例析抽水蓄能电站新工艺和技术的应用

1 概述

溧阳抽水蓄能电站地处江苏省溧阳市，枢纽建筑物主要由上水库、输水系统、地下发电厂房及下水库4部分组成。电站安装6台单机容量250MW的可逆式水泵水轮发电机组，总装机容量1500MW。引水和尾水均采用一洞三机供水方式，其中引水系统主要由上水库进/出水口、引水主洞、引水岔管、引水支洞等组成，尾水系统主要由尾水支洞、尾水闸门室、尾水岔管、尾水调压室、尾水主洞、下水库出/进水口等组成。本文所指尾水系统主要指尾水主洞和尾水调压室组成的尾水系统。

1.1 工程概况

尾水主洞共两条，其中①尾水主洞总长度为1124.956m，设计纵坡为4.85%。②尾水主洞长度为1211.203m，设计纵坡为4.74%。两条尾水主洞起始段轴线方向为NE70°，经平面转弯段后轴线方向转为NE81.7053°，弯段转弯半径为50m，转弯角11.7053°。开挖断面为圆形，开挖半径在6.0～6.3m之间。混凝土衬砌厚度III、IV类围岩为85cm，V类围岩为100cm，混凝土强度等级为C25W8F100。

尾水调压室共两座，其中①尾水调压室位于尾水岔洞后46.0m处，②尾水调压室位于尾水岔洞后30.0m处。调压室中心位置偏离尾水主洞轴线20.0m，由大井和连接管组成。大井开挖断面为圆形，洞径为24.4m，其中①尾水调压室大井总高度73.2m；②尾水调压室大井总高度74.2m。顶部为半径13.986m的球形穹顶，大井与尾调通风洞相接。连接管连接尾水主洞和大井，断面为圆形，开挖洞径为7.6m，由竖井段和弯管段组成，其中①尾水调压室竖井段高度32.35m，②尾水调压室竖井段高度31.35m，弯管段拐弯半径为12.0m，拐弯角度为90°，中心线长度18.85m。

1.2 工程地质条件

围岩主要为志留系茅山组上段以中厚层～薄层岩屑石英砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹薄层泥岩为主，呈镶嵌碎裂结构以及少量侏罗系龙王山组上段灰色晶屑凝灰岩、角砾凝灰岩，呈块状构造。围岩总体风化程度以弱风化为主，局部断层带及岩脉段为强风化。主要地质构造为断层、层间挤压破碎带、蚀变岩脉及节理裂隙。较大断层破碎带为F136、F137、F138等断层破碎带，其中F136断

层破碎带及影响带宽度85～160m，F137断层宽度为2～7m，断层破碎带宽度为20m；F138断层宽度为3～5m，断层破碎带宽度为18m。其他断层规模较小。蚀变岩脉发育，主要发育⑤花岗斑岩岩脉，宽度为90m，⑥安山岩脉，宽度为21～43m，⑧安山岩脉，宽度15～30m。岩脉整体上中度到强蚀变。在①尾水主洞由F136断层破碎带、⑥安山岩脉、F137断层破碎带组成的不良地质洞段长度为105m，在②尾水主洞由F136断层破碎带、⑥安山岩脉、F137断层破碎带组成的不良地质洞段长度为220m。层间挤压破碎带发育，节理裂隙发育。地下水发育，地下水水位高，且不具备先行排水条件，洞室开挖施工在地下水位线以下进行。尾水系统围岩以IV类为主，III类围岩占10%，IV类围岩占65%，V类围岩占25%。

2 主要采取的新工艺新技术

2.1 TRT 6000型隧道超前地质预报系统的应用

采用该地质超前预报方法，成功预报出F136、F137、F138等断层破碎带及⑤、⑥、⑧蚀变岩脉的具体位置和形状。为调整设计参数和确定施工方案提供有力的参考资料。在水利水电工程中应大力推广TRT6000超前地质预报方法。

