淺談水電站螺旋式調壓井設計思路

(中國水電顧問集團雙柏開發有限公司，云南 雙柏 675107)

淺談水電站螺旋式調壓井設計思路

趙興有

(中國水電顧問集團雙柏開發有限公司，云南 雙柏 675107)

大灣電站調壓井工程原設計為豎井方案，井筒直徑16m，由于地處強風化的破碎巖體中，大跨度的井筒尤其穹頂部位，難于開挖成型，施工安全、質量也難以保證。經認真研究，將原方案調整為螺旋式調壓井，有效地避開了強風化破碎巖體。本文對此加以介紹。

調壓井；豎井方案；螺旋式調壓井

1 概 述

1.1 工程概況

大灣電站屬三等中型工程，水庫正常蓄水位748m，死水位741m，汛期運行水位742m，水庫庫容2460萬m3，電站裝機49.8(2×24.9)MW。電站以單一發電為主，無防洪、灌溉、航運、供水等其他綜合利用要求。

1.2 地質條件

調壓井順山梁布置，地形坡度25°～35°，山梁兩側地形相對較陡，坡度約為30°～45°。地質勘探資料顯示，調壓井部位坡積層厚度約4m，主要由碎石質粉土混塊石及部分腐殖土組成，結構疏松。下伏基巖為侏羅系下統馮家河組砂質板巖夾長石石英砂巖。因地處山梁部位，巖體風化、卸荷及蠕變強烈，全、強風化層較深，并存在夾層風化現象。強風化下限埋深45～60m，最深達86m，強卸荷巖體水平深度約16m，卸荷巖體水平深度大于71m，巖體普遍傾倒，傾倒深度與卸荷深度基本一致。

調壓井部位結構面以Ⅳ、Ⅴ級為主，無Ⅲ級及以上結構面發育，結構面夾泥嚴重。頂拱部位巖體全—強風化，圍巖以Ⅴ類為主，巖體破碎，強度較低，自穩能力差，開挖過程中需及時進行支護。井筒中段巖體強—弱風化，圍巖以Ⅳ、Ⅴ類為主，巖體較為破碎，強度較低，自穩能力較差，開挖過程中應及時支護處理。井筒下段巖體弱風化，圍巖以Ⅳ、Ⅲ類為主，巖體相對完整，局部圍巖穩定性差，開挖后需對圍巖及時支護處理。

2 調壓井設計變更原因

2.1 可研階段設計方案

2.1.1 調壓井布置

可研階段，調壓井布置在引水洞1+300處的右岸山梁上，調壓井井筒直徑16m，斷面面積200.96m2，根據調壓井涌浪計算結果，最高涌浪水位761.1m，最低涌浪水位726.834m，確定調壓井井筒頂高程765m，穹頂高程770m，壓力管道進口軸線高程720.625m。根據調壓井涌浪計算結果，確定阻抗孔直徑3.5m，面積為引水洞面積的34%，可以有效抑制調壓室的波動幅度及加速波動的衰減。在穹頂設置水平通風洞(寬×高=4m×5m)，底板高程765m。

根據調壓井結構型式及圍巖條件，初步確定調壓井底板厚1m，井壁厚0.5m，采用鋼筋混凝土襯砌，頂拱初期支護為掛網噴錨支護，井壁初期支護為噴錨支護。

2.1.2 變更原因

大灣水電站開工后首先進行引水洞開挖、支護施工，并由2號施工支洞下游面向調壓井下部筒體開挖推進，同步安排調壓井上部通風洞開挖支護，待通風洞開挖到調壓井位置后，開挖小導洞與調壓井下部貫通，再擴挖至全斷面貫通。通風洞斷面尺寸4m×5m(寬×高)，但在進洞后不久就出現大面積塌方，期間采用鋼支撐強支護、弱進尺處理。2010年3月11日，在調壓井穹頂前半球按調壓井支洞斷面開挖支護至調壓井中心時，由于圍巖較差，右邊拱出現大規模塌方，調壓井洞身及通風洞被堵死，工程被迫停工。隨后施工單位先充填灌漿，待具有一強度后，用鋼支撐配合超前錨桿、管棚、掛網噴混凝土等方法進行強支護、短進尺處理，但效果不明顯，塌方范圍有進一步擴大的趨勢。

