鱼剑口电站引水隧洞优化设计

2023年12月31日发(作者：驾驶员心理)

・２・　四川水利　２０１０．Ｎｏ．６　鱼剑口电站引水隧洞优化设计　姚世宏　，项庆伟　（１．四川安和水利水电ｘ．ｆｉ＿ｃ＿有限公司，成都，６１０２１３；　２．重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆，４０００２０）　【摘要】鱼剑口电站引水隧洞长７７６２．７５ｍ，为内径６．２ｍ的圆型有压隧洞，设计内水压力０．１ＭＰａ一０．４８ＭＰａ。隧　洞围岩主要为灰岩，洞线处于强岩溶地区，跨越５条地下岩溶管道，致使工程地质条件比较复杂。设计时分析了岩溶地　区有压隧洞衬砌设计的特点，针对不同洞段的地质情况选用不同的衬砌形式，并对施工中遇到的特殊问题作出了相应的　处理设计。为电站的顺利发电创造了条件。　【关键词】鱼剑口电站引水隧洞岩溶反缝处理　１　工程概况　鱼剑口水电站位于重庆丰都三建乡与安宁乡　境内，是长江右岸支流——龙河最后一级梯级电　站。电站为建坝壅水与长隧洞引水混合式开发，　主要建筑物有拦河坝、进水塔、引水隧洞、调压井、　电站厂房等，装机容量３　ｘ２０ＭＷ。　引水隧洞是本工程重要引水建筑物，自取水　口至调压井全长７７６２．７５ｍ。隧洞设计洞径　６．２ｍ，混凝土衬砌厚度０．３ｍ～０．６ｍ，隧洞底板高　量１０２ｍ　／ｓ，设计内水压力０．１ＭＰａ～０．４８ＭＰａ。　施工采用“钻爆法”，引水隧洞穿越的岩层以灰岩　为主（７０％以上），岩溶较发育，其次为泥灰岩、泥　（页）岩、砂岩。施工中，灰岩洞段出现７处岩溶　大量涌水，泥（页）岩、泥灰岩洞段有较大的塌方，　部分地段拱架变形，给施工带来一定困难。　该工程于２００１年８月开工，２Ｏ０４年ｌ０月５　日下闸蓄水，经过７２ｈ运行、放空检查情况良好，　并于２００４年１０月２５日正式并网发电。　程为２３７．８０ｍ一２２０．５５ｍ，最大埋深８４０ｍ，引用流　图１　鱼剑口水电站枢纽总体平面布置　２地质条件　２．１地形地貌。施工区属中山地貌，中部最高　山岭——方斗山山脊（背斜），海拔高程１ｌＯＯｍ一　１２００ｍ，河床高程为２３０ｍ～１７０ｍ，相对高差　ｌＯ００ｍ左右。山脊走向为北东３０。～４０。，两侧呈　现“山”字形阶梯，中间高两翼低。区间内沟谷深　切，谷内常见基岩滩地和跌水，覆盖较浅。河流、　沟槽和山系走向受构造控制。　２．２地层岩性。引水隧洞穿越一套古生界二　迭系下统（Ｔ１）一中生界三迭系上统（Ｐ３）地层，大　致可分为三种岩性洞段：灰岩段、岩屑砂岩段、泥　灰岩及泥（页）岩段。隧洞进口处为三迭系须家　

２０１０．Ｎｏ．６　四川水利　・３・　河组（ｒＩ３　ｘｊ）岩屑砂岩洞段，地层最新；隧洞上、下　游为雷口坡组（Ｔ２Ｌ）泥质灰岩、泥页岩段；隧洞中　部为灰岩段，地层为嘉陵江组（Ｔｌｊ）、飞仙关组　（Ｔｌｆ）、长兴组（Ｐ２ｃ）、毛口组（Ｐ１ｍ）、龙潭组　（Ｐ２Ｌ）、栖霞组（Ｐ１ｑ），最老地层为二迭系下统栖　霞组。引水隧洞横穿方斗山背斜，共穿越八大岩　组，两翼地层基本对称一致。　２．３地质构造。本区基本烈度为ＶＩ度。方斗　山背斜为本区的单一构造形迹，背斜轴部与山脊　一致。在工区内，背斜东南翼（隧洞上游）岩层较　陡，产状为ＮＥ２０。～５５。、ＳＥ　３５。～６５。；西北翼　（隧洞下游）岩层较缓，产状为ＮＥ２０。一４０。、ＮＷ、　３Ｏ。～５５。。核部岩层有明显挠曲，洞内层面不　明显，局部近直立。