巴拉水电站首部枢纽导流洞坍塌冒顶处理 (1).pdf
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1、S i c h u a n H y d r o p o w e r 1 2 7 巴拉水电站首部枢纽导流洞坍塌冒顶处理杨 宏 昆,王 坤 雷,许 红 军,夏 俊 江(四川省清源工程咨询有限公司,四川 成都 6 1 0 0 7 2)摘 要:近几十年来,随着隧洞设计和施工技术的不断创新,超大断面无压输水隧洞在水电和水利工程中得到广泛应用。隧洞通常沿河向布置于岸坡山体内,由于受地形条件限制,首部进口段、尾部出口临河侧向和上覆岩土均浅埋,地质条件较差,洞段坍塌冒顶时有发生。本文以巴拉电站首部枢纽导流洞前段进口局部坍塌冒顶为例,梳理事件发生发展过程,分析坍塌冒顶内外原因,总结事件处理相关经验和教训,提出类
2、似问题的风险控制要点,可供业内同行参考。关键词:巴拉水电站;导流洞;坍塌冒顶;洞内衬砌中图分类号:TM 6 2 2;TV 6;TV 5 5 1.1+2文献标志码:B文章编号:1 0 0 1-2 1 8 4(2 0 2 3)0 5-0 1 2 7-0 5T r e a t m e n t o n t h e C o l l a p s e a n d R o o f F a l l i n t h e D i v e r s i o n T u n n e l o f t h e H e a d w o r k s o f B a l a H y d r o p o w e r P r o j
3、e c tYAN G H o n g k u n,WANG K u n l e i,X U H o n g j u n,X I A J u n j i a n g(S i c h u a n Q i n g Y u a n E n g i n e e r i n g C o n s u l t i n g C o.,L t d.,C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 7 2)A b s t r a c t:W i t h t h e c o n t i n u o u s i n n o v a t i o n s o f t u n n e l d e s
4、i g n a n d c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y f o r r e c e n t d e c a d e s,t h e u l t r a-l a r g e s e c t i o n a n d n o n-p r e s s u r e t r a n s m i s s i o n t u n n e l h a s b e e n w i d e l y a d o p t e d i n h y d r o p o w e r a n d w a t e r c o n s e r v a n c y p r o-
5、j e c t s.T h e t u n n e l i s u s e d t o b e a l i g n e d a l o n g t h e r i v e r i n b a n k s l o p e s a n d m o u n t a i n s.D u e t o t h e r e s t r i c t i o n o f t e r r a i n c o n d i t i o n s,t h e i n l e t o f t h e h e a d w o r k s,o u t l e t o f t a i l s e g m e n t a r e
6、s h a l l o w l y b u r i e d o n t h e r i v e r s i d e a n d t h e o v e r l y i n g r o c k a n d s o i l,w h e r e t h e g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s a r e u n f a v o r a b l e a n d t h e c o l l a p s e a n d r o o f f a l l o c c u r f r o m t i m e t o t i m e.T h i s a r t i c
