黑河大孤山水电站引水隧洞设计与施工要点

第５Ｏ卷第１１期　２０１４年１１月　甘肃水利水电技术　ＧＡＮＳＵ　ＷＡ＇ｒＥＲ　ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ　ＡＮＤ　ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．５０．Ｎｏ．１１　ＮＯＶ．．２０１４　

・施工技术・　

黑河大孤山水电站引水隧洞设计与施工要点　

陈学雁　

（甘肃黑河水电开发股份有限公司，甘肃张掖７３４０００）　

摘要：黑河大孤山水电站引水隧洞设计水头７３　ｍ，洞长７　３　ｋｍ，成洞洞径６　ｍ，属于特长有压隧洞。简要介绍了大孤　山水电站引水隧洞采用新奥法进行设计和施工的经验和体会，以及在施工过程中对不良地质条件的处理措施。　关键词：大孤山水电站；引水隧洞；新奥法；锚喷；灌浆　中图分类号：ＴＶ６７２￣．１；Ｕ４５５　文献标志码：Ｂ　文章编号：２０９５—０１４４（２０１４）ｌ１－００５３—０２　

１　工程概况　

黑河大孤山水电站位于甘肃省肃南裕固族自治　县境内的黑河上游，是黑河干流规划中的第５座梯　

级水电站，上游接已建成的二龙山水电站尾水，下游　于小孤山水电站枢纽衔接。电站主要任务是发电，　

采用低闸长隧洞引水式开发．设计装机容量６５　ＭＷ．设计引水流量１０５　ｍ３／ｓ，设计水头７３　ｍ　多年平　

均发电量２．０２亿ｋＷ・ｈ，为中型Ⅲ等工程。　２隧洞地质条件概况　

引水隧洞长７．３　ｋｍ，成洞洞径６　ｍ．线路穿越走　廊南山北坡高山区，洞顶埋深１２０～３６０　ｍ，岩石以变　

质砂岩、硅质板岩为主，其中Ⅱ类围岩约占４４．３８％，　Ⅲ类围岩约占３７．３８％，ＩＶ类围岩占１６．９５％，Ｖ类围　

岩占１．３％。岩石总体质量较好。多属致密坚硬岩石，　满足成洞要求。微新岩体呈厚层一次块状结构，单轴　饱和抗压强度为６０～９０　ＭＰａ。岩石致密坚硬，断裂不　

发育．易积累应变能，埋深大于４００　ｍ的Ⅱ、Ⅲ类围　

岩洞段可能有轻微岩爆发生。　沿线断层、裂隙较发育，主要为ＮＷＷ、ＮＷ和　

ＮＥ向３组。洞线有２条规模较大逆断层Ｆ２２、Ｆ４７　通过洞室，断层产状ＮＷ２８０Ｏ　３００。ＮＥ　４８Ｏ　６５。，破　碎带宽度１０～２０　ｍ，断层带充填碎裂岩、糜棱岩、断　