洞内主要发育４组裂隙：①　ＮＥ２０。～５５。ＳＥ或ＮＷ　３Ｏ。～６５。层间裂隙；②　ＮＷ２９０。一３３０。、ＳＷ或ＮＥＬ７０。一８５。。③ＮＥ７０。　～８０。、ｓＥ或ＮＷ／＿．６０。～８０。。＠ＮＷ２７０。～２８０。、　ＳＷ或ＮＥＬ６５。～７０。，层间裂隙较发育。　２．４岩溶。本区碳酸盐类岩石分布广泛，表面　的溶沟、溶槽、溶蚀裂隙不明显或发育较浅，落水　洞、漏斗，水平方向溶洞及暗河数量不大。岩溶主　要分布于背斜轴部及北西翼，出露高程多在２２５ｍ　一２３０ｍ；背斜轴部西北翼的“雪玉洞”规模较大，　长约十几ｋｍ，高或宽１０余ｍ，洞内钟乳石发育奇　特，现已开发为旅游景点。　洞内岩溶主要发育在背斜两翼的嘉陵江组和　轴部的茅口组～栖霞组，溶蚀类型为溶蚀一构造　和溶蚀型，形态以溶蚀裂隙、蜂窝状溶孔为主，其　次为溶洞、溶蚀破碎。最大溶洞为背斜北西翼嘉　陵江组第四段（Ｔｌｊ４）Ｋ７＋２３５ｍ处＋６ｍ左右，充　填粘土，无水；（Ｔｌｊ１）Ｋ６＋５００ｍ处４３．５ｍ溶洞，　大量涌水；Ｋ４＋７６７ｍ处溶蚀裂隙，右壁宽０．６ｍ，　雨季大量涌水。　２．５水文地质条件。工区内雨量充沛，多年平　均降雨量为９００ｍｍ左右，且集中于４～９月份。　前期推测方斗山背斜轴部地下水位高程为　４００ｍ～５００ｍ，高于洞线２００ｍ～３００ｍ，两翼水位　逐渐降低。施工中除溶蚀裂隙、溶洞段涌水外，其　余洞段干燥一潮湿，隧洞下游灰岩洞段水量丰富，　地下水位在１５０ｍ～５０ｍ。隧洞中段（背斜轴部）　水位在枯水期低于洞底４ｍ左右，雨季高于洞底　１ｍ～５ｍ。地下水类型为岩溶裂隙水和基岩裂隙　水，不同岩性的水文地质条件差别较大。灰岩洞　段的地下水集中于岩溶通道，受岩溶发育程度控　制；砂岩段的裂隙水相对水量较小，泥页岩为相对　隔水层，但也存在基岩裂隙水集中出水点。　施工中共出现７处涌水，下游有６处，最大的　涌水是隧洞中部（桩号４＋７６７ｍ处）的宽溶蚀裂　隙，最大涌水量约为３００ｍ　／ｈ；其它涌水位置分别　为：２＋１８６ｍ（Ｔ１　），４＋７６７ｍ（Ｐ１ｍ），５＋５１０ｍ、５　＋５８２ｍ（Ｐ２ｅ），６＋０５０ｍ（Ｔ１ｌ３），６＋７０６ｍ（Ｔｌｊ２）　附近溶蚀裂隙及（Ｔｌｊ１）６＋５００ｍ处溶洞。　２．６岩石强度。岩屑砂岩湿抗压强度一般为　５１ＭＰａ～７０．６ＭＰａ，薄层灰岩为３０ＭＰａ一６０ＭＰａ，　中厚层灰岩大于６０ＭＰａ一１００ＭＰａ；紫红色砂质泥　岩夹灰绿色钙质泥岩及页岩，抗压强度２０ＭＰａ左　右，较湿泥化抗压强度仅６ＭＰａ一１０ＭＰａ；泥灰岩　抗压强度一般为２０ＭＰａ一４０ＭＰａ，含泥量高，强度　变化大（含泥量较高时强度较低）。　２．７围岩类别。施工前期，根据隧洞的工程地　质条件、国内围岩标准和国外常用的Ｑ系统，采　用ＲＭＲ分类方法进行了对比分类。灰岩碎屑砂　岩段综合判定为Ⅱ类围岩；紫红色泥页岩（薄层　泥灰岩）段、炭质页岩（煤层）、碎裂岩为Ⅲ～Ⅳ类　围岩；岩溶破碎带沉积填物为Ｖ类围岩。　３　衬砌设计　鱼剑口电站引水隧洞衬砌形式，是根据隧洞　各段内水压力及地质条件选定，并尽可能最大限　度的利用围岩，充分发挥围岩的作用。即考虑支　护和衬砌与围岩的共同作用，同时考虑水工隧洞　的特点，加固措施满足水流摩阻小、水量渗漏损失　少的原则。　对于岩石完整性好的Ⅱ类围岩，设计中曾对　同等水头损失条件下的几种断面型式进行了比较　分析（见图２）。　圈马蹄形　平底舄雌形　城门嗣形　图２几种隧洞断面型式　

