山区复杂地层引水系统设计与应对措施.pdf

2 0 1 3年第 1 2期 ( 第4 1 卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j ia n g S cie n ce a n d T e ch n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n cy No 1 2 2 01 3 ( T o t a l N o 41 ) 文章编号 ： 1 0 0 7 7 5 9 6 ( 2 0 1 3 ) 1 2 0 0 4 8 0 4 山区复杂地层 引水 系统设计与应对措 施 岑树高 ( 贵州省黔南州水利水电勘测设计研究院， 贵州 都匀5 5 8 0 0 0 ) 摘 要： 山区水资源开发与利用是贫困地区实现跨越式发展的重要途径。西部山区水资源相 对丰富， 但地形地貌及地质条件复杂 ， 开发建设难度和工程建设成本较大。因此 ， 基于 复杂地质条件的认识， 优化工程设施的配置 ， 考虑现实条件 ， 在建设过程中综合分析采 取相应对策， 确保施工安全 、 进度、 投资及工程质量相协调。 关键词： 山区； 复杂地层 ； 引水系统设计； 工程布置 ； 施工 ； 应对措施 中图分类号 ： T V 7 3 2 文献标识码： A W a t e r Div e r t ing Sy s t e m De s ig n a n d Co un t e r me a s ur e s f o r M o un t a ino u s Ar e a a nd Co mp l ica t e d S t r a t a CEN S h u g a o ( G u iz h o u P r o v in ce Q ia n n a n S t a t e Wa t e r C o n s e r v a n cyH y d r o e l e ct r ic P o w e r I n v e s t ig a t i o n D e s i g n a n d R e s e a r ch I n s t i t u t e ， D u j u n 5 5 8 0 0 0 ， C h in a ) Ab s t r a ct ： T he u t il i z a t i o n a nd d e v e l o p me n t o f wa t e r r e s o u r ce s in mo u n t a i n a r e a a r e a n imp o r t a n t wa y t o r e a l iz e t h e l e a p f o r wa r d d e v e l o p me n t f o r t h e p o o r a r e a s I t is co mp a r a t iv e l y ri ch in wa t e r r e s o u r ce s in t h e we s t e r n mo un t a in o us a r e a o f Gui z h o u Pr o v i nce，b u t g e o l o g ica l a nd t o p o g r a p h ica l co n d it io ns a r e co mp l ica t e d， a nd it is h a r d a n d co s t l y t o d e v e l o p a n d u t i l iz e wa t e r r e s o u r ce s in t he a r e a Th e r e f o r e b a s e d o n t h e u n d e r s t a nd in g o f co mp l e x g e o l o g i ca l co nd it i o n s， o p t imiz in g e n g i ne e ri n g f a ci l it ie s a n d co n s id e ri n g t h e e x is t in g co n d it io n s ， co r r e s p o n