巴拉水電站首部樞紐導流洞坍塌冒頂處理

楊 宏 昆, 王 坤 雷, 許 紅 軍, 夏 俊 江

(四川省清源工程咨詢有限公司,四川 成都 610072)

1 電站概況

巴拉水電站位于馬爾康市境內,系大渡河干流水電規劃“3庫28級”自上而下的第2級水電站,位于東源主干流腳木足河上。電站于2007年啟動了勘察設計工作,2016年12月完成可行性研究報告,2018年3月核準批復,2020年12月正式開工建設。

電站采用混合式開發,開發任務為水力發電并兼顧減水河段生態用水需要,壩址位于日部鄉色江吊橋下游約2.2 km處,經右岸引水至日部吊橋上游約3.9 km處建地下廠房發電。電站為二等大(Ⅱ)型工程,由首部樞紐、引水建筑物和廠區建筑物等組成。首部樞紐攔河面板堆石壩大壩高138.0 m,引水有壓隧洞長6.9 km,地下廠房裝機3×240 MW,尾水有壓隧洞長1.7 km。

根據工程的布置特點、河道水文特性以及壩址區的地形地質條件,采用斷流圍堰、右岸隧洞導流方案。導流標準采用20年重現期作為導流建筑物的洪水設計標準,相應洪水流量為1 920 m3/s。

導流洞布置在右岸,過水斷面尺寸為10.0 m×11.6 m。進口底高程2 809.00 m,出口底高程2 797.00 m。洞身全長982.761 m,底坡i=0.012 2。全斷面鋼筋混凝土襯砌,襯砌厚度0.6～1.0 m,初期支護根據圍巖類別不同采用系統或隨機噴錨支護。

上游圍堰采用復合土工膜心墻土石圍堰。圍堰上游設計洪水(20 a一遇)水位為2 850.25 m,考慮波浪爬高并計入安全超高,堰頂高程取為2 852.00 m,最大堰高45.0 m,堰頂長度約172.0 m。

下游圍堰堰型與上游圍堰相同,圍堰頂高程2809.00 m,最大堰高10.0 m,堰頂長度約56.0 m,頂寬度根據交通要求取為8.0 m。

2 導流洞前段冒頂過程

2.1 2014年掘進回塌及處理

2014 年9月9 日,掘進至導0+034樁號Ⅴ類圍巖段時,在已完成上層開挖和初期支護導0+046～0+034段頂拱發生回塌。沿平行于洞軸線方向鉆孔探測表明,塌腔最高邊緣高程約2 837.00 m,呈不規則錐體分布。推測空腔頂部上覆巖體埋厚度約30.0 m,空腔長軸最大12.0 m,最大高度約15.0 m,導流洞塌腔探測示意圖見圖1。位于導0+045斷面從頂拱中心至左側洞壁,分布一條寬約3.0 m的風化囊,呈全、強風化狀,近乎垂直于水流方向,陡傾向南(下游),至樁號導0+037時風化囊基本消失。

圖1 導流洞塌腔探測示意圖

塌方發生后,采用施作管棚和分層邊開挖邊襯砌等綜合措施,對頂拱坍塌段及受到影響的毗鄰下游變形段進行處理,形成安全穩定襯砌結構。之后,開始頂拱塌腔回填混凝土,至2015 年8 月30 日結束。回填的頂拱覆蓋混凝土厚度0.50～1.36 m,平均厚度1.14 m。2017年12月啟動灌漿施工,至2018 年1 月塌方段第一段灌漿基本完成,工程由于外部原因停工。

2.2 2018年出現冒頂

2018年5月首次發現塌腔地表塌陷冒頂。至2020年12月主體工程正式開工和導流洞剩余工程啟動,才正式對塌陷段進行洞內表觀查檢。總體上,內襯表面無開裂和剝離明顯變形現象。主要表現為在混凝土接縫處可地下滲出,特別是靠山內側洞壁拱肩處水平向接縫普遍見有鈣膜淅出,并見滲水;拱頂接縫有滲水及鈣膜淅出。

2.3 洞段處理的必要性

雖洞段混凝土頂拱一直穩定、無新的變形和裂縫,但由于該洞段在導流洞下閘后至封堵段完成一段時間要承受約45.0 m的外水壓力,而頂拱有效混凝土厚度僅約2.0 m,若頂拱以上散粒體不能形成可靠自穩,一旦形成山巖壓力,洞段就存在被擊穿的風險。同時,由于巴拉導流洞將從2021年11月截流后開始通水直至2014年11月下閘蓄水,一直承擔施工規劃的前期導流任務約3年時間,期間該洞段仍存在一定的安全風險,因此,于2021年1月啟動了洞段處理的勘察設計工作。

