透水襯砌對(duì)烏東德水電站尾水洞Ⅳ類圍巖的影響研究

井發(fā)坤，劉鐵峰，王梓帆，王團(tuán)樂，劉沖平

(長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)，湖北 武漢 430074)

0 引 言

尾水洞作為水電站引水發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，進(jìn)行大斷面尺寸隧洞開挖時(shí)，通常導(dǎo)致圍巖卸荷松弛，影響施工安全與進(jìn)度。工程實(shí)踐中，尾水洞開挖后一般立即進(jìn)行噴錨支護(hù)，并在洞室過水前實(shí)施混凝土襯砌，以保證施工期和運(yùn)行期的安全。

目前常采用的混凝土襯砌形式主要包括透水襯砌和不透水襯砌兩種。透水襯砌是以洞室圍巖為主體，襯砌混凝土為透水介質(zhì)，具有平整水流、減小糙率和保護(hù)圍巖等作用[1-2]。與不透水襯砌相比，透水襯砌可以減少錨桿數(shù)量、襯砌配筋量，減小錨桿及襯砌鋼筋直徑，降低施工難度，加快施工進(jìn)度，同時(shí)節(jié)約工程投資。然而，由于Ⅳ類圍巖巖體整體較破碎，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，部分巖體中劈理發(fā)育，地下水活動(dòng)頻繁，圍巖自穩(wěn)能力差，工程上一般采用不透水襯砌形式。目前關(guān)于Ⅳ類圍巖透水襯砌的工程實(shí)例較少，研究Ⅳ類圍巖洞室的透水襯砌適宜性具有重要的工程實(shí)踐意義。本文對(duì)烏東德水電站尾水洞Ⅳ類圍巖洞段透水襯砌的適宜性進(jìn)行研究，既可為尾水洞透水襯砌設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，也可為其他類似工程建設(shè)提供借鑒。

1 工程概況

烏東德水電站為世界第七、中國第四大水電站，總裝機(jī)容量10 200 MW，多年平均發(fā)電量約389.1億kW·h，樞紐工程由大壩、泄洪、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。引水發(fā)電系統(tǒng)左、右岸各布置3條尾水主洞，隧洞總長分別為1 145 m和1 330 m，其中左、右岸Ⅳ類圍巖洞段長分別為241.5 m和784.2 m，占總段長的21.1%和59.0%。

2 工程地質(zhì)條件

圖1 尾水洞圍巖分類示意Fig.1 Schematic diagram of surrounding rock classification of tailrace tunnel

3 透水襯砌對(duì)Ⅳ類圍巖穩(wěn)定影響分析

采用透水襯砌需在保證洞室圍巖穩(wěn)定的前提下，基于圍巖的軟化性、完整性、透水性及結(jié)構(gòu)面特征，分析地下水對(duì)圍巖的軟化情況，以避免洞內(nèi)水壓變化時(shí)水流反復(fù)進(jìn)出圍巖，造成Ⅳ類圍巖的滲透破壞，進(jìn)而影響洞室的長期穩(wěn)定。

3.1 圍巖特性與地下水軟化作用分析

3.1.1 巖礦特征與軟化性

表大理巖化白云巖巖礦特征

表千枚巖巖礦特征

表千枚巖巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果

表極薄層灰?guī)r巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果

3.1.1.4 順雷家灣溝斷層(F15)侵入輝綠巖

(1) 巖礦特征。取輝綠巖樣進(jìn)行巖礦鑒定，成果見表6。從巖礦鑒定結(jié)果可以看出：輝綠巖中不含遇水膨脹礦物，也不含NaCl、KCl、石膏等易溶性礦物。

表6 輝綠巖礦物含量特征

(2) 巖石軟化性。對(duì)輝綠巖做巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)2組(表7)，結(jié)果表明：輝綠巖屬堅(jiān)硬巖，為不可軟化巖石。

表7 輝綠巖巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)

3.1.1.5 地下水對(duì)巖石軟化性影響

3.1.2 結(jié)構(gòu)面特征

(2) 斷層。左岸尾水洞揭露的雷家灣斷層(F15)帶寬15～20 cm(圖2)，帶內(nèi)充填碎裂巖及少量方解石，微風(fēng)化，較堅(jiān)硬，具明顯擠壓現(xiàn)象，不含遇水膨脹礦物。

