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第五届全国生态城市道路与地下道路规划设计、施工、新材料应用技术大会 2019-09-09
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向家坝地下电站设计与施工

时间:2010年11月05日来源:本站原创 作者:刘益勇,景茂贵 点击:
 

向家坝地下电站设计与施工

                                                             刘益勇景茂贵
                         (中国长江三峡集团公司向家坝建设部云南水富657800);
摘要:金沙江向家坝水电站地下厂房系统规模巨大,主厂房岩锚梁以上开挖跨度33.4m、岩锚梁以下开挖跨度31.4m;开挖高度85.5m;引水隧洞开挖直径16.3m,压力钢管直径14.4m;变顶高尾水隧洞最大开挖断面24.3m×38.15m(宽×高);水轮发电机组单机容量800MW等技术指标位居水电地下工程世界前列。本文对主厂房、岩锚梁和变顶高尾水洞等部位的设计特色进行了介绍,同时对层状、缓倾角岩层下大跨度高边墙的主厂房开挖施工方法进行了详细介绍,对类似工程具有指导和借鉴作用。根据安全监测资料分析,向家坝地下厂房施工期围岩稳定。
关键词:向家坝地下电站;设计;施工;围岩稳定


一、工程及地质概况

向家坝水电站是金沙江梯级开发中的最后一个梯级,位于四川省与云南省交界处的金沙江下游河段,坝址左岸下距四川省宜宾市33km,右岸下距云南省的水富县城1.5km。工程开发任务以发电为主,同时改善航运条件,兼顾防洪、灌溉,并具有拦沙和对溪洛渡水电站进行反调节等综合作用。工程枢纽建筑物主要由混凝土重力挡水坝、左岸坝后厂房、右岸地下电站和左岸河中一级垂直升船机等组成。地下电站位于右岸坝肩上游山体内,设计安装4台单机容量为800MW的水轮发电机组,由引水系统、厂房系统、尾水系统三大部分组成,其布置见图1、图2。
地下厂房轴线与岸坡走向近垂直,方位角为NE30°,厂房水平埋深126m~371m,铅直埋深110m~220m。工程区地震基本烈度为7度,无发生中强地震的地质背景。实测地应力的最大主应力为10MPa左右,属中等地应力场。围岩地层主要为T32-6亚组厚至巨厚砂岩,主要分布有四条缓倾角软弱夹层,其中JC2-1在主厂房和主变洞顶拱以上,距主厂房和主变洞顶拱最小距离分别6m和10m左右,JC2-2、JC2-3在主厂房和主变洞顶拱、边墙出露,部分洞段分布在岩锚梁附近,JC2-4在主厂房底部出露。围岩整体完整性好,平均RQD值82.7%,纵波速度4300~5000m/s,大部分为Ⅱ~Ⅲ类类围岩。两大洞室顶拱以上为T33岩组,为一含煤地层,有民间开采历史,经鉴定地下洞室在施工期为低瓦斯隧道。地下洞室区分布有上、下两层基岩裂隙水,下层地下水水位低,与河水关系较密切。地下水pH值7.45~7.70,呈弱碱性,对普通水泥有结晶类硫酸盐型中等腐蚀性,对抗硫酸盐水泥无腐蚀性。


二、设计特色

2.1主厂房和岩锚梁
2.1.1主厂房支护设计:
根据围岩稳定分析成果和工程地质特点,影响洞室围岩稳定性的主要因素有:缓倾角层状围岩、陡倾角节理裂隙、软弱夹层和大跨度高边墙等,针对上述问题,并参考其他工程支护设计经验,采取如下处理措施:①主厂房以锚喷支护为主,并与随机支护相结合。②针对层状缓倾角围岩不利于厂房顶拱围岩稳定,利用上部纵向排水廊道,在主厂房顶拱与排水廊道之间布置一定数量的对穿预应力锚索,且要求在主厂房开挖前先施工上部纵向排水廊道,利用排水廊道提前完成对穿锚索钻孔。锚索吨位2000KN,长度30m,横剖面间距9m,纵向间距根据围岩分类和软弱夹层分布进行调整。③针对主厂房洞室陡倾角节理裂隙和高边墙的特点,为减小边墙变形和塑性区范围,改善边墙应力状况,在主厂房上游边墙布置30m长预应力锚索,下游边墙与主变洞之间布置40m长预应力对穿锚索,锚索吨位2000KN,间排距7.5m×6.0m。
 
