黑河塘水电站引水隧洞过磨房沟段的处理

梁文杰

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

黑河塘水电站主要由首部枢纽、引水系统、厂区枢纽三部分组成。首部枢纽由3孔泄洪闸、冲沙闸、左右岸挡水坝及进水口组成；引水系统沿河左岸布置，水流经过长约6 443m引水隧洞到达调压室，再经过长约430m、高差158m的压力管道进入位于白水江左岸的地面厂房，发电尾水经引渠流入白水江。

闸址区位于羌活沟口下游800m至磨房沟上游约300m之间的河段上，引水系统的进水口布置在左岸，取水角为105°,在主河床布置3孔泄洪闸，左岸紧靠进水口布置1孔冲沙闸，构成“正向冲沙、泄洪，侧向取水”的引水防沙和泄洪的枢纽体系。设置3孔宽4m的泄洪闸、1孔宽2.5m的冲沙闸，闸底板高程1 738m。闸两侧为重力式挡水坝，最大坝高21.5m。闸坝基础为悬挂式混凝土防渗墙，两岸岩体采用帷幕灌浆。

引水建筑物由进口闸、引水隧洞、调压室及压力管道组成。取水口设置3套拦污栅及回转式清污机，每孔宽4m，高12.5m，进水口底板高程为1 766.00m，孔口高5m，设有1道工作闸门。

引水隧洞全长6 442.908m，末端底板高程为1 735.00m，纵向底坡为0.48%，隧洞断面型式为城门洞形，开挖断面尺寸为5.2m×6.1m(宽×高)，采用锚喷混凝土衬砌和钢筋混凝土衬砌。引水隧洞的施工，设计布置了3条施工支洞及相应施工道路，其中1号、3号施工支洞设为隧洞的检修通道。

调压室型式为水室式，竖井直径7m，高47.3m；上室长200m，上室设交通洞兼补气洞，长度为150m。压力管道采用地下埋藏式钢板衬砌，主管长405.512 m，内径3.7m，支管内径2.2m。

厂房布置于白水江左岸Ⅰ级阶地上，主厂房纵轴线与压力管道主管垂直。副厂房﹑主变室及GIS室均布置在主厂房的上游侧，安装间布置在主机间左侧，尾水渠正向出水与河道相接。厂区交通与九环线旅游公路相接。主厂房尺寸46.62m×18.10m×32.42m(长×宽×高)。

2 隧洞过磨房沟段的工程地质条件

2.1 基本地质条件

引水隧洞自桩号0+850～1+250m穿越磨房沟。该沟为常年流水沟，现代沟床偏右侧，切割深度大，谷坡陡峻，多为基岩裸露；左侧1 860.0m高程地形宽缓，为古冰川冻融泥石流堆积的缓坡平台。隧洞穿越处(0+940m左右)沟底高程1 830m，隧洞底高程约为1 762.5 m，洞段铅直埋深一般为100～110m，最浅埋深63.0m。

据前期地质调查和钻孔揭示，该沟原始沟床为冰蚀槽谷，古沟床偏隧洞下游侧，形态起伏变化大，沟内堆积了厚达80余米的冻融泥石流块碎石土，块径大小悬殊，结构极不均一，块碎石构成骨架，空隙中充填碎屑、角砾及粘质粉土，土体结构较密实。因该段覆盖层透水性强，丰枯地下水位变化大，前期勘察期间正值枯水期，钻进中均不返水，钻孔实测终孔水位普遍较低，各孔地下水位均位于基岩顶面附近，自上游向下游分别为1 782.06m(ZK19#)、1 790.71m(ZK17#)、1815.94m(ZK18#)。建议块碎石土的渗透系数为1×10-2cm/s，强风化强卸荷岩体建议透水率大于100Lu。

隧洞穿越段岩性为黑河组下段第1～3亚层，岩性以砂岩夹板岩为主，岩层产状N35°～50°W/SW∠30°～40°。

2.2 围岩工程地质条件及评价

2.2.1 招标阶段围岩分类预测

前期勘察阶段钻孔揭示，过沟段隧洞埋深63～110m，因覆盖层深厚，上覆基岩厚度最薄处仅14.0m。岩性以砂岩夹板岩为主，洞段围岩风化卸荷强烈，岩体结合度差，地下水活动强烈，裂面普遍中～强锈，充填岩屑和次生泥，按水电围岩分类标准，洞段围岩类别以Ⅳ～Ⅴ类为主。