d in g co u n t e r me a s u r e s a r e a d o p t e d d u ri n g t h e co n s t r u ct io n in o r d e r t o g u a r a n t e e t h e h a r mo n y o f s a f e t y ， co n s t r u ct io n s ch e d u l e ， co s t a n d e n g in e e r in g q u a l it y Ke y wo r d s ： mo u n t a i n o u s a r e a ； co mp l ica t e d s t r a t a ； w a t e r d iv e r t in g s y s t e m d e s ig n； l a y o u t ； co n s t r u c t io n； c o un t e rm e a s u r e s 1 综合说明 某河流是乌江右岸一级支流 ， 是某县境 内最 大 的一条河 流， 河源高程 l 3 5 2 m， 汇 口高程4 8 5 m， 天 然落差8 6 7 m， 主河道长7 0 k m， 平均比降 1 2 4 v ， 全 流域 面 积 8 6 4 k m ， 水 能 资 源 丰 富 ， 理 论 蕴 藏 量 6 8万 k W， 其中干流为5 3 8万 k W。上中游是主要 农业 区， 下游进入峡谷 ， 是 主要 的水电开发河段 ， 全 河开发以乌江干流某电站6 3 0 0 m 水位为控制条件 。 电站所在干流 1 9 8 4年规划按八级开发。结合 收稿日期 2 0 1 3 0 5 0 9 作者简介 岑树高( 1 9 6 8 一) ， 男， 贵州独山人， 高级工程师， 从事水利水电勘测设计5 - 作。 - - - 48 - 岑树高 ： 山区复杂地层引水系统设计与应对措施 第 1 2期 社会经济发展的需要 ， 2 0 0 5 年规划修编推荐六级开 发。其中某梯级电站因前期工作深入、 水能资源集 中、 开发条件较好而被列为近期优先开发的站点。 原 电 站 1 9 9 2年 建 成 ， 为 引 水 式 开 发 ， 装 机 2 2 5 0 0 k W， 设计 水头6 8 0 m， 设计 流 量9 2 m s ， 设 计多年平 均发 电量2 6 5 0万 k W h ， 挡水 坝顶 高程 7 0 8 0 m， 引水系统沿左岸布置 ， 全 长1 8 5 0 m。厂房 为地下式， 位于下游梯级电站进水口上游山体内， 尾 水高程 7 3 1 5 m， 尾 水直 接进入下 游梯级 电站 引水 渠道 。 受开发业主的委托， 我单位对电站扩建方案进 行勘察设计论证。电站扩建工程主要由拦河坝、 引 水 系 统 、厂 房 等 建 筑 物 组 成。 电 站 设 计 水 头 1 1 6 3 m， 设计引用 流量2 3 2 m s ， 装机为2万 k W， 设计多 年平 均发 电量6 3 0 0万 k W h 。根据 论证 ， 电站扩建后加大引用流量 ， 如考虑扩建 电站原 引水 系统需对原渠道断面加大开挖， 将会影响现电站的 正常运行 ， 且原引水渠道部分边坡为顺向坡 ， 加大渠 道断面后将引起高边坡稳定等地质问题 ， 工程处理 量较大 ， 施工困难 ， 故不采用对原清水 电站引水系统 改造扩建方案 ， 而推荐新建 引水隧洞。 2 工程布置与选线 原电 站 为 低 坝 引 水 发 电， 装 机 容 量 为 2 x 2 5 0 0 k W， 多年平均发电量2 6 5 0万 k W h ， 利用小 时控制在3 5 0 04 0 0 0 h a 。在开 发方式则 考虑是 否取消已建原电站的情况下， 进行2个方案的比较。 1 ) 一级开发方案： 取消已建成的电站， 重新修建 引水、 调压室、 压力管道至厂房， 水库正常蓄水位为 7 4 2 5 m， 正 常尾 水 位 为 6 2 6 m， 加 权 平 均 水 头 1 0 9 3 m。装机容量为2 0 0 0 0 k W。 