7、l e t a k e s t h e p a r t i a l c o l l a p s e a n d r o o f f a l l i n t h e i n l e t o f t h e d i v e r s i o n t u n n e l o f t h e h e a d w o r k s o f B a l a h y d r o-p o w e r p r o j e c t a s a n e x a m p l e t o r e v i e w t h e e n t i r e p r o c e s s,a n a l y z e t h e t h
8、e i n t e r n a l a n d e x t e r n a l f a c t o r s o f t h e c o l l a p s e a n d r o o f f a l l,s u mm a r i z e t h e p r a c t i c e s a n d l e s s o n s o f t h e t r e a t m e n t a n d p u t f o r w a r d k e y p o i n t s o f r i s k c o n t r o l f o r s i m i-l a r p r o b l e m s,w h
9、 i c h c a n b e u s e d a s a r e f e r e n c e f o r p e e r s i n t h e i n d u s t r y.K e y w o r d s:B a l a H y d r o p o w e r P r o j e c t;D i v e r s i o n t u n n e l;C o l l a p s e a n d r o o f f a l l;I n t e r n a l l i n i n g1 电站概况巴拉水电站位于马尔康市境内,系大渡河干流水电规划“3库2 8级”自上而下的第2级水电站,位于东源主干
10、流脚木足河上。电站于2 0 0 7年启动了勘察设计工作,2 0 1 6年1 2月完成可行性研究报告,2 0 1 8年3月核准批复,2 0 2 0年1 2月正式开工建设。电站采用混合式开发,开发任务为水力发电并兼顾减水河段生态用水需要,坝址位于日部乡色江吊桥下游约2.2 k m处,经右岸引水至日部吊桥上游约3.9 k m处建地下厂房发电。电站为二等大()型工程,由首部枢纽、引水建筑物和厂区建筑物等组成。首部枢纽拦河面板堆石坝大坝高1 3 8.0 m,引水有压隧洞长6.9 k m,地下厂房收稿日期:2 0 2 3-0 8-2 1装机32 4 0 MW,尾水有压隧洞长1.7 k m。根据工程的布置特
11、点、河道水文特性以及坝址区的地形地质条件,采用断流围堰、右岸隧洞导流方案。导流标准采用2 0年重现期作为导流建筑物的洪水设计标准,相应洪水流量为1 9 2 0 m3/s。导流洞布置在右岸,过水断面尺寸为1 0.0 m 1 1.6 m。进口底高程2 8 0 9.0 0 m,出口底高程2 7 9 7.0 0 m。洞 身 全 长9 8 2.7 6 1 m,底 坡i=0.0 1 2 2。全断面钢筋混凝土衬砌,衬砌厚度0.61.0 m,初期支护根据围岩类别不同采用系统或随机喷锚支护。上游围堰采用复合土工膜心墙土石围堰。围堰上游设计洪水(2 0 a一遇)水位为2 8 5 0.2 5 m,考虑波浪爬高并计入
12、安全超高,堰顶高程取为2 8 5 2.0 0 m,最大堰高4 5.0 m,堰顶长度约1 7 2.0 m。第4 2卷第5期2 0 2 3年1 0月四 川 水 力 发 电 S i c h u a n H y d r o p o w e ro l.4 2,N o.5O c t.,20231 2 8 S i c h u a n H y d r o p o w e r下游围堰堰型与上游围堰相同,围堰顶高程2 8 0 9.0 0 m,最大堰高1 0.0 m,堰顶长度约5 6.0 m,顶宽度根据交通要求取为8.0 m。2 导流洞前段冒顶过程2.1 2 0 1 4年掘进回塌及处理2 0 1 4 年9月9 日,
13、掘进至导0+0 3 4桩号类围岩段时,在已完成上层开挖和初期支护导0+0 4 60+0 3 4段顶拱发生回塌。沿平行于洞轴线方向钻孔探测表明,塌腔最高边缘高程约2 8 3 7.0 0 m,呈不规则锥体分布。推测空腔顶部上覆岩体埋厚度约3 0.0 m,空腔长轴最大1 2.0 m,最大高度约1 5.0 m,导流洞塌腔探测示意图见图1。位于导0+0 4 5断面从顶拱中心至左侧洞壁,分布一条宽约3.0 m的风化囊,呈全、强风化状,近乎垂直于水流方向,陡倾向南(下游),至桩号导0+0 3 7时风化囊基本消失。图1 导流洞塌腔探测示意图塌方发生后,采用施作管棚和分层边开挖边衬砌等综合措施,对顶拱坍塌段及受