2.2 纳米仿钢纤维喷射混凝土的应用

无机纳米是一种经充分研磨、材料颗粒直径达到纳米级的高性能混凝土外加剂，具有高效减水性，既减表面水又减间隙水，减水率大于30%，掺入水泥后改善水泥凝固的三维结构，增大混凝土的聚合力等特点；仿钢纤维是一种可以替代钢纤维的高分子聚合物纤维，具有有效地抑制混凝土早期裂缝的产生和发展，在混凝土中具有良好的分散性，与水泥基材料有很高的界面粘结力等特点。

纳米仿钢纤维混凝土是按照每方混凝土中水泥重量的10%外掺纳米外加剂，作为减水剂，同时每方混凝土中掺入5kg的仿钢纤维，经充分搅拌均匀的混凝土拌合物，以CF25纳米仿钢纤维喷射混凝土为例，其配合比见表1。纳米仿钢纤维混凝土喷射时回弹率小，顶拱回弹率为7%，边墙回弹率为3.5%。抗压强度、抗折强度均较普通混凝土有较大的提高，且一次喷射厚度大，可达40cm以上。拌和工艺和喷射工艺简单，采用湿喷工艺，可根据洞室大小采用小型湿喷机或“阿力瓦”湿喷机械手喷射。

喷射纳米仿钢纤维混凝土在尾水主洞局部渗水塌方洞段和F136断层破碎带、⑥安山岩脉、F137断层破碎带组成的不良地质洞段进行了应用，在渗水洞段和

不良地质洞段采用“阿力瓦”湿喷机械手强制性进行喷射纳米仿钢纤维混凝土，能快速达到强度及时封闭围岩，止水效果好，避免在渗水作用下洞室坍塌，一次喷层厚度大，能有效抑制塌方部位的蔓延，保证了洞段围岩的稳定。

2.3 双掏心预留核心土全断面一次成型的开挖施工技术

双掏心预留核心土全断面一次成型的开挖施工技术，是在掌子面中部预留核心土，两侧设置掏心，全断面一次爆破成型。预留核心土的目的是开挖进尺后确保掌子面及顶拱围岩稳定。它的核心理念是“短进尺、弱爆破、强支护、快封闭”。

尾水主洞开挖直径在12m以上，采用分层开挖的方法。在尾水主洞部分V类围岩洞段及F136断层破碎带的一层开挖中采用了双掏心预留核心土全断面一次成型的开挖施工技术，此项技术的核心有以下五个方面：

2.3.1 超前支护。超前支护采用超前注浆小导管与钢拱架联合支护的方式，小导管直径Φ42mm，L=4.0m，在洞室顶拱120°～180°范围内布设，环向间距为30cm，纵向间距根据每循环的爆破进尺和支立钢拱架的间距0.5m，确定纵向间距为0.5～1.0m，外插角8°～10°。

2.3.2 爆破设计与循环进尺。根据围岩特性，一炮一设计的原则进行爆破设计。循环进尺控制在0.5～1.0m之间，掏心孔孔深控制在1.4m以内，周边光爆孔孔深控制在1.2m。测量放线时周边光爆孔向隧洞内侧收回30cm，以减小对围岩的爆破扰动。具体的爆破参数见表2。

2.3.3 爆破后反铲修型。由于周边光爆孔向隧洞内侧收回30cm，爆破后对未爆破崩落的部位，采用反铲进行修型，开挖至设计开挖线。

2.3.4 双掏心与核心土。双掏心的设置范围大小直接影响中间预留核心土的大小，核心土预留过大，对使用大型的阿力瓦湿喷机械手的运行空间产生一定的；核心土预留过小，又起不到预防核心土的目的，因此合理布置双掏心的范围是非常重要的。每一循环进尺后，根据洞室围岩稳定情况，决定是否挖除上一循环的核心土。

2.3.5 采用阿力瓦湿喷机械手进行喷射混凝土施工。尾水主洞一层开挖高度为7.0m左右，适合阿力瓦湿喷机械手的运行，且阿力瓦湿喷机械手具有速度快，效率高，每小时喷射混凝土20m3以上以及设备和操作人员在安全地带的特点。采用阿力瓦湿喷机械手进行喷射混凝土施工正是双掏心预留核心土全断面一次成型的开挖施工技术核心理念的具体体现。