2 ) 两级开发方案： 保留已建电站和引水渠道， 在 原挡水坝后修建坝后式厂房， 水库正常蓄水位为 7 4 2 5 m， 正 常 尾 水 位 为 7 0 3 m， 加 权 平 均 水 头 3 5 5 m， 装机容量为 l 2 7 0 0 k V - ， 尾水进入原电站 渠道至下游电站 ( 2 2 5 0 0 k W) 继续发电。第二级 电站包含已建 原 电站厂房和扩建 的电站厂房 ， 已建 电站厂房 ( 地下厂房) 保持不变， 装机容量为 2 2 5 0 0 k W， 扩建的电站厂房位于 已建地下 厂房外 的 平台上， 其正常高水位为7 4 2 5 m， 正常尾水位为 6 2 6 m，设 计 水 头 1 0 6 8 m，装 机 容 量 为2 6 3 0 0 k W t 。 为了充分利用水资源， 多发季节性电能， 在结合 水机选型并考虑机组运行特点基础上 ， 最 终确定一 级开发方式 ， 装机容量为 21 0 0 0 0 k W。 推荐引水系统为有压引水隧洞， 隧洞纵断面坡 度设计为 5 0 ， 进 口底板高程7 3 0 0 m， 全长1 9 4 2 m， 采用圆形断面， 直径为 3 6 m， 周边采用 C 2 0混凝土 衬砌。隧洞沿线穿过下三迭统茅草铺组灰岩( 类 围岩) 、 夜郎组泥页岩与泥灰岩互层夹灰岩( I V类围 岩) 、 灰岩( 类 围岩 ) 、 泥页岩与泥灰岩夹灰岩 ( 类围岩 ) 、 二叠 系上统长兴组含燧石结核灰 岩 ( 类 围岩 ) 、 吴家坪组燧石灰岩夹砂 、 页岩分布 区( I V、 V 类围岩 ) 。隧 洞沿 线 通过 较 完整 的灰 岩地 段 约 占 7 0 7 5 ， 砂页岩等半坚硬至软弱岩层地段 约 占 1 5 一 2 0 ， 裂 隙密 集 或剧 烈 溶 蚀及 溶 洞 段 约 占 1 0一1 5 。 3 引水系统线路地质条件评价 引水线路沿线各段地形起伏大， 覆盖层厚 0 5 8 m， 沿途未见大 泉水 ， 出露地层为灰岩 ， 砂 页岩 、 硅 质岩及含燧石灰岩， 硅质岩、 页岩， 黏土页岩、 灰岩， 白云岩、 灰岩， 地层岩性组合复杂。岩层倾向 N E ， 倾 角 3 5 。 一 4 5 。 ， 岩层走向与洞线多以 3 5 7 0 。 斜交， 局 部近平行， 属次一级向斜 N W 翼， 无大构造破坏。因 河谷切割较深， 故各含水层地下水位变幅大， 地下水 为多层次横 向的补给与排泄 ， 地下 工程存在一定范 围的小规模涌水或突水的隐患 J 。 隧洞沿线地 下水埋 藏较深 ， 受 砂页岩的阻水 限 制 ， 地下水多以接触 裂隙泉的形式排泄 ， 流量不大 ， 受下游地 区干流河道排泄基准面 的影 响， 灰岩 区有 发育一至二层溶洞 ， 洞 内冬 季干枯 ， 地下水 位较低 ， 沿线灰岩分布区一般为强中等含( 透) 水层， 砂 岩及泥质岩则为弱含 ( 透) 水或相对隔水层 ， 强含 ( 透) 水岩组则位于深切割河谷区， 地下水垂直渗透 相对强烈， 隧洞多位于地下水剧烈活动带附近及上 方 ， 涌水对隧洞开挖的影响不严重 J 。 由于隧洞地处 汇水 型 向斜翼部 ， 因河 谷切割较 4 9 2 0 1 3年第 1 2期 ( 第4 1卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g S ci e n ce a n d T e ch n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n cy No 1 2 2 01 3 ( T o t a l N o 4 1 ) 深， 故各含水层地下水位变幅大， 地下水为多层次排 泄 ， 地下工程掘进过程中存 在小 范围 内的小规模涌 水或突水的隐患， 尤其在两种不同岩组 的界面附近 可能性更大。引水隧洞沿途多数地段 围岩稳定性 ， 约 3 0 地段需要对软硬复杂围岩 、 强溶蚀或溶洞段 、 裂隙密集段的处理， 中间局部可能有少量瓦斯等有 害气体。沿线应考虑复杂地段的支护问题。 根据分析预测 ， 本 电站扩建工程建设可能引发、 遭受和加剧的地质灾害主要为崩塌、 崩积体及建筑 物基础开挖和切方边坡可能引发的滑坡、 崩( 滑) 塌 地质灾害现象。尤其隧洞因岩溶、 裂隙较发育， 局部 地段有软 质岩分布 ， 施工 时可能产 生局 部崩塌 、 滑 塌、 岩溶 塌 陷， 危及 施工 安全 和建 筑物 自身 的 稳定 。 