铜电施工地质鉴定与设计优化

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　　1、引言
　　水电工程施工地质工作，是电站建设现场设计代表工作的重要组成部分。由于水电建设前期的地质勘探和试验工作，都客观地存在着不同程度的局限性和片面性，特别是勘探试验投入较少的中小型电站。因此，为了充分估价电站站址可能存在的各种不利地质因素，前期地质人员，无论在宏观工程地质评价，或微观岩体分级、参数选取时，一般都要从难考虑，留有相当的安全余度，以减少设计的盲目性和施工的冒险性。所以，到了施工阶段，开挖揭示出来的实际地质情况，多半要比前期预测为好。故在我国水电建设资金尚不充裕的当前，施工地质人员能否从工程需要出发，在跟踪施工工地编录地质资料的同时，敏锐地做出合理的最终地质鉴定，并及时反馈修正岩体类别与地质参数，为现场修改、优化设计提供可靠的计算依据，乃是在电站建设期，能否节约工程投资的关键环节之一。
　　本文阐述的铜钟电站施工地质鉴定与优化设计成果，即是一个很好的例证。
　　2、工程简介
　　铜钟电站位于四川阿坝藏羌自治州茂县境内，是岷江干流上继映秀湾、太平驿之后新建的第三座闸坝引水式电站。闸坝高26.7m，引水线路总长1495m,包括上引水隧洞594m（ф= 7.5m）,管桥210m（ф= 6m），下引水隧洞691（ф= 7.5m）（见图2）。引用流量162m3/s，设计水头36m,装机容量51mw。因保留区内原建的南新无坝引水电站,装机9.6mw；又在闸后增建一座南新二级消能电站,装机6mw。本梯级总装机容量66.6mw，年总发电量4.26亿kw.h。[page]　　3、铜钟电站施工地质鉴定与优化设计成效
　　3.1 闸坝基础防渗墙设计优化
　　铜钟电站与其下游的太平驿电站同属软基建坝，河床覆盖层结构亦与太平驿电站类似偏优,详见表1。

　　表1 太平驿电站、铜钟电站两闸基软层结构比较表

电站名称	地质年代	地层代号	地层结构	厚度	透水性能	允许坡降建议值
太平驿电站	全新统	alq4	含巨漂的漂卵块碎石层，局部架空	≤ 20m	强透水	0.15
	晚更新统	fglq3	块碎石土、砂卵石互层，夹粗中细砂薄层	18m-45m	弱透水	0.3-0.35
铜钟电站	全新统	alq4	含巨块的漂卵（块）砾（碎）石层	≤ 22m	中等透水	0.1-0.12
	晚更新统	fglq3	块（卵）碎（砾）石土层，夹角砾质砂透镜体	20m-40m	微、弱透水	0.3-0.4

　　表1可见两闸基地层结构基本一致。alq4层开挖时，有水渗入基坑，深挖在fglq3层内，反而成无水干坑，可见fglq3层的相对隔水性能，故太平驿闸基采用了简单的水平铺盖防渗，效果很好。而铜钟闸基，由于没有使用该闸基下部渗流控制层fglq3的允许坡降建议值0.3~0.4，只使用了该闸基上部非渗流控制层alq4层的允许坡降值0.12，设计的是深达46m的垂直混凝土防渗墙，显然二者造价悬殊。为进一步论证使用参数的合理性，施工期特在基坑渗控层fglq3中采样做了两组大型现场渗流变形试验，试验成果见表2。
　　表2 铜钟电站闸基fglq3层原状土现场管涌试验成果表

土层名称	特性	渗透系数（cm/s）	临界坡降j k	破坏坡降j f	允许坡降j允	破坏形式
块卵碎砾石土	渗流控制层	1.35╳10-5	0.875	>5	0.583	流土
角砾质砂透镜体	非渗控层	2.46╳10-2	0.475	1.9	0.32	管涌

　　试验资料，地质、设计人员研究选用了0.32作为fglq3层的允许坡降值，进行重新计算。遂将正在紧张施工的防渗墙底板高程1412m~1416m，修改为1425m~1430m，整体提高了13~14m。修改后的防渗墙（详见图3）既确保封闭了强透水alq4层，且嵌入了相对隔水层fglq3层5m—10m。削减了混凝土防渗墙2533m2。（原设计防渗墙面积8538m2，修改后为5830m2，减去深部已成墙175m2，合同单价1107.39 元／m2）节约工程投资280.50万元。缩短工期至少一个月，还解决了当年安全渡汛的难题。
　　3.2 引水隧洞支护优化
　　3.2.1 取消临时性支护
　　原设计引水隧洞3/4断面需全喷混凝土临时性支护，其中ⅳ、ⅴ类围岩还要求锚杆加挂网喷混凝土。经过上引水隧洞百米洞段地质编录分析认为，构成本隧洞的结晶灰岩、千枚岩虽具薄层状结构，但层间结合力强，围岩自稳能力较好。故研究决定：取消全面临时性支护，只要求对洞口风化卸荷带ⅳ、ⅴ类围岩段，进行及时的永久性衬砌。由此减少：岩石洞挖2852m3（合同单价111.92元／m3），喷混凝土2852m3（合同单价477元／m3），锚杆2873根（合同单价71元／根），钢筋网15t（合同单价3928.49元／t），共节约支护费用194.25万元。
　　3.2.2 永久性衬护优化　　
　　上下引水隧洞开挖后，因深部围岩结构面不发育且多闭合，又无地下水活动，故复核鉴定围岩等级普遍提高，各类围岩实际长度、比例与前期预测比较如表3。修正后围岩类别：ⅴ类减少139m（钢筋1.315t/m ）,