2.2.2 开挖揭示围岩地质状况及施工临时支护

经开挖揭示，桩号0+850～0+954m段埋深一般为80～160m，岩性以砂岩夹板岩为主，产状N35°～50°W/SW∠30°～40°，走向与洞轴线呈大角度相交，地下水活动不强，局部段有线状渗滴水，裂面多弱～轻锈，属弱风化弱卸荷上部，岩体呈中厚层状结构，局部薄板状结构，以Ⅲ类围岩为主，施工过程中，采取了锚杆、挂网喷护。

遗传算法现已在路径规划方面得到一定的运行效果。但是标准遗传算法搜索空间一般较大，存在过多多余搜索、导致收敛速度慢和运行时间长等缺陷。例如，文献[6]和文献[7]所提的基于栅格地图的改进遗传算法中，当栅格密度较大时，搜索空间达数百数千栅格，有较多冗余搜索，影响算法搜索收敛速度。本文在原有遗传算法的基础上加入弹性网格概念，采用简单独立坐标编码，通过动态变换地图网格密度，减小算法搜索空间；同时，加入自适应变异算子，以加速收敛速度。

桩号0+954～1+067m段埋深一般为100～110m，推测上伏基岩厚度一般为10～15m，最小厚度约为5.0m，岩性以砂岩夹板岩为主，属强风化强卸荷岩体，产状杂乱，地下水活动强烈，开挖过程中多处产生大量涌水(实测最大流量达1 600m3/h)，岩体结合度差，并夹有大量岩屑和黄色次生泥，围岩极不稳定，以Ⅴ类围岩为主。施工中采取了短进尺、弱爆破，超前锚杆、格栅拱架、挂网喷护等措施。在1+038.5～1+048.5m段因掌子面集中涌水、岩体夹泥较厚、结构强度低，顶拱曾发生了高约4～6m的塌方，施工中采取了小管棚、钢拱、挂网喷护，支护后围岩基本稳定，未产生大的变形；1+061～1+067m段因地下水活动强烈，岩体结构松弛，多呈块夹泥状，开挖过程中掌子面大量涌水，外侧出现明显的张拉裂隙，并有大量的碎块、碎屑及夹泥涌出，并随之塌方，塌方高达8～10m。施工中采取了大管棚、加密钢拱及挂网喷护，支护后围岩基本稳定，未产生大的变形。

桩号1+067～1+100m段岩性以中厚层砂岩为主，产状N35°～50°W/SW∠30°～40°，走向与洞轴线呈大角度相交，裂面多弱～中锈，岩体呈中厚层状结构，洞段地下水活动较强烈，普遍渗滴水，部分段呈股状射流，围岩不稳定，以Ⅳ类围岩为主。

3 隧洞衬砌结构设计

3.1 隧洞衬砌结构的调整

根据该段开挖及施工临时支护实际断面资料，此段仍有部分段底部未开挖至设计高程，实际开挖中心线与设计中心线存在偏差，且该段围岩破碎，渗透水丰富，若要求按设计布置开挖，施工难度较大，对工期影响较大，为方便施工，对(隧)0+688.77～1+100m的永久结构设计作如下调整：

(1)由于隧洞(隧)0+945.00～1+100.00m段的围岩破碎，地下渗透水丰富，该段隧洞开挖的实际中心线与原设计有较大的偏移，在该段隧洞转点处改为小角度折线相联。

(2)为降低隧洞底板开挖及永久支护施工难度，以及与隧洞原底板纵坡平顺衔接，将该段底板纵坡作分段调整。由于隧洞临时支护较强，开挖及支护断面比设计要求的有所减小，故对该段永久衬砌断面作相应调整，以确保衬砌厚度不小于60cm。

(3)对该永久衬砌段边、顶拱周边可能存在的空腔地段(尤其是施工开挖中曾出现塌方、冒顶的地段)进行地质雷达检测，以加强边、顶拱回填灌浆和接触灌浆处理。

(4)隧洞底板岩体极度松弛，结构极不均一，开挖后有不同程度的松弛回弹，底板清基难以彻底，为改善底板岩体的不均一性，增强其整体性，避免出现不均一变形，适当加深0+978～1+038.5m段底板固结灌浆深度。