3 塌方洞段地質條件及性狀分析

3.1 洞段塌方的原因

塌方段處于導流洞進口淺埋段,上覆巖體厚約40.0～50.0 m,巖體風化強烈,結構面多充填巖屑和次生泥等,裂面普遍嚴重銹蝕,結構較松弛,在樁號0+34～0+60洞頂順洞向分布1條陡傾的全風化夾層和近1條南北向陡傾的風化夾層相交于樁號0+036附近,兩條風化夾層均有3.0～4.0 m寬。由此該段圍巖穩定性極差,致使隧洞開挖后發生塌方。

3.2 塌腔形態及性狀分析

根據地表塌陷坑尺寸及初期探測結果:(1)塌陷坑最低邊緣高程2 860.00 m,最高2 876.00 m,邊坡坡角度43°,坑底口寬4.0 m,長8.0 m,利用無人機成像建立三維模型,并采用多斷面平行計算法進行估算,該塌陷坑體積約為750 m3。(2)初期坍塌空腔的估算:空腔長軸最大12.0 m,洞寬12.6 m,估測最大高度約17.0 m,塌腔斷面約140 m2。依據斷面法估計空腔體積約為1 680 m3。(3)初期塌腔頂部至坑底巖柱體積估算:初期最大塌腔高程2 837.00 m至塌陷坑底巖柱高約23.0 m,地表坑底面積約32 m2,體積約735 m3。結合較為落實的初期空腔回填約130 m3,則洞段頂拱襯砌上存在空腔體積估算值約為:初期最大塌腔體積估值1 680 m3-塌坑體積750 m3-回填混凝土130 m3=800 m3根據塌陷坑出露位置與導流洞塌方段位置的比較,其塌腔形態總體向小樁號略微傾斜,且為上部面積稍小下部面積稍大的不規則柱體。

3.3 地震CT物探測試成果

為查明巴拉水電站導流洞進口段巖體質量和坍塌體的形狀及影響松動的范圍,對導流洞進口段(樁號:0+004～0+120)進行了地震CT勘察檢測,共布設3條剖面。

結合本次物探地震波速反演等值線圖分布對比可研聲波結果分析認為:(1)導流洞進口段樁號0+000～0+140范圍內圍巖條件差,以Ⅴ類為主,少量Ⅳ類,應做好襯砌后的固結灌漿工作。(2)塌腔形態總體向小樁號略微傾斜,且為上部面積稍小下部面積稍大的不規則柱體,塌腔內基本上已被松渣填滿,垮塌體波速主要在800～1 600 m/s左右,結構松弛。(3)根據WT2地震CT剖面檢測,導流洞左側(山外側)巖體,除頂部塌方段巖體波速低外,側壁在樁號0+020～0+110段內波速低,應做好襯砌后的固結灌漿工作。WT2剖面地震CT波速反演等值線見圖2。

圖2 WT2剖面地震CT波速反演等值線

4 處理方案擬定及分析計算

4.1 處理思路分析

根據巴拉導流洞襯砌結構設計,建筑物級別為Ⅳ級,對應結構安全級別為Ⅲ級。承受的荷載主要有襯砌自重、山巖壓力,內水壓力、外水壓力和灌漿壓力。運用工況主要有施工工況、過流工況和下閘工況,不同工況荷載組合不同。針對各類圍巖類別、不同工況下進行試算的結果表明:堵頭上游段,下閘工況所承受荷載最大,為控制工況,堵頭下游段(含堵頭段),施工工況所承受荷載最大,為控制工況。

坍塌段屬于堵頭上游段,圍巖類別Ⅴ類,下閘工況時荷載組合為襯砌自重+山巖壓力+外水壓力,堰前水位2 853.55 m,外水最大壓力0.45 MPa,在設定固結灌漿達到設計要求前提下,計算考慮外水壓折減系數0.6。永久鋼筋混凝土襯砌厚1.0 m,洞周固結灌漿入巖6.0 m、間排距3.0 m,頂部設回填灌漿孔[1]。導流洞襯砌典型斷面見圖3。

圖3 導流洞襯砌典型斷面圖

施工階段,洞段鋼筋混凝土襯砌僅受到“灌漿壓力+襯砌自重+山巖壓力(坍塌散粒體)”作用,無外水壓作用。由于頂拱上部圍巖坍塌,原來預設的山巖壓力發生改變,即設定山巖壓力的“塌落拱圈”(初期塌腔)未能穩定,以致塌腔上部“散粒體”再次塌陷形成二次“塌落拱圈”。頂拱混凝土襯砌結構一直穩定,無新的變形和裂縫,可以判斷該二次“塌落拱圈”基本穩定,散粒體壓力高度與一次塌落拱基本相當,約15.0～20.0 m巖土柱高壓力。因而,采取對坍塌體進行自流或低壓固結灌漿,提高散粒體的整體性、密實性和自穩性,穩定和降低二次塌落拱高度、盡量減小塌落散粒體壓力高度是工程處理的首要手段。