圖2 F15斷層碎裂巖Fig.2 Cataclastic rock of fault F15

(3) 裂隙。Ⅳ類圍巖洞段裂隙總體不發(fā)育，裂面一般平直粗糙，多無充填或方解石膠結(jié)，閉合或微張，少部分附泥鈣膜或絹云母，極少量有巖屑夾泥填充。裂隙以硬性結(jié)構(gòu)面為主，且多短小。

圖極薄層大理巖化白云巖劈理Fig.3 Cleavage extremely thin marbled dolomite

3.1.3 巖體完整性

3.1.4 巖體透水性

3.2 圍巖滲透破壞分析

3.2.1 定性分析

因此，尾水主洞Ⅳ類圍巖不存在滲流作用下可能滲透變形的破碎帶、卸荷帶(已固結(jié)灌漿處理)、軟弱夾層等，巖體不會(huì)因采取透水襯砌而產(chǎn)生滲透破壞。

3.2.2 半定量分析

巖體的滲透破壞目前尚無相應(yīng)規(guī)范規(guī)程，參考其他工程巖體或結(jié)構(gòu)面滲透試驗(yàn)的滲透破壞水力比降(表8)，其中安全系數(shù)取2，即允許滲透破壞水力比降為臨界滲透破壞水力比降的1/2。由表8可知，無充填裂隙允許滲透破壞水力比降一般為6.0～7.0，全強(qiáng)風(fēng)化帶、擠壓破碎帶、軟弱夾層等的允許滲透破壞水力比降一般為2.0～3.5[11-15]。

表8 巖體工程滲透試驗(yàn)的水力比降

尾水主洞Ⅳ類圍巖以無充填裂隙為主，不存在全強(qiáng)風(fēng)化帶、擠壓破碎帶、軟弱夾層等，且固結(jié)灌漿深度達(dá)8.0 m。因此，尾水主洞Ⅳ類圍巖允許滲透破壞水力比降約為6.0～7.0左右。

大壩蓄水后，尾水主洞段地下水主要來源于山體地下水的側(cè)向補(bǔ)給、尾水洞施工支洞和導(dǎo)流洞中充水的補(bǔ)給。采取透水襯砌時(shí)，尾水洞Ⅳ類圍巖洞內(nèi)外水頭差為36～55 m，實(shí)際水力比降為3.2～4.8。實(shí)際水力比降皆小于尾水洞Ⅳ類圍巖的允許滲透破壞水力比降，尾水洞Ⅳ類圍巖采用透水襯砌不會(huì)產(chǎn)生滲透破壞。

4 透水襯砌優(yōu)勢分析

烏東德水電站尾水洞Ⅳ類圍巖洞段若采用不透水襯砌，所需的鋼筋總量為23 783.7 t；若采用透水襯砌，雖然襯砌厚度不變，但可以減少錨桿數(shù)量及襯砌配筋量、減小錨桿及襯砌鋼筋直徑，所需的鋼筋總量為12 317.2 t。與不透水襯砌相比，可節(jié)省鋼筋11 466.5 t，節(jié)約工程投資8 040.56萬元。同時(shí)，透水襯砌錨桿量及配筋量的減少可以降低施工難度，加快施工進(jìn)度，有利于控制施工質(zhì)量與施工安全。

5 結(jié) 論

為保證大斷面尺寸尾水洞在施工期及運(yùn)行期的安全，烏東德水電站尾水洞開挖后隨即進(jìn)行了噴錨支護(hù)，并在過流前進(jìn)一步對(duì)洞室實(shí)施混凝土襯砌。本文從巖石礦物角度研究了地層中是否存在遇水膨脹礦物，根據(jù)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)成果，分析了該工程Ⅳ類圍巖是否屬可軟化巖石，并通過研究結(jié)構(gòu)面特征、巖體的完整性及透水性，分析了該圍巖洞段采用透水襯砌是否會(huì)產(chǎn)生滲透破壞，得到以下結(jié)論。

(1) 尾水洞Ⅳ類圍巖總體具有不易被地下水軟化的特點(diǎn)，地下水對(duì)圍巖軟化作用輕微；固結(jié)灌漿后Ⅳ類圍巖內(nèi)無地下水易軟化的破碎帶或卸荷帶巖體；圍巖均屬微-弱透水巖體，地下水難以滲入巖體中；圍巖在地下水作用下仍為Ⅳ類圍巖，即地下水對(duì)圍巖穩(wěn)定影響小。

(2) 采取透水襯砌時(shí)，尾水洞Ⅳ類圍巖洞段實(shí)際水力比降皆小于允許滲透破壞水力比降，故采用透水襯砌不會(huì)使圍巖產(chǎn)生滲透破壞。