 
 
 
 
 
 
 
 

图1 向家坝地下电站洞群布置三维图
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图2 向家坝地下厂房典型横剖面图
2.1.2主厂房岩锚梁设计:
向家坝地下厂房主厂房内安装两台1200t/200t单小车桥式起重机,轨顶高程为287.74m,单台桥机自重880t,大平衡梁自重180t,额定起重量为2×1200t,最大轮压为1100KN,是目前已建、在建和拟建工程中起吊重量最大的桥机之一。
岩锚吊车梁沿纵向总长度255m,上下游岩锚梁分别设置两条伸缩缝,上游侧岩锚梁长度分别为90m、80m、85m,下游分别为79m、96m、80m,伸缩缝分别位于安装间集水井(洞室边墙高度差别最大处)和②、③机组分界线附近。伸缩缝宽20mm,内充填泡沫塑料板,伸缩缝两侧岩锚吊车梁下采用扶壁混凝土柱支撑加强。吊车梁沿纵向设置施工缝,施工缝间距8~10m,缝面设键槽。施工缝凿毛,并设置接缝插筋。
岩锚梁截面尺寸2.0×3.0m,岩壁倾角33°,梁体底面倾角45°是合适的。Ⅱ类围岩段受拉锚杆采用36的Ⅳ级钢筋间距900mm。上排受拉锚杆的倾角取20°,下排受拉锚杆的倾角倾角取15°,上下两排锚杆的距离取0.6m。对软弱夹层进行如下处理:手风钻凿除后回填混凝土,回填混凝土中预埋灌浆管道,待回填混凝土达到设计强度后沿夹层方向进行固结灌浆;在岩锚梁下部增加附壁连续墙加固,见图3,附壁连续墙用锚杆固定在边墙上。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图3 附壁连续墙加固岩锚梁
2.2变顶高尾水洞
2.2.1基本布置
尾水系统采用两机合一洞变顶高尾水洞方案,出口断面为20m×34m(宽×高,衬砌后)的城门洞型,衬砌厚度1.0~2.0m,底部坡度为0.03,顶部为0.04,出口底部高程为244.00m,顶部为278.00m,两条变顶高尾水洞长分别为263m和199m。在变顶高尾水隧洞的顶拱以上设置排水廊道减小地下水压力。
2.2.2方案研究
整个地下厂房的输水系统平面上呈弧形布置,通过对引水发电系统过渡过程的研究分析,调节保证计算中的主要矛盾在于尾水管的真空度不容易满足规范要求,而不在于上游的引水管道压力上升。因此应尽可能地缩短尾水管道长度,并且研究选择合理尾水建筑物以满足电站调节保证的要求。
向家坝右岸地下厂房运行中考虑的设计尾水位变幅达29.18m,变化幅度较大。变顶高尾水洞的工作原理是利用下游水位的变化(即水轮机的淹没深度的变化),来确定尾水洞(包括尾水管)有压满流段的长度不超过极限长度,使整个尾水系统始终满足过渡过程中对尾水管进口处真空度的要求,从而起到取代尾水调压室的作用。
2.2.3数值计算和模型试验研究
向家坝电站研究的主要内容包括:(1)不设调压室的特殊尾水系统的体型;(2)采用数值计算和模型试验的方法研究设尾水调压室和变顶高两种方案下,水力-机械-调节系统在大波动、小波动、水力干扰过渡过程中的工作特性和稳定过程;并且用数值计算程序进行模型试验的对比计算,验证采用两种方法研究的结果的可靠性和合理性。
通过数值计算和模型试验,两种方法得到的结论基本一致,且有如下结论:
1)变顶高尾水洞的布置方式在各种过渡过程工况下,各种控制参数都满足设计规范或规程的要求,可以起到取代尾水调压室的作用;
2)变顶高尾水隧洞方案与阻抗式尾水调压室方案均满足调节保证设计要求,两者都是可行的设计方案,在水力过渡过程方面,两方案总体比较基本相当。变顶高尾水洞方案相对收敛较快,调节品质比调压室方案相对要好,体现了不设置调压室的工作特性和优势;
3)采用变顶高尾水洞方案可以减少大体积尾水调压室的开挖,对降低厂房区围岩的损伤是有利的,同时可以减少地下厂房的工程量;
4)变顶高尾水洞方案的水头损失比阻抗式调压室方案少,最大水头损失两者差值为0.406m,可以减少长期电能的损失;
5)综合比较电站的调节能力、工程的经济性、对地下厂房洞室群围岩稳定的影响、以及可能的工程风险方面等因素,变顶高尾水洞方案比阻抗式尾水调压室方案具有相对的优势。
 