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洞名	长度	围岩类别	ⅱ	ⅲ	ⅳ	ⅴ
上洞	594m	前期预测％——m	0——0m	30%——178m	60%——356m	10%——60m
		开挖实况m	0m	459m	110m	25m
下洞	691m	前期预测％——m	0——0m	50%——345m	35%——242m	15%——104m
		开挖实况m	300m	357m	34m	0m

　　表3 引水隧洞围岩类别修正前后长度、比例比较表

　　ⅳ类减少454m(钢筋1.171t/m), ⅲ类增加293m(钢筋0.925t/m), ⅱ类增加300m(钢筋0.544t/m),优化设计后减少钢筋280.19t（合同单价3928.49元／t）,节省钢材及其制安费110.07万元.

[page]　　3.3 调压室支护优化
　　3.3.1 取消顶拱临时性支护
　　调压室长70m,宽10m，高27m。半圆形顶拱1/2断面开挖后, 无掉块现象，围岩鉴定属ⅲ类偏好，故建议取消原设计的挂网喷混凝土临时支护，并削减锚杆深度。设计采纳后，减少：洞挖282m3,喷混凝土282m3, 钢筋网5.65t,锚杆686根长5m改为4m，（价差22元/根）,共节约资金20.34万元。
　　3.3.2 削减边墙锚杆及喷混凝土
　　因布置窄长调压室时，已考虑使其轴线垂直陡立岩层走向，边墙自稳能力较顶拱更强，加之锚杆平行岩层层面布设作用不大，故地质|考试大|人员建议取消锚杆及喷混凝土。经业主、监理、设计三方会议研究，采取了削减锚杆长度及喷混凝土厚度的方案：改喷混凝土20cm为10cm,减少洞挖381.5m3，喷混凝土381.5m3；将原设计的8m锚杆588根、10m锚杆686根，全修改为4m锚杆（差价：8m锚杆88元/根；10m锚杆,132元/根）共节约资金36.70万元.
　　3.4 压力管道临时性支护优化
　　经地质编录认为，压力管道除洞口ⅳ、ⅴ类围岩段，须喷混凝土、随机锚杆|考试大|外，其余ⅲ类围岩自稳能力尚佳，无掉块现象，临时性支护可以取消。设计修改后减少：洞挖293m3，喷混凝土293m3，锚杆85根（合同单价71元/根），挂网4.44t，节省费用19.60万元。
　　3.5 引水系统固结灌浆优化
　　原设计对ⅲ、ⅳ、ⅴ类围岩均布置了固结灌浆，地质鉴定认为：引水系统ⅲ类围岩结构紧密，没有灌浆的可能和必要。优化后减少固结灌浆工程量：引水隧洞4722m；压力管道798m（单价74元/m），节约投资40.84万元。
　　3.6 尾水渠防渗（冲）墙的取消
　　尾水渠基础大部分处在力学性能差的粉土层上，当初考虑施工困难，于临河侧设计了一道混凝土防渗（冲）墙，亦属合理。施工后期地质人员分析认为：由于厂房基坑连续两年抽水，改变了原地下水的排泄方向，尾水渠基坑涌水量必将大大减小。另河水也日趋枯期，采取填土、压石等护坡措施，同样可以防止渗流破坏，所以生产会上提出了取消尾水渠防渗（冲）墙的建议。会议采纳后，省去了原设计的混凝土防渗（冲）墙1708.06m2，钢筋60.73t，节约工程造价213 万元，也避免了当时对土建施工工期的干扰。
　　铜钟电站建设期间|考试大|，仅上述六项优化设计的不完全统计，即为业主节约了工程投资九佰余万元（915.30万元）。由于业主、监理、设计、施工各方人员谨慎务实，在最终选用参数指标时，考虑了适当的安全储备，故在历经两年半的施工过程中，从未发生过一起因上述修改设计而引起的安全或质量事故。经过冲水发电试远行检验，闸坝防渗效果良好，地下洞室围岩稳定。
　　4、结语
　　由此可见，不仅在电站开发前期的规划设计阶段，需要反复进行勘查论证，方案比较和设计优化；进入施工阶段以后，同样有许多现场设计优化工作可做。而且，施工阶段的设计优化，可以使设计更加符合客观实际，对缩短建设工期、节约工程投资，具有更加现实的直接技术经济价值。
　　随着21世纪的到来，我国即将加入wto，日趋完善与国际接轨的业主负责、建设监理和合同管理一系列新的水电建设管理体制，必将为优化设计开辟更加有利的环境。作为驻施工现场设计代表的地质、设计人员，更应加强为业主服务的新观念，克服“多一事不如少一事”，“修改设计就是否定自己”等错误认识。努力挖掘地质潜力，积极优化设计，为节约我国水电建设工程投资做出更大的贡献。

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