在導流洞下閘后至封堵段完成一段時間,坍塌洞段將承受約45.0 m的外水壓力,頂拱以上坍塌散粒體架空嚴重,若無固結灌漿處理情況下,基本是完全透水,也即原設計考慮的0.6外水折減系數將增至1.0,考慮最不利空腔散離體的浮容重,原設計1.0 m厚鋼筋混凝土襯砌將不可能承受比原荷載大的荷載。因而,需要考慮在目前設計鋼筋混凝土襯砌結構的基礎上增加“二襯”或“三襯”以承載可能增大外水荷載壓力。在頂拱襯砌上的約1.14 m厚的同級配回填混凝土可視為“二襯”,但有效結構厚度僅約1.0 m。

與此同時,按照隧洞設計規范要求,也是隧洞結構襯砌設計計算條件,需要對襯砌外的巖體或散粒體進行回填灌漿和固結灌漿,即在襯砌外形成致密穩定,具有一定強度和弱透水性的6.0～10.0 m范圍的襯砌外拱圈結構。該拱圈結構一方面形成較好的阻水圈,有效降低結構承受的外水壓力,使外水折減系數滿足設計計算條件;另一方面,能形成襯砌以上6.0～10.0 m的近似深梁結構[2],支撐坍塌散粒體的壓力,對坍塌散粒體“塌落拱”再次失穩起到二次支撐保護作用。

綜上分析,總體對坍塌體洞段的處理思路可以概括為“增設洞段內襯、固灌襯砌外圈、回填塌坑空腔”。

4.2 加固內襯后的結構試算

采取與原結構設計相同《水工隧洞設計規范》[3](NB/T 10391-2020)基本計算原則和標準,即:正常使用極限狀態設計時按限裂要求設計,荷載組合下導流洞襯砌的最大裂縫寬度允許值為0.30 mm。下閘工況為控制工況,最不利荷載組合:襯砌自重+山巖壓力+外水壓力(堰前水位2 853.55 m)+上覆散粒體自重。計算斷面為城門洞型式,凈斷面尺寸為10.00 m×11.60 m(寬×高),直墻高8.70 m。

計算中對于洞頂以上散離體厚度結合塌體性狀仍假定一定高度以上塌體能形成自穩塌腔,塌腔內散粒體為作用于襯砌頂荷載,初擬高度分別為10.0 m、15.0 m和20.0 m, 加固內襯后結構計算成果見表1。

表1 加固內襯后結構計算成果表

分析計算結果:當塌腔段洞室結構在原襯砌厚度1.0 m基礎上內加襯0.5 m,即計算襯砌厚度為1.5 m時,可抵抗0.45 MPa外水壓力及15.0 m高度的散粒體,此時,內加的50 cm襯砌需在邊頂拱配5根C28鋼筋,底板配9根C28鋼筋,并在底板加設C25錨筋,錨筋長3.0 m,外露0.5 m與受力鋼筋相連,鋼筋應力及裂縫寬度均滿足要求。

4.3 坍塌段綜合處理方案

根據上述處理思路分析和計算,擬定塌腔處理方案(表2)包含:塌體回填[4]、塌段內襯、回填灌漿和固結灌漿[5]四項工程措施,以及各項措施對荷載效應的作用。

表2 塌腔處理方案表

4.4 加固內襯水力學復核

原導流洞設計流量系數0.623,增加30.0 m長和0.5 m厚內襯后,流量系數變小0.604,在20 a一遇上游圍堰堰前水位有所抬高,相應圍堰頂高程取2 853.00 m,較招標階段抬高1.0 m。加高采用L型鋼筋混凝土防浪墻,墻高1.0 m,布置于圍堰頂上游側,通過延長復合土工膜,將膜埋入L型防浪墻底板混凝土中。

4.5 坍塌處理費用估算

根據導流洞坍塌段處理方案,以“招標概算”為基礎,本導流洞坍塌處理工程費用估算為378.32萬元,其中:導流洞加固工程336.89萬元、上游圍堰加高工程5.15萬元、加固段安全監測工程14.87萬元、基本預備費21.41萬元。

5 結 語

近幾十年來,隨著隧洞設計和施工技術的不斷創新,超大斷面無壓輸水隧洞在水電和水利項目中得到廣泛應用。隧洞通常沿河向布置于岸坡山體內,由于受地形條限制,首部進口段、尾部出口臨河側向和上覆巖土均淺埋,地質條件較差,洞段坍塌冒頂時有發生。

本次塌方冒頂處理過程有幾個方面經驗值得總結:一是事件主因是大斷面隧洞淺埋段遭遇不利地質條件造成洞段塌方,而塌腔形成后沒有予以重視并及時有效回填塌腔,以致腔體高度繼續延伸直至冒頂;二是采用地震波物探對查明塌方冒頂的范圍及塌腔性狀,為襯砌洞頂塌腔散粒體荷載假定提供依據;三是方案設計遵循常規規范的基本計算原則和標準,但創新性地建立了塌腔上部散離體荷載模型假定,即可能散離體高度和散粒體浮容重為施加襯砌頂荷載假定,并通過模型分析確定“內襯、固灌和外填”的有效處理方式。