3.2 结构计算原则及假定

此段隧洞混凝土衬砌断面为半圆拱城门洞形，结构计算采用DL/T 5195-2004《水工隧洞设计规范》推荐的非圆形隧洞衬砌计算方法即边值法进行，按可靠度计算。

考虑到本段衬砌外部边界为由钢拱支撑、钢筋拱架、喷混凝土、岩石锚杆等组成的临时支护层，在计算中未计围岩的弹性抗力，取值为0.001MPa/m以满足计算程序收敛条件，施工中对衬砌体顶拱进行回填灌浆、边墙接触灌浆、底板固结灌浆，以满足衬砌与围岩接触条件。

计算衬砌结构取典型断面，厚度取最小厚度60cm，混凝土强度等级C20，钢筋为Ⅱ级。

因洞段上伏覆盖层厚度大，透水性强，丰枯地下水位变化大，前期勘察期间正值枯水期，钻孔实测终孔水位普遍较低，为保证围岩衬砌有足够的安全裕度，外水压力采用磨房沟沟床1 830.0m高程与隧洞顶拱差作为计算水柱高(水头约63.0m)，折减系数0.85，建议设计外水压力为55.0m。

3.3 计算荷载及工况

①内水压力：23m；

②外水压力：55m；

③山岩压力；

④衬砌自重。

承载能力极限状态作用(荷载)效应组合：

正常水位运行工况： ①+③+④

隧洞放空检修工况： ②+③+④

3.4 计算成果

3.4.1 基本参数

隧洞为城门洞形，净尺寸为4.4m×4.6m(宽×高)，衬砌厚度为60cm。电站正常运行时，作用水头为23m；检修工况时，外水压力最大为55m。

3.4.2 计算成果(见表1、2)

表1 隧洞正常运行工况(内水压力23m)

表2 隧洞检修工况(外水压力55m)

由于该段隧洞地质条件差，外水压力大，根据计算成果，采取较大配筋以确保该段结构安全。

4 电站初期运行安全性评价

4.1 衬砌钢筋混凝土的检测分析

根据对已衬砌钢筋混凝土的检测成果，地质雷达监测的衬砌混凝土平均厚度为70cm，最小厚度为58cm，钢筋布置基本满足设计要求。混凝土强度回弹议检测成果平均为21.5MPa，达到设计要求。

隧洞正常运行时，此段内水压力为23m，岩石最小覆盖厚度17m，满足《水工隧洞设计规范》中对岩石最小埋深的要求，且外水压力高于内水压力，不存在内水外渗问题。

4.2 初期运行安全性分析

隧洞充水试运行时，由于隧洞内水压力的抵消作用，外水压力强度有所减少，使衬砌结构处于有利组合状况，衬砌强度及变形满足设计要求。将该段隧洞由较大的股状渗水排入洞内，以利于完成隧洞衬砌外缘的接触灌浆、固结及回填灌浆工作，降低灌浆过程中因外水压力影响施工难度，保证灌浆质量，加快灌浆施工进度。从2006年4月隧洞开挖至2006年10月25日浇筑混凝土完成，在(隧)1+020、1+028及1+058m处有三股较大的股状水，其中1+058m处股状水直径约15cm，压力0.3～0.4MPa，其它渗水部位均为股状、线状及滴状渗水，水质清澈，无岩石颗粒渗出，说明外水内渗在短期内带走的软弱颗粒过程已基本结束，在较大渗水点未见新的围岩塌落被渗水带出，局部存在的一些排水通道不至于在短期内造成围岩的渗透破坏。目前隧洞衬砌完好稳定，因此，根据地质部门建议及专家意见，在试运行期间对该段衬砌顶拱的3处集中出水孔在电站运行初期不进行封堵，以加快施工进度，确保按时发电。在初期运行期间此段隧洞衬砌混凝土强度及变形达到设计要求，隧洞衬砌结构可保证运行期间的安全。待运行一段时间(如2～3年)后放空检查，根据检查状况再研究对较大的3股渗水是否采取封堵措施，或对磨房沟水采取拦、截、导、排的工程处理措施。

自2006年12月19日电站正式发电投入商业运行，至今一直正常运行。