 
 
 
 
 
 
图4 变顶高尾水洞方案尾水系统布置图


三、地下电站开挖施工关键技术

3.1.及早为主体洞室开挖创造良好的外部条件

(1)灌排开挖:优先完成灌浆廊道和排水廊道开挖,并在汛期前预先形成施工期防渗帷幕,可减少主厂房开挖渗水量,加快开挖施工进度。
(2)施工支洞:为了施工需要,加快施工进度,同时改善通风散烟条件,应合理布置施工支洞。为满足隧洞内机械设备进出、出渣运输、各种施工管线布置及人行安全的需要,断面尺寸一般设为宽7.0~7.5m、高6.5m左右。
(3)顶拱支护:对跨度较大或顶拱围岩较差的地下厂房,可考虑在顶拱设置对穿锚索,应考虑利用灌排或其他辅助洞室在主厂房顶拱开挖之前完成锚索钻孔,以便于开挖面形成后及时下索形成深层支护,有利围岩稳定,确保施工安全。
(4)通风散烟:提前施工通风竖井,形成自然通风条件,有利于改善施工环境,并可以缩短爆破后的散烟时间,以缩短循环时间,加快施工进度。
(5)安全监测:主厂房顶拱提前完成围岩变形监测仪器的埋设,以便对厂房开挖全过程进行监测,通过开挖过程中的实测变形观测数据,对开挖过程中洞室稳定进行分析,为开挖、支护提供科学指导。


3.2.正确处理交叉口的开挖

主厂房跨度大、边墙高,在边墙不同高程有二十余条洞室贯通,处理好这些交叉部位的施工,是确保工程安全的前提。遵循“先洞后墙”的原则进行开挖能提前进行应力释放,有效降低安全风险。
小洞室形成前,宜提前进行厂房边墙预裂,减少后期爆破对交叉口的拉裂影响;距交叉口2倍洞径的洞段内,应采取短进尺控制爆破,小洞室形成后,及时进行径向锁口。交叉口贯通后,及时进行环向锁口,确保洞口围岩稳定。此外,在主厂房上游边墙的引水洞和下游边墙的母线洞施工中,采取“跳洞开挖”以及分层开挖方式,有利于洞室应力的重新分布,减小对高边墙岩壁的影响。