為此，從安全角度出發，設計單位對調壓井設計方案進行復核、調整，經認真分析，可研階段調壓井方案存在以下問題：

a.直徑16m的調壓井穹頂處于地質條件復雜變化的強風化巖層中，即使采用強支護也難以成型，調壓井井筒開挖安全隱患極大。施工單位對此也表示無法實施，安全無法保障。

b.原支護設計僅用噴錨支護，井筒鋼筋混凝土結構厚度0.5m也顯得較為單薄。

此后，設計、專家組一行多次深入現場踏勘、研究比較方案，最終提出螺旋式調壓井方案。該方案一方面可避開不利地質構造影響，同時減小開挖跨度?？裳须A段設計的16m直徑井筒跨度大，巖體破碎風化嚴重，尤其穹頂部位更難于開挖成型。變更后的6m×6m的城門洞形，有利于開挖洞身整體穩定，洞身工程施工安全、開挖質量及混凝土襯砌質量較易保證，對電站發電運行穩定更加有利。另一方面，結合今后壓力鋼管安裝通道，極大提高了施工便利性。

2.2 推薦設計方案

根據上述情況，經深入設計、比較分析，提出推薦設計方案。

2.2.1 方案比較

根據調壓井所處地形地質條件，按照如下原則進行調壓井布置：

a.調壓井布置于較好圍巖中。

b.不影響已完成的的工作面和工程。

c.方便施工和為后續工作提供方便。

根據上述原則提出了如下四個設計比較方案：

a.前移方案。將調壓井前移90m，布置于圍巖較完整的砂巖中，可以保證調壓井圍巖穩定及施工順利進行。缺點是延長鋼管道長度，需廢棄已完成的部分引水隧洞和施工支洞，重新開挖施工支洞。

b.后移方案。將調壓井后移60m，采用明挖調壓井方案，這樣可以保證調壓井施工安全。缺點是調壓井將形成100m多高的邊坡，開挖支護工程量較大，工期及投資均不利；另外只能在地質條件較差的圍巖中布置豎井，同樣難以施工。

c.扁圓方案。維持原調壓井中心線位置不變，將圓形斷面改變為扁圓形(8m×32m)，減少開挖跨度，這在一定程度上降低了施工難度，且已完工程均可正常使用。缺點是通風洞及頂拱施工難度大，安全隱患大。

d.螺旋方案。采用底坡13%的螺旋形調壓井，凈空尺寸6m×6m。這一方案避開了地質復雜的強風化區域，增強了施工安全性，調壓井底坡滿足了施工出渣及進料運輸要求，可兩端同時開挖施工和同時澆筑混凝土，對工程進度有利；根據工程整體調整布置，調壓井將兼具壓力鋼管運輸通道。缺點是增加一定工程量。

經分析比較，大灣電站推薦采用螺旋式調壓井方案，該方案調壓井水平投影面積248.8m2，大于原設計的200.96m2，滿足調壓需求。

2.2.2 推薦方案布置

推薦方案調壓井布置在引水隧洞1+310處，阻抗孔設置在右側，直徑3.5m；調壓井采用城門洞形(底寬6m、高6m)，螺旋形上升(坡度13%)，上接已開挖的通風洞。

推薦方案調壓井各類圍巖比重為：Ⅱ類圍巖占17.8%，Ⅲ類圍巖占24.4%，Ⅳ類圍巖占41.9%，Ⅴ類圍巖占15.9%。調壓井下段主要為微風化—新鮮的砂質板巖，中段為微風化—新鮮的長石石英砂巖，上段為弱風化的砂質板巖，總體地質條件較好。

