和實時監控這四個方面。而其中定量設計和精心施工在洞口爆破過程中更是重中之重。定量設計要求施工前需根據設計規范要求量化設計，并在隧洞開挖過程中按照實際地質結構和巖石類型的不同選用適宜的爆破參數。精心施工要求在施工過程當中，則應以精心、細致為原則，嚴格控制。

針對導流洞復雜的地形地質與題突出的安全問題，項目部門應將洞口和洞臉的開挖和爆破處理作為設計的重點進行處理。首先在開挖之前，為保證洞臉具有一定穩定性，應按照設計要求和洞臉部分巖石類型與地質結構的實際情況，沿著洞口拱部周邊設置兩排超前錨桿。要求第一排錨桿的環向間距為40cm，距離洞口輪廓線約3m左右，第二排錨桿環向間距為80cm，距離洞口輪廓線在80cm，且要求孔向垂直巖石面的角度為向上30°。其次，在導流洞洞室附近進出口8m的距離使用導洞開挖的方式，并在周邊預留出1.5m的距離以方便二次爆破。為保證爆破質量，在開挖過程中使用密孔、淺孔和少藥量的方式進行洞口爆破，每次爆破循環的進尺距離為1m。同時為保證洞口的穩定，在進行二次光爆后，應架設鋼支撐以便支護。

2.2 洞室的開挖

在該工程中為滿足洞室開挖的技術要求，應重點優化爆破系數和掏槽技術，并通過對循環進尺的改進，以實現對洞室的迅速和高質量的開挖。

2.2.1 爆破系數的優化。在常規工程的鉆孔爆破中，應采用楔形掏槽單式進行孔洞的布設，鉆孔的傾角通常在20°～25°之間。該工程中為加快工期，增加了循環進尺因此常規孔洞的布設方式并不適宜。為實現良好的爆破效果，應對鉆孔爆破系數進行優化，具體可使用復式楔形掏槽的方式，即在凝灰巖洞段設置兩排掏槽孔，鉆孔的傾角為40°～50°，并對孔排距和孔深進行相應的調整。工程實踐證明，通過該方式的爆破系數的優化，取得了較為良好的爆破效果。

2.2.2 掏槽技術的優化。常規工程中普遍采用了直孔掏槽的方式。該工程為滿足工期和技術難度要求，采用了楔形掏槽的方式，效果良好。

2.2.3 循環進尺的改進。常規導流洞開挖在循環進尺上的要求在II類圍巖、III類圍巖和IV類圍巖上，分別為3m、2m和1.5m，并按照分區和導洞開挖的方式進行。該工程中，根據工程實際需要對導流洞的地質情況、巖石類型以及爆破振動參數等進行了細致的勘察研究，在上半洞的III類圍巖和IV類圍巖的循環進尺上分別采用了3m和2.5m，在下半洞的II類圍巖、III類圍巖和IV類圍巖的循環進尺上分別為5.5m、4m、4m，工程實踐證明，通過循環進尺的改進，導流洞的洞室開挖取得了良好的效果。

2.3 地下水的解決方式

根據進、出口明渠的具體地質特點，采取擋水和排水這兩種方法解決地下水豐富的難題：

2.3.1 擋水的方式。主要通過在導流洞的出口處，設置粘土心墻圍的方式，墻圍的頂面高度與水面平齊，頂寬2m，底面高度超過基礎建面約1m，底寬1m。同時還應在出洞口和進洞口各設置一個巖坎，以此形成向洞內的斜坡作為交通通道。

2.3.2 排水的方式。主要通過離心泵和潛水泵進行地下水的排放，在導流洞上游段可直接排放到河水中，導流洞的下游段則應先抽排到出洞口的明渠泵坑內，再排放到河水中。該工程中共計使用約30臺潛水泵和5臺離心泵進行地下水的排放，為洞內的正常施工建設創造了良好的工作環境。

2.4 支護措施

在對導流洞的洞室開挖過程中，為保證施工安全，應采取必要的支護措施。

2.4.1 在洞室開挖初期，支護措施可采用柔性支護的方式。即對洞室的圍巖部分采用柔性支護，使圍巖結構既可保證具有一定的收斂變形，也同時將收斂變形程度控制在一定的范圍以內。柔性支護的良好應用使得圍巖結構、噴混凝土以及錨桿能夠成為一個共同的承載環，以起到盡快穩定圍巖結構，保證施工安全的重要作用。

2.4.2 在洞室開挖趨于穩定后，需對洞室的收斂變形進行有效監測，可按照工程設計要求在每隔50m處使用全站儀監測。按照監測結果，可采取系統錨桿、二次噴混凝土、鋼支撐等多種適宜的支護措施，以滿足洞室開挖的安全需要，要求支護時機和支護措施的選擇形式要滿足相應設計規范要求。

在對斷層破碎帶施工過程中，為保證施工安全，應采用一掘一支護和穩步前進的方式，即先在開挖循環結束后噴射混凝土，然后采用掛網和錨桿等支護措施，當噴射混凝土的厚度達到設計要求后，再進行循環掘進。如果導流洞圍巖結構穩定性非常差時，在爆破工程結束后應立即采用混凝土進行巖面的封閉，當出渣后再采用掛網和錨桿等支護措施，必要時還可采用鋼支架來加強工程施工過程中的支護能力。尤其對施工過程中一些露出較大的斷層洞段，可先利用超前地質探測孔或者開挖探洞等先進的技術手段對巖脈和斷層的位置、影響范圍以及產狀等進行準確探明，然后有針對性采用有效、安全的支護措施與施工方案。

3 工程總結

該水電站導流洞工程上游部分和下游部分的開挖時間分別為2004年12月20日和2005年1月20日，并于2005年5月20日順利竣工驗收。通過近5個月的施工努力和對相應開挖技術難度的良好處理，整體貫通時間滿足了工期要求，并比合同工期總共提前了約11天結束。整體工程在施工過程中嚴格按照相應設計規范要求進行，沒有出現任何施工安全問題。導流洞工程洞身開挖共計22個單元，全部符合要求，合格率為100%；其中優良單元18個，優良率高達到81.8%。

4 結束語

通過以上分析可知，針對察汗烏蘇電站復雜的地形條件，強大的施工難度這一問題，水利部已經摸索出了一整套有效的施工方法，這種方法不僅可以保證施工期間的質量安全問題，還大大提升了施工的進度，在實際應用當中取得了不小的效果，同時對類似水電站開挖導流洞工程具有極大的借鑒作用。

參考文獻

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