3.3.主厂房开挖

3.3.1顶拱层
主厂房岩层产状较平,倾角15~20°,层状结构面对顶拱稳定性影响较大,易形成切割体掉块。为确保施工安全,主厂房顶拱采用分部开挖方法,分“中部开挖、上游侧扩挖、下游侧扩挖”三个步骤开挖成型。同时在顶拱布置锚杆应力计和多点位移计,通过监测及时了解开挖过程中岩体应力变化和变形情况,并据此进行控制爆破和调整支护方案。
在厂房顶拱开挖前,先施工小导洞进行开挖爆破试验。根据经验公式结合现场实际地质情况,确定合理的钻孔布置、装药结构及起爆方式等参数。在开挖过程中,一次揭露的跨度尽量小、并及时做好临时和系统支护。如遇地质条件较差、可能出现局部坍落的区段或因断层交错切割有倒挂的岩体时,采用“短进尺、多循环、弱爆破、勤支护、勤观测”的方法施工,且爆破后先初喷5cm厚混凝土护顶和布设适量随机锚杆,然后进行出渣和其他作业。在顶拱围岩不稳定部位预留岩柱,待顶拱层系统支护完成后再行处理。
3.3.2高边墙
主厂房中、下部高边墙开挖主要采用边墙深孔预裂、全断面梯段开挖施工技术。边墙预裂采用KSZ-100Y型预裂钻机进行造孔,钢管样架导向,结构预裂领先梯段开挖20m,梯段长度8~13m。
⑴预裂缝。预裂孔孔径80mm,孔距70cm,钻孔超深0.5~0.7m;线装药密度571g/m;每段连接处及边墙转角处需设置空孔,防止拉裂。预裂缝要求爆破后缝宽达到0.5~1.0cm。施工重点是控制预裂孔的造孔精度和装药量的准确性,爆破网络采用MS3以上较高段位雷管间隔起爆。
⑵拉槽梯段爆破。严格控制单响药量.高边墙质点振速≤10cm/s;炮孔宜为斜孔,钻孔角度80~85°;两相邻段毫秒微差时间间隔20~40ms;微差起爆方式采用“V”形或梯形;设置缓冲区,以减弱爆破振动向岩石边墙的传递。
⑶层间搭接施工。分层施工中采用层间搭接施工方法,搭接时间约1个月,即当上一层开挖支护约100m后,开始下一层的中间拉槽,同时集中力量继续进行该层的开挖支护。
3.3.3岩锚梁
岩锚梁开挖采用“中间预裂拉槽、两侧预留保护层、分层分区、小进尺多循环、样架导向钻孔、双向光面爆破”的施工方案。重点注意以下四方面:
⑴钻孔控制。为确保岩壁梁开挖质量优良,精心设计了光爆孔及缓冲孔钻孔样架,确保造孔精度。
⑵锁角设计。通过增设锚杆、角钢和喷砼进行预锚锁角加固,确保下拐点成型质量。
⑶均匀装药。对单卷炸药进行分解,将125g/条的φ25mm光爆药卷均匀地分成10小条,使炸药在孔段中的分布尽量均匀,避免出现爆破裂隙,确保岩台开挖质量。
⑷个性装药。岩壁梁位于软硬相间的缓倾角砂岩中,Ⅳ、Ⅴ类围岩的分布占岩壁部位50%。根据不同的围岩类别采用不同的装药参数。

图5 岩锚梁开挖效果照片


四、安全监测

4.1.永久安全监测

通过在地下厂房围岩埋设多点位移计、锚杆应力计、锚索测力计等仪器,布设围岩收敛观测断面及监测点,建立了完整的洞室围岩稳定监测系统,并在施工过程中实时测量和分析,为施工程序、施工方法决策提供科学可靠的依据。
主厂房共有5个监测断面布置多点位移计;7个监测断面布置锚杆应力计、锚索应力计;岩锚梁中埋设有锚杆应力计、钢筋计、测缝计、应变计。
⑴多点位移计:为获取开挖过程岩体内部各点全过程变形情况,主厂房顶拱的多点位移计均在相应部位开挖之前,从第一层排水廊道内安装,最大埋设孔深为30m,四个测点埋设位置分别距洞壁围岩表面0.5m、2.5m、6.5m和14.5m深度。边墙多点位移计安装埋设是在洞室开挖后进行,各测点深度分别距边墙2m、6m、14m和34m。锚杆应力计、锚索应力计则随着支护的施工进行。
监测成果表明,顶拱围岩表层出现三个位移增量台阶,与主厂房第Ⅰ层“中部开挖、上游侧扩挖、下游侧扩挖”的三个开挖序次相吻合,随着洞室下挖,围岩变形逐渐减小趋向稳定。顶拱中心线最大变形6.21mm,拱肩最大变形13.36mm(上游侧拱肩),边墙围岩最大变形6.74mm(上游侧)。根据曲线可以看出,围岩变形主要表现在浅表层,符合工程实际工况,总体变形量小于国内同类工程,目前已趋于稳定。
 
 
 
 
 
 

图6 1-1断面顶拱围岩变形曲线                 图7 1-1断面上游拱肩围岩变形曲线
⑵锚杆应力计:监测成果表明,顶拱及边墙围岩锚杆应力普遍呈缓慢增大趋势,大部分锚杆应力测值在50MPa以内,锚杆应力变化相对稳定,年变化量较小。岩锚梁围岩锚杆大多表现为受拉状态,呈缓慢增加变化态势,年变化量较小,目前应力大部分小于130MPa。