14、到影响的毗邻下游变形段进行处理,形成安全稳定衬砌结构。之后,开始顶拱塌腔回填混凝土,至2 0 1 5 年8 月3 0 日结束。回填的顶拱覆盖混凝土厚度0.5 01.3 6 m,平均厚度1.1 4 m。2 0 1 7年1 2月启动灌浆施工,至2 0 1 8 年1 月塌方段第一段灌浆基本完成,工程由于外部原因停工。2.2 2 0 1 8年出现冒顶2 0 1 8年5月首次发现塌腔地表塌陷冒顶。至2 0 2 0年1 2月主体工程正式开工和导流洞剩余工程启动,才正式对塌陷段进行洞内表观查检。总体上,内衬表面无开裂和剥离明显变形现象。主要表现为在混凝土接缝处可地下渗出,特别是靠山内侧洞壁拱肩处水平向接缝普
15、遍见有钙膜淅出,并见渗水;拱顶接缝有渗水及钙膜淅出。2.3 洞段处理的必要性虽洞段混凝土顶拱一直稳定、无新的变形和裂缝,但由于该洞段在导流洞下闸后至封堵段完成一段时间要承受约4 5.0 m的外水压力,而顶拱有效混凝土厚度仅约2.0 m,若顶拱以上散粒体不能形成可靠自稳,一旦形成山岩压力,洞段就存在被击穿的风险。同时,由于巴拉导流洞将从2 0 2 1年1 1月截流后开始通水直至2 0 1 4年1 1月下闸蓄水,一直承担施工规划的前期导流任务约3年时间,期间该洞段仍存在一定的安全风险,因此,于2 0 2 1年1月启动了洞段处理的勘察设计工作。3 塌方洞段地质条件及性状分析3.1 洞段塌方的原因 塌
16、方段处于导流洞进口浅埋段,上覆岩体厚约4 0.05 0.0 m,岩体风化强烈,结构面多充填岩屑和次生泥等,裂面普遍严重锈蚀,结构较松弛,在桩号0+3 40+6 0洞顶顺洞向分布1条陡倾的全风化夹层和近1条南北向陡倾的风化夹层相交于桩号0+0 3 6附近,两条风化夹层均有3.04.0 m宽。由此该段围岩稳定性极差,致使隧洞开挖后发生塌方。3.2 塌腔形态及性状分析根据地表塌陷坑尺寸及初期探测结果:(1)塌陷坑最低边缘高程2 8 6 0.0 0 m,最高2 8 7 6.0 0 m,边坡坡角度4 3,坑底口宽4.0 m,长8.0 m,利用无人机成像建立三维模型,并采用多断面平行计算法进行估算,该塌陷
17、坑体积约为7 5 0 m3。(2)初期坍塌空腔的估算:空腔长轴最大1 2.0 m,洞宽1 2.6 m,估测最大高度约1 7.0 m,塌腔断面约1 4 0 m2。依据断面法估计空腔体积约为1 6 8 0 m3。(3)初期塌腔顶部至坑底岩柱体积估算:初期最大塌腔高 程2 8 3 7.0 0 m至 塌 陷 坑 底 岩 柱 高 约2 3.0 m,地表坑底面积约3 2 m2,体积约7 3 5 m3。结合较为落实的初期空腔回填约1 3 0 m3,则洞段顶拱衬砌上存在空腔体积估算值约为:初期最大塌腔体积估值1 6 8 0 m3-塌坑体积7 5 0 m3-回填混凝土1 3 0 m3=8 0 0 m3根据塌陷坑
18、出露位置与导流洞塌方段位置的比较,其塌腔形态总体向小桩号略微倾斜,且为上部面积稍小下部面积稍大的不规则柱体。3.3 地震C T物探测试成果为查明巴拉水电站导流洞进口段岩体质量和坍塌体的形状及影响松动的范围,对导流洞进口杨宏昆,等:巴拉水电站首部枢纽导流洞坍塌冒顶处理2 0 2 3年第5期S i c h u a n H y d r o p o w e r 1 2 9 段(桩号:0+0 0 40+1 2 0)进行了地震C T勘察检测,共布设3条剖面。结合本次物探地震波速反演等值线图分布对比可研声波结果分析认为:(1)导流洞进口段桩号0+0 0 00+1 4 0范围内围岩条件差,以类为主,少量类,应
19、做好衬砌后的固结灌浆工作。(2)塌腔形态总体向小桩号略微倾斜,且为上部面积稍小下部面积稍大的不规则柱体,塌腔内基本上已被松渣填满,垮塌体波速主要在8 0 01 6 0 0 m/s左右,结构松弛。(3)根据WT 2地震C T剖面检测,导流洞左侧(山外侧)岩体,除顶部塌方段岩体波速低外,侧壁在桩号0+0 2 00+1 1 0段内波速低,应做好衬砌后的固结灌浆工作。WT 2剖面地震C T波速反演等值线见图2。图2 WT 2剖面地震C T波速反演等值线4 处理方案拟定及分析计算4.1 处理思路分析根据巴拉导流洞衬砌结构设计,建筑物级别为级,对应结构安全级别为级。承受的荷载主要有衬砌自重、山岩压力,内水
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