层泥。其余断层破碎带宽度０．２～３．０　ｍ，规模小，对洞　

室稳定影响较大。沿途对发电隧洞有影响的冲沟为　

右岸的三子龙沟，冲沟走向基本垂直黑河河流，坡降　较大，底宽１００～３００　ｍ，沟内覆盖第四系冲洪积物，　

厚度４０～１００　ｍ，冲沟多有季节性流水。　３隧洞开挖、支护及灌浆设计　

３．１　开挖支护设计　目前，国内水工隧洞支护设计有２种方法：①传　统方法，即围岩松动荷载全部由支护结构承担；②新　

奥法，采用喷锚支护为主要手段，可以最大限度地紧　跟开挖作业面施工，因此可以利用开挖施工面的时　

空效应，以限制支护前的变形发展。阻止围岩进入松　动的状态，在必要的情况下可以进行超前支护，加之　

喷射混凝土的早强和全面粘结性。因而保证了支护　的及时性和有效性。并根据量测数据确定二次支护　

的时间，使初期支护与后期衬砌形成一体的组合衬　砌形式，两者共同承担荷载，最终达到充分发挥围岩　

承载能力的目的。　针对大孤山水电站引水隧洞的地质特点．对该　

隧洞采用新奥法进行支护设计，即一次支护结合二　次衬砌的支护措施。由于构成引水隧洞的Ⅱ、Ⅲ类　

围岩岩性比较坚硬。为了充分利用同岩的自承能力．　节省投资。通过计算并根据已建的工程统计资料对　

隧洞进行了优化设计。在满足规范及施工要求的情　况下，隧洞采用薄衬砌，Ⅱ类同岩衬砌厚度２５　Ｃ１ＴＩ．　

Ⅲ类围岩厚度３０　ｃｍ，衬砌仅起减糙和增强防渗的　作用。通过固结灌浆进一步增强围岩的承载能力、　

降低围岩的渗透系数，达到由围岩来承担内压的作　用，提高衬砌和围岩的联合承载效果。　

对Ⅱ类围岩洞段，采用随机锚杆加喷锚支护的　方式，随机锚杆采用＋２５　ｉｎｔｏ，Ｌ＝２．５　ｍ，锚杆人岩　

２．３　ｍ．喷混凝土的厚度为１０　ｃｍ．二次混凝土衬砌厚　度２５　ｃｍ；对Ⅲ类围岩洞段，采用系统锚杆加喷锚支　

护的方式，锚杆采用＋２５　ｍｍ，Ｌ＝３ｍ。锚杆入岩　

２．８　ｍ，喷混凝土的厚度为１０　ｃｍ，二次混凝土衬砌　厚度３０　ｃｍ；对Ⅳ类同岩洞段．开挖断面顶拱２７０。范　

围进行系统支护，采用西２５　ｍｍ，Ｌ＝３．５　ｍ的系统锚杆，　锚杆间、排距１．５　ｍ，梅花形布置，挂设西８　ｒａｍ＠２０　ｃｍ×　

收稿日期：２０１４—１１—１９　作者简介：陈学雁（１９７１一），男，甘肃张掖人，丁程师，主要从事水利水电工程建设管理，Ｅ－ｍａｉｌ：３７６８８３６３１＠ｑｑ．ｃｏｒｎ　