・４・　姚世宏项庆伟：鱼剑口电站引水隧洞优化设计　，２０１０．Ｎｏ．６　从图１中可以看出，喷混凝土衬砌具有投资　省、施工进度快、受力结构合理的优点，但也存在　糙率大且难以控制、抗渗性能较差等缺点。由于　本引水隧洞为长隧洞，如喷锚衬砌必须设置集石　坑且经常检修，势必会影响发电效益。根据笔者　现场感受，对于中小型电站施工，由于管理不完　善，隧洞开挖的平整度和喷锚衬砌施工质量难以　保证，也会影响发电效益，因此最终选择了圆形现　浇混凝土衬砌。　对于岩石完整性差的Ⅲ、Ⅳ、Ｖ类围岩，一次　支护采用喷锚、钢格栅、钢拱架，二次支护采用钢　筋混凝土，衬砌厚度通过不同的岩石和内水压力　计算确定。钢筋混凝土衬砌结构计算采用弹性力　学法，对弹性抗力分布不作任何假定，将衬砌结构　的计算化为非线性常微分方程组的边值问题，采　用电算应用初参数法递推进行各工况下衬砌静力　计算，选择最不利工况下的内力进行衬砌配筋计　算，衬砌配筋采用半经验半极限方法并结合新规　范进行。　４岩溶的处理　岩溶发育洞段主要在方斗山背斜两翼的嘉陵　江组第一段～第四段和背斜轴部的茅口组、栖霞　组中，围岩类别为Ⅱ、Ⅲ类，完整性良好，表现型式　为溶洞涌水、溶蚀裂隙涌水。　笔者根据现场的处理经验认为，对岩溶洞穴　或裂隙规模较大，特别是有季节性涌水的岩溶洞　穴或裂隙，采用堵、导、排等措施是行之有效的。　尽可能在保持原有地下水动力环境不变的情况　下，通过调整衬砌和加强对围岩的锚固和固结灌　浆，使围岩与衬砌成为整体来共同承担外水压力。　引水隧洞桩号Ｋ６＋７０６ｍ为比较典型的溶洞　涌水。该段隧洞围岩为三迭系嘉陵江组第二段　（Ｔｌｊ２）底部中厚层灰岩与深灰色厚层含砾泥质灰　岩（质较软），岩层产状为ＮＥ４３。ＮＷ／４５。，在两　岩层界面处出现一条环洞层问溶蚀裂隙，宽　０．５ｅｒａ～３ｅｍ，充填岩屑及黄泥，左壁顶拱流水，水　量１Ｌ／ｒａｉｎ～２Ｌ／ｍｉｎ。附近层间裂隙间距１ｍ～　４ｍ，主要充填岩屑、方解石脉，沿裂隙滴水。由于　砾泥质灰岩强度低且水量较大，设代人员将围岩　由Ⅱ类变更为Ⅲ类，施工对该段进行了锚网喷护　处理。当继续施工开挖距该处３０ｍ时，发现６＋　７０６ｍ处的溶蚀裂隙在左壁洞顶出现异常的黄水，　流量增大，几小时后发生塌落（高ｌｍ、面积２．５ｍ　×３ｍ），大量地下水及泥浆涌出，最大涌水持续　１ｈ～２ｈ，涌出泥浆及黄水近万ｍ　；随后水量减小，　经２６ｄ的清淤、排水、加固顶拱后恢复施工，施工　期间流水量仍保持在２０Ｌ／ｒａｉｎ～６０Ｌ／ｍｉｎ，受降雨　影响变化较大。　根据现场情况，在溶洞口四周布置短锚筋固　定钢管，在钢管与岩石之间先用速凝砂浆封堵，然　后用Ｃ１５混凝土回填浇筑封堵；封堵后水流可通　过钢管集中流出，不影响隧洞的开挖；最后接导流　钢管至支洞口排出，保持原有的地下水动力环境。　根据埋深判断，外水压力约１５０ｍ，仅靠原衬　砌（厚度为３０ｃｍ素Ｃ２０混凝土）不能满足要求，　根据计算将衬砌调整为厚３０ｃｍ的Ｃ２５钢筋混凝　土，同时增加系统锚杆并与内侧受力筋焊接在一　起，共同承担外水压力，最后加强固结灌浆处理。　５衬砌反缝处理　隧洞由于线路比较长，为缩短施工工期，衬砌　采用了先衬边顶拱后衬底拱的方式进行，在边顶　拱底部形成了一条反缝，如反缝处理不好，极易形　成通缝及渗水通道，削弱衬砌的整体性，改变隧洞　计算的边界条件。所以，必须选择恰当的处理方　案，以保证隧洞安全。　