2.4 中导洞加扇区法的穹顶开挖施工技术

尾水调压室顶部为半径13.986m的球冠高度9.2m，穹顶部位围岩主要以Ⅳ类为主，跨度大、围岩破碎，开挖后及时形成有效的支护保证围岩稳定及穹顶超欠挖控制是穹顶开挖的重点。在施工中采用了中导洞加扇区法的穹顶开挖施工技术，即先中导洞进入，两侧以角度划分，分扇区逐步开挖及时进行支护的开挖技术。

穹顶开挖首先由尾调通风洞开挖中导洞进入，中导洞开挖断面尺寸8.7m×7.0m（宽×高），开挖到穹顶另一侧的边线处。在未超过穹顶中心前，开挖高度由7.0m随着穹顶弧度逐渐增大到9.2m，中导洞顶拱边线沿着穹顶设计轮廓线进行开挖；每循环进尺1.5～1.6m，超过穹顶中心后，开挖高度由9.2m随着穹顶弧度逐渐减小至7.0m，向下开挖，施工难度大，中导洞顶拱边线同样沿着穹顶设计轮廓线进行开挖，为减小超挖，进尺相对减小，每循环进尺控制在1.0m以内。测量放线时需计算出各周边孔相应孔深需向上抬高值，并标出至穹顶中心点方向的尾线，避免在施工中产生人为因素的超挖或欠挖。

2.5 先边顶后底拱的混凝土衬砌施工技术

对于圆形隧洞来说，混凝土衬砌方案有全断面针梁台车一次衬砌成型法、先底拱后边顶拱法和先边顶拱后底拱法。三种方法各有优缺点，而以先边顶拱后底拱法最为灵活，适用于高大洞室和复杂地质条件隧洞，缺点也是难点，水平施工缝为反向的张缝，施工难度大。由于尾水主洞施工期安全与进度问题突出，为此采用先边顶拱后底拱混凝土衬砌方法。边顶拱混凝土采用钢模台车进行，浇筑高度8m，分块长度12m。底拱混凝土采用针梁底模台车进行，浇筑高度4m，分块长度12m。

根据对边顶拱混凝土结构的受力分析计算以及底拱混凝土施工的难易程度，确定水平施工缝设在与水平洞轴线夹角为197°和-17°处即顶拱214°范围处，为提高洞室衬砌混凝土的整体性，防止洞室边顶拱与底拱的水平施工缝被拉开，增加边顶拱混凝土与底拱混凝土之间的咬合力，水平施工缝断面呈“Z”字型与水平线成50°角和17°角。水平施工缝内设置遇水膨胀型橡胶止水条与环向缝内的遇水膨胀型橡胶止水条或铜止水片连接形成整体止水

结构。

针梁底模台车与边顶拱混凝土接触部位做成高度40cm的活动模板，单块宽度1.5m，每块均能翻开，活动模板高出水平缝25cm。在底拱混凝土浇筑至水平缝位置时，混凝土下料从上游向下游方向进行，水平施工缝部位浇筑采用12～14cm坍落度的一级配混凝土，人工加强振捣，使水平施工缝活动模板部位浇筑饱满，高出水施工平缝25cm，形成“小牛腿”。待“小牛腿”混凝土达到初凝时适当时间采用人工进行凿除，并抹面、压光。水平施工缝处混凝土经一次处理后不再进行后期处理。

水平施工缝内埋设测缝计进行开合度观测，通过施工期及充排水试验的观测，决定水平施工缝是否进行接缝灌浆。在运行期进行长期观测，可进一步验证水平施工缝处理的结果。

3 结语

溧阳抽水蓄能电站尾水系统地质条件极为复杂，尤其是F136断层破碎带、⑥安山岩脉、F137断层破碎带组成的不良地质洞段长度达200m以上，地下水丰富，工程安全问题突出，为此采取超前地质预报和多种开挖支护新工艺新技术，并合理安排各种工艺、技术、手段的关联关系、施工程序，使工程质量和安全得到了保障。

参考文献

[1] 陶忠平，等.TRT6000隧道超前地质预报系统在牛栏江-滇池补水工程中的应用[J].资源与环境工程，2010，（5）：22-26.

[2] 田贵明，等.溧阳抽水蓄能电站尾水主洞施工方案[J].水力发电，2013，（3）：73-75.