3 推薦方案驗證

為驗證推薦調壓井方案的可行性，主要從水頭損失、調壓室穩定斷面、調壓室涌浪水位幾方面復核驗證。經驗算，得出如下結論：

a.推薦方案水頭損失為3.022m，比可研方案水頭損失3.064m略小，滿足設計要求。

b.與可研成果相比，推薦方案調壓室水平投影面積為248.77m2，比可研估算斷面積200.96m2大，滿足調壓需求。

c.變更后調壓井最高涌浪水位756.28m，比調壓井頂部高程762m低5.72m。最低涌浪水位734.106m，比引水隧洞洞頂高程723.55m高10.55m，大于2m，滿足設計要求。

4 方案實施效果

4.1 工程量對比

調壓井方案變更前后工程量對比見下表。

調壓井方案變更前后工程量對比表

4.2 實施效果

2011年5月確定采用設計推薦的螺旋式調壓井方案，期間因停工1年多時間，原施工單位已退場，項目重新招標組織施工隊伍進場。2011年10月調壓井恢復施工，因圍巖較差，對全長311.7m城門洞形6m×6m的調壓井洞身，全洞段采用鋼支撐、超前錨桿、掛鋼筋網及噴混凝土進行強支護、短進尺處理。2012年7月14日，調壓井開挖順利貫通，隨后對調壓井進行全斷面噴混凝土補強處理(見圖1、圖2)。

圖1 螺旋式調壓井洞身開挖掌子面情況

圖2 螺旋式調壓井洞身開挖支護效果

2013年4月開始調壓井洞室底板清基，2013年5月開始底板混凝土澆筑。2013年7月18日調壓井底板混凝土澆筑完成，移交工作面于金結單位，作為壓力鋼管道安裝運輸通道使用。計劃壓力鋼管安裝完成后，適時進行調壓井邊頂拱混凝土澆筑。

對比可研方案，螺旋式調壓井方案工程量有所增加。但在相同地質條件下，豎井方案開挖難度大，要先開挖調壓井上部通風洞，待通風洞開挖到調壓井位置后，開挖小導洞與調壓井下部洞身貫通，再擴挖至全斷面貫通。豎井擴挖斷面直徑16m，尤其是高46m的井筒，施工質量、人身安全均難以保證，且開挖洞渣料無法正常運送出洞外，對工期不利。

采用13%底坡、斷面6m×6m城門洞形螺旋式調壓井，工程機械可正常出入，出渣便利。小跨度城門洞形斷面，開挖支護難度降低，每延米洞身開挖支護量減小，循環快，能真正意義上實現新奧法施工的時效性。工程質量、安全、進度均得到有效保證，也為其他工種作業提供了極大便利。

5 結 語

對調壓井設計方案變更調整，可以得出如下結論：

a.工程量比可研階段工程量增加較多，但方案的調整減少了施工難度和施工風險，加強了工程整體安全性。

b.變更后調壓井水平投影面積滿足托馬公式要求，涌浪計算結果與可研階段成果基本相當，且波動范圍比可研成果略小，機組的安全運行有保障。

c.設計變更后無論一次支護還是二次襯砌結構，均得到充分加強，工程安全性更好。

d.方案變更后挖掘斷面積變小，跨度減小，可采用較常規的開挖方法順利通過不良地質洞段，施工安全更有保障?？蓛啥送瑫r施工，加快工程進度。

e.變更后調壓井底板可兼作壓力鋼管運輸通道，順利解決了該電站壓力鋼管運輸難的問題。

OnSpiralSurgeShaftDesignIdeasofHydropowerStation

ZHAO Xing-you

(Hydro-ChinaConsultingGroupShuangbaiDevelopmentCo.,Ltd.,Shuangbai675107,China)

Dawan Hydropower Station surge shaft project is originally designed into vertical shaft. The shaft diameter is 16m. Since the project is located in highly weathered crushing rock, it is difficult to excavate and shape shaft with large span, especially in dome area. The construction safety and quality cannot be ensured. The original plan is adjusted into spiral surge shaft after careful research, thereby effectively avoiding highly weathered crushing rock. The condition is introduced in the paper.

surge shaft; vertical shaft plan; spiral surge shaft

TV732.5+1

A

1673-8241(2014)08-0050-04