图8 3-3断面围岩锚杆应力变化曲线


4.2.施工期安全监测

4.2.1爆破振动监测和围岩松动圈检测
⑴爆破振动监测:主要是对开挖部位的临近结构进行质点振动速度监测,以了解开挖爆破对临近岩体和建筑物的影响。爆破振动测点按照水平径向、水平切向和竖直向三个方向布置传感器,采用TOPBOX爆破振动测试系统,并用爆破振动专用软件对测试波形进行处理分析,得到相应测点的爆破振动速度,实测振动速度峰值一般控制在10cm/s以内。振动监测结果表明,地下厂房开挖的爆破振动总体受控。
⑵围岩松动圈检测:通过对开挖爆破前后的岩壁进行声波检测分析,厂房岩锚梁岩台、第Ⅳ层以下边墙的开挖影响深度值为0.2~0.7m,说明在主厂房第Ⅲ层保护层开挖和边墙深孔预裂所实施的一系列精细爆破技术,有效地控制了对围岩自身质量的影响。
4.2.2瓦斯监测
煤炭科学研究总院重庆分院对地下电站主要洞室进行了施工期瓦斯浓度检测,在正常施工情况下,平均瓦斯涌出量为0.116~0.360m3/min,属于低瓦斯工区。在地下洞室施工初期,尤其是未形成自然通风的小断面盲洞,由于通风条件不好,容易出现瓦斯超限或局部瓦斯积聚。为消除安全隐患,防止各类瓦斯事故的发生,采取防治主要措施有:
⑴严格执行《进出瓦斯隧洞安全管理规定》,严禁和杜绝一切非生产火源进入隧洞;
⑵在可能积聚瓦斯的部位安设固定或移动检测仪器设备持续或定时检测;
⑶每月至少对瓦斯检测仪器进行一次调试、校验或校正;
⑷认真执行“一炮三检测”(装药前、爆破前、爆破后检查瓦斯)规定,消除安全隐患;
⑸加强隧洞内临时用电的安全管理,杜绝乱接乱拉的现象出现;
⑹加强施工期通风,保证工区内任何地点、任何时刻瓦斯浓度不大于0.3%;
⑺制定瓦斯异常情况应急预案,确保施工安全。
通过上述措施,保证了施工期间对瓦斯等有毒有害气体的全过程监控,其中在2008年7月第四层排水廊道开挖过程中检测出瓦斯超标(最大值7.47%)后,采取了紧急撤离人员、暂停施工、封洞、加强通风等措施,确保了安全施工。在地下厂房洞室群开挖过程中,未发生瓦斯相关的安全事故。
4.2.3岩锚梁桥机荷载试验
根据岩锚梁荷载加载试验,在加载到110%额定荷载时,边墙围岩最大变形0.07mm;岩锚梁与岩壁结合面处缝的开合度变化不大,无明显规律;围岩系统锚杆与预应力锚索应力变化值均在2~3MPa之间;岩锚梁锚杆应力变化值均小于10MPa。通过以上试验观测数据表明,岩锚梁整体稳定,符合设计要求。


五、总结

向家坝地下厂房开挖跨度和高度均居已建和在建工程之首,在设计上,主厂房和岩锚梁的支护设计均具有创新之处,变顶高尾水洞设计不仅起到取代尾水调压室的作用,而且在工程经济性和运行期调节能力上更具优势。在施工上,工程区域层状、缓倾角岩层与层间结构面、软弱夹层相互切割对厂房顶拱和高边墙稳定不利,通过采取分区开挖、控制爆破、动态监测和反馈分析等措施,用32个月的时间圆满完成了主厂房开挖支护,主厂房顶拱围岩最大变形13.36mm,边墙围岩最大变形6.74mm,围岩变形趋于稳定,总体变形量小于国内同类工程。地下厂房系统整体表现为低瓦斯特性,在开挖过程中加强通风、监测和严格管控,没有发生瓦斯安全事故。
总之,向家坝地下厂房规模大、施工难度大、技术问题复杂,在充分汲取其他工程经验教训的基础上,建设各方团结协作,提前规划,精心组织,严格控制,积极探索先进施工技术,通过科学合理的施工组织,创造了复杂地质条件下超大型地下工程顺利施工的典范。
 
作者简介:
刘益勇(1966—),湖北潜江人,中国长江三峡集团公司向家坝工程建设部地下部主任,教授级高级工程师,从事水电工程施工技术及管理工作;
景茂贵(1981—),四川宜宾人,中国长江三峡集团公司向家坝工程建设部,工程师,从事水电工程施工技术及管理工作。
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