4 做好隧洞施工预测及相应对策与措施 4 1 施工技术总体要求 根据相关规范 ， 穿过 复杂地层的隧洞开挖于特 殊地段时应考虑选择新奥法、 管棚法施工 ； 短进尺 、 弱爆破 、 强支护 ， 勤检查 、 勤观测 、 勤反馈 、 及时加 固 等措施 。 4 2 施工过程的对策 4 2 1 隧洞施工过程 的问题及初步意见 引水隧洞 K l+1 5 6K 1+9 4 2段穿过二叠 系下 统栖霞组中厚层含燧石结核灰岩、 夹硅质条带或团 块 ， 岩层产状 1 1 61 2 8 。 2 IT I ) 的土层 时采用 换填5 0 cm碎 石层 压实后 再 浇 6 0 cm 厚混凝土作为临时基础， 稳定支架。 施工过程中应注意安全 ， 随时观测洞 内围岩 、 管 棚和支护钢架的变形情况； 地表应防止降雨和地表 水进入冒顶 区， 塌坑周边要注意 防护措施 ， 随时监测 公路的地面变化情况。采用临时支护措施后隧洞断 面应 设计开挖断面 。隧洞塌陷区与洞内冒顶情况 照片见 图 1 。 图 l 隧洞塌陷区与洞内冒顶情况照片 4 2 2 冒顶段初次处理方案 根据 冒顶段 测绘及 在洞 内的水平 钻孔勘 探结 果， 判断冒顶段为陡倾发育的溶洞， 在顺洞轴线方向 跨度为 5 7 m。 为避免因清渣而导致隧洞可能出现范围较大的 冒顶 ， 考虑该段适当扩大断面( 经支护后隧洞直径为 岑树高： 山区复杂地层引水系统设计与应对措施 第 1 2期 4 6 m) ， 采用管棚法结合槽钢格栅( 三角状) 拱架进4 3 软弱段的处理措施 行支护 ， 即按照“ 短开挖强支护逐步推进 ” 方式强行 跨过。钢管管径采用 p 8 0 m m， 单根长4 0 m( 插入 端加工为尖状锲型， 后端为丝扣连接冲击头) ， 纵横 管棚间距 2 0 04 0 0 mm， 管棚插 人方 向为偏 离洞轴 线向外扩散 1 0 。 一l 5 。 。同时采用槽钢( 2 O号) 格栅 拱架拱顶 ， 并用 5根锚杆锚 固， 锚杆 ( p 2 5 ) 长4 0 m， 等间距布置。施工拱架进占间距为3 m。 隧洞底板钢架支撑处若 为深厚 (2 m) 的土层 时采用换填5 0 cn q 碎石层压实后再浇6 0 e m厚混凝 土 作为临时基础 ， 稳定支架 。 施工单位实施 的管棚单根长1 2 m( 2根长6 m加 工连接而成 ) ， 采用地质钻机插人 ， 直接 与下游岩壁 连接。管棚支护范围为拱顶 1 8 0 。 ( 上半圆) 。据了 解， 初次清渣后， 隧洞顶部崩塌土体从洞腰两侧鼓 出， 顶部管棚弯曲， 左侧拱架被斜冲破坏。经现场察 看后综合分析 ， 施 工 中应注意加强洞腰两侧 的挡拦 措施。 4 2 3 冒顶段最终处理措施 经对隧洞 K l + 4 1 5一 K 1 + 4 2 2段即冒顶段采用 管棚法结合槽钢格栅 ( 三角状 ) 拱架进行 支护 ， 即按 照“ 短开挖强支护逐步推进” 方式强行跨过。施工 中 观测到洞内围岩、 管棚和支护钢架产生变形。根据 出现的情况 ， 该 冒顶段虽规模不大 ， 但施工有一定难 度 ， 须认真耐心进行支护。处理意见如下 ： 1 ) 该段环 向支护范 围按城 门洞型布置管棚 ， 即 洞腰以上按半园型 ( 1 8 0 。 ) ， 以下垂直布置至洞底。 2 ) 洞底 两侧边 缘沿轴线方 向 3 4 m长 的原木 ( 直径 81 0 cm) 或普通钢管支挡外 围的土体 ， 以防 图往洞内鼓处 。 3 ) 为确保施工安全及工程进度， 环向管棚( 采用 p 8 0 m m， 壁 厚 3 mm的 普 通 钢 管 )间距 调 整 为 1 5 e m， 轴向布置的洞底两侧支挡钢管或原木间距 1 5 2 0 e m o 4) 钢拱架基本间距为0 5 m， 进入临空段后钢拱 架间距为0 3 m。并在拱顶 l 5 0 。 范围的管棚内注入 快速高标号混凝土后插入 p 2 5钢筋以增强管棚系统 的抗弯能力。 隧洞桩号 K 0+ 4 9 0K 0+ 5 5 8段穿过三叠 系下 统夜郎组砂堡湾段 ( T l y 1 ) 的页岩、 钙质泥岩夹薄层 泥灰岩及灰岩， 岩层倾向上游， 洞轴线与岩层走向大 角度斜交。泥页岩易风化及软化， 节理发育， 局部破 碎 ， 受地下水 的长期浸泡 ， 破碎 的泥页岩呈 软塑一可 塑状 ， 总体属 V类围岩，