－　５３　・

　２０１４年第１１期　甘肃水利水电技术　第５０卷　

２０　ｃｍ的钢筋网，喷１０　ｅｍ厚的Ｃ２０混凝土，二次混　

凝土衬砌厚度４０　ｃｍ：对于Ｖ类围岩洞段、断层带，　采用钢拱架加强支护，拱架间距ｌ　ＩＴＩ，开挖断面顶拱　

２７０。范围进行系统支护．采用６２５　ｍｍ．Ｌ＝４．０　ｍ的系　统锚杆，锚杆间、排距１．５　ｍ，梅花形布置，挂设　

６８　ｍｍ＠２０　ｃｒｕｘ２０　ｅｍ的钢筋网，喷１５　ｅｍ厚的Ｃ２０　｝昆凝土。二次混凝土衬砌厚度５０　ｅｍ。　

３．２灌浆设计　（１）回填灌浆设计　

在隧洞混凝土衬砌的背水面．对混凝土浇筑未　

能浇实且凶收缩留有空隙的部位进行回填灌浆．可　使混凝土和岩体结合为整体，共同抵御外力，防止渗　

漏。本工程所有洞段在顶部１２０。范围进行了回填灌　

浆，灌浆从高程较低的一端开始，向较高的一端推　

进，灌浆孔分为２序。后序孑Ｌ均设置顶孔。灌浆孔深　

度以进入围岩１５　ｅｍ为标准，灌浆孔、排距约为　

３　ｍ，灌浆压力为０．３　ＭＰａ。灌浆浆液采用浓度比级　为０．６：１的纯水泥浆液，对于孑Ｌ隙大的部位及塌方处理　

段灌注水泥砂浆，掺砂量不大于水泥重量的２００％。　（２）同结灌浆设计　

灌浆目的是提高该段围岩的整体性，增加弹性　

模量、压缩模量，提高岩石的抗渗性能，减轻衬砌的　外压，提高罔岩的抗内压能力。设计对所有洞段均　

进行了固结灌浆。本工程在施工过程中按环间分序、　环内加密的原则进行。环间分为２序，对地质条件　

不良段，采取分３序进行。灌浆孔深３．０　ｍ，孔排距为　

３　ＩＩｌ，终孔直径不小于３８　ｍｍ，灌浆压力１．０　ＭＰａ。固　结灌浆的４个浆液比级（水：水泥（重量比））分别为：　

２：ｌ、１：１、０．８：１、０．５：ｌ。　４隧洞施工　

针对本工程的特点．在保证工程安全的前提下，　

为减少工期，节省投资，隧洞施工过程中采用“新奥法”　施工。通过对隧洞施工中量测数据和对开挖面的地　

质观测进行预测、预报和反馈。对隧洞施工方法、断　

面开挖步骤及顺序、初期支护的参数进行合理调整。　

４．１　隧洞支护施工要点　

初期支护要及时，要求一次支护紧跟开挖面，对　

开挖暴露面及时进行地质编录后尽早的实施初期喷　锚支护。经初期支护加固，使得围岩变形得到有效　

的控制，而不至变形过度引起失稳坍塌，以达到围岩　

变形适度而又能充分发挥其自身的承载力。如果不　及时喷锚支护，后续的开挖施工震动容易将松动的　

岩石震下，造成洞顶坍塌，对于不良段围岩，岩体变　

形时间效应较短，若不把握初期支护的时间，待岩体　变形较大时再去支护．就意义不大了并且存在很大　

・５４・　的安全风险。　初期支护要紧贴围岩。支护设施与围岩形成整　

体才能使围岩自身承载力发挥作用，对易风化及自　

稳性较差的软弱围岩，应使开挖面及早封闭，避免围　岩因暴露时间过长而产生风化、变形，降低其强度和　

稳定性。不能使支护与围岩达到良好的共同工作状　

态。如果一次支护与围岩贴合不紧，特别是拱顶形　成空腔或者不密实，拱顶围岩变形将存在较大可能，　

随后续施工的影响，围岩变形将加大，使松动区扩　

大．最终由一次支护单独承担荷载．极易造成支护失　

稳、洞顶坍塌的严重后果。　在施工过程中要求施工单位勤测量，对洞内同　岩变形进行现场监控，并及时反馈修正设计参数，指　

导施工或改变施工方法，以确保施工安全、洞室稳　

定、支护衬砌结构的质量和工程造价的合理性。　

４．２地质条件不良段处理　隧洞穿过断层地段，施工难度取决于断层的性　

质、断层破碎带的宽度、填充物、含水性和断层活动　

性以及隧洞轴线和断层构造线方向的组合关系（正　交、斜交或平行）。此外，与施工过程中对同岩的破　

坏程度、工序衔接的快慢、施工技术措施是否得当　

等．均有很大的关系。　当隧洞轴线接近于垂直构造线方向时，断层规　

模较小，破碎带不宽，且含水量较小时，条件比较有　利，可随挖随撑，并根据地质条件加强支护。但当隧　

洞轴线斜交或者平行于构造方向时，则隧洞穿过破　

碎带的长度增大．采用超前小导管注浆预加固掌子　

面及松动圈、超前支护及早控制地下水。初期支护　采用立钢拱架、挂钢筋网、喷射混凝土的支护方案。　

钢拱架采用型钢弯制，钢拱架间距根据地质情况按　

０．５～１．０ｍ布置．连接钢筋采用环向间距１　ｍ的６２２　ｍｍ钢筋。全环布置，在拱架每脚设置２根４，２５　ｍｍ　的锁脚锚杆．开挖断面顶拱２７０。范围进行系统支　

护，采用４）２５　ｍｍ，Ｌ＝４．０　ｍ的系统锚杆，锚杆问、排　

距１．５　ｍ．梅花形布置，挂设４，８　ｍｍ＠２０　ｃｍｘ２０　ｃｍ的　

钢筋网，外喷２０　ｅｍ厚的Ｃ２０混凝土。　

５结语　（１）在隧洞设计、施工中采用“新奥法”，能够使　隧洞掘进开挖比较安全，可在保证工程质量的前提　

下适度加快进度．节省投资．在施工过程中应当尽量　

做到“少扰动，早喷锚、勤量测，紧封闭”以保证工程　安全。　

（２）工程地质条件的不确定性是隧洞工程设计　

的最大特点之一．工程前期地质勘察无法做到完全　

准确。因此在施工过程中需要地质（下转第６４页）

　２０１４年第１１期　甘肃水利水电技术　第５０卷　

泾河泥沙混浊，“占人”就有记载。泾河是中华民族最早　开发水利的地方之一，秦朝就兴修了“郑国渠”引泾河灌溉，　汉代继修“白渠”延伸和扩大灌溉范围，民国时期修建的“泾　惠渠”使原来贫瘠的关中变成了“粮仓”。《汉书・沟渠志》记载　了当时的民谣：“田于何所？池阳谷口。郑国在前，白渠起后。举　吾为云，决渠为雨。泾水一石，其泥数斗，且溉且粪，长我禾黍，　衣食京师，亿万之口。”一石（ｄａｎ）是十斗，“数斗”泥沙占了水　量体积的百分之十几到几十，这与两千多年后测定的平均含　沙量１４１　ｋｇ很吻合。泾河水含沙量高一直是水利科技上的课　题，２０世纪七八十年代，西北水利科学研究所就研究成功了　泾惠渠高含沙量输水技术，真是“且溉且粪，长我禾黍”。　泾河含沙量高，泾浊？胃清的现象是否全年如此？也不一　定。河水混浊发生存洪水季节，多沙河流在枯水季节也是清　的　那个乾隆时期的胡知府很可能是在枯水季节的初冬考察　了泾河，而看见“老龙潭底见冰壶。汪洋千顷无沉滓”的。如果　泾河流域和渭河流域发生洪水时机不同步，就是说渭河上游　发生了洪水，而同期泾河并未发生，则在陈家滩会出现泾清渭浊　现象。到底历史上是否出现过，我尚未研究两河的水文记录资　料，不得而知，但是这种可能性是存在的，即使出现几率不高。　“泾渭分明”现象在其他河流交汇处也不鲜见，最引人注　目的是三峡水库蓄水前大宁河汇人长江处，来自“小＝三峡”的　大宁河清澈碧透，汇人相对混浊的长江时有明显的清浊分　界。三峡水库蓄水后，大宁河口淹没在水库里，都是一库清　水，再也没有泾渭之分了。甘肃省文县玉垒关，是白水江汇流　白龙江之处，白水江清澈，白龙江略混浊，泾渭分明，既使现　在均为碧口水库所淹没，在水库水位较低的时候，依然能区　分清浊。　总而言之，“泾渭分明”是泾浊渭清！