根据施工组织设计手册推荐的方案，反缝处　理采用预留键槽，预埋止水片并对反缝进行灌浆。　但实际操作中，由于预留键槽、预埋止水片增加了　施工难度，考虑到隧洞承受的内水压力为０．１ＭＰａ　～０．４８ＭＰａ，属于中低水头，故未设置键槽，在衬　底拱前反缝设置，采用遇水膨胀止水条来替代止　水片，待衬砌完成后对反缝灌浆处理，并对迎水面　反缝处开一宽８ｃｍ、深３ｃｍ～５ｃｍ的槽，用预缩砂　浆处理，经实践达到了设计要求。　一　施工组织设计手册推荐方案　施工中实际采用方案　图３反缝缝面处理　（下转第２２页）　

・２２－　庞江：凉滩电站尾水事故检修门结构探讨　２０１０．Ｎｏ．６　本闸门作为检修门使用时，静水启闭，支承设　在上游，其工作特点是挡水水头比启闭操作水头　大得多，因此，要求闸门的支承具有较高的承载能　力。同时，为保证闸门能一次顺利下闸，并尽量降　低启闭机容量，又要求支承材料具有较低的摩擦　系数。据此，本闸门上游支承采用了结构简单，易　于制造、安装的滑动式支承。为满足上述特性，经　过对多种支承材料的研究、比较，最后决定支承材　料采用嘉兴天佑机械有限公司生产的“ＴＳ一７０Ｃ”　滑块，其材料为钉板型复合材料滑道系列油尼龙　塑料合金。滑块许用荷载为４７ｋＮ／ｍｍ，时效摩擦　系数≤０．１，静水摩擦系数０．０８，动水摩擦系数　０．０５５，主滑块按等载荷布置。本闸门双向支承布　置见图５所示。　３止水装置设计　止水漏水会引起闸门振动和空蚀，导致闸门　结构、埋件及止水本身的破坏，影响闸门正常工　作，因此必须确保闸门止水效果良好。　闸门的两种运行工况，决定了本闸门顶、侧及　转角需采用双向止水（双向Ｐ６０）。为保证上水严　图５　双向支承的门叶门槽关系图　问采用热胶合连接，以消除止水橡胶接缝处的漏　水隐患。　密并降低上水与座板之间的摩阻力，对不锈钢座　板进行了机械加工。底上水和中间上水采用条型　４启闭机选择　启闭机是实现顺利下闸的重要设备，其布置　与选型在工程设计中甚为重要。根据闸门的操作　上水，止水压缩５ｍｍ。为避免橡皮翻卷及压板边　缘切割橡皮，止水压板的边缘加工为圆弧状。为　条件以及水工建筑物布置因素，经技术经济比较，　选用２×１０００ｋＮ双吊点（吊点中心距为５．２８ｍ）　了减少上水与座板间的摩阻力，并提高止水的耐　磨性，顶、侧及转角止水的材料均采用橡塑复合型　固定卷扬式启闭机。该启闭机结构紧凑，承载能　力大，运行平稳可靠且安装维护方便。　排水设施，实践证明效果良好。　６．３　实践证明，在中低水头、直径不大的有压　橡皮。底止水、中间止水采用整体成型，各止水之　（上接第４页）　■　６小结　６．１　水工隧洞是在岩体中开挖而形成的洞室，　所以隧洞主体的围岩，必须充分利用围岩自身抗　力，衬砌的作用仅是加固围岩及满足水力学的要　求。　引水隧洞边顶拱反缝处理中，可以用遇水膨胀止　水条代替止水片，反缝缝面作预缩砂浆处理后，可　以减少渗水量，减轻钢筋的锈蚀，增长衬砌的使用　寿命。　６．４　整个鱼剑口电站引水隧洞的设计是成功　６．２对岩溶管道、暗河、涌水地段，外水压力按　大部分水头作用考虑，有压隧洞对岩溶洞穴及管　道须作特殊处理外，并可通过固结灌浆和增加系　统锚杆充分利用围岩分担内水压力，从而减小衬　的，充分考虑了岩溶地区有压隧洞衬砌设计的特　点，对不同洞段的地质情况选用不同的衬砌形式，　对施工中遇到的特殊问题作出了相应的处理设　计，为电站的顺利发电创造了条件。　■　砌厚度，节省工程投资，并疏通原排水通道或另设