铜电施工地质鉴定与设计优化

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简介： 文章介绍作者在担任铜钟电站设计代表期间，跟踪施工工地，及时鉴定、反馈最终岩体类别、地质参数，推进现场设计优化，节约巨额工程投资的具体实例，进而论述了施工地质鉴定与优化设计工作在电站建设期的重要技术经济价值。
关键字：铜钟电站 施工地质鉴定 优化设计 工程投资

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（见图1），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。

　　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。根椐

　　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╳10-50.875>50.583流土角砾质砂透镜体非渗控层2.46╳10-20.4751.90.32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 ）,

洞名长度围岩类别ⅡⅢⅣⅤ上洞594m前期预测％——m0——0m30%——178m60%——356m10%——60m开挖实况m0m459m110m25m下洞691m前期预测％——m0——0m50%——345m35%——242m15%——104m开挖实况m300m357m34m0m

　　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.

　　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，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。