銅電施工地質(zhì)鑒定與設(shè)計(jì)優(yōu)化

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簡(jiǎn)介： 文章介紹作者在擔(dān)任銅鐘電站設(shè)計(jì)代表期間，跟蹤施工工地，及時(shí)鑒定、反饋?zhàn)罱K巖體類(lèi)別、地質(zhì)參數(shù)，推進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，節(jié)約巨額工程投資的具體實(shí)例，進(jìn)而論述了施工地質(zhì)鑒定與優(yōu)化設(shè)計(jì)工作在電站建設(shè)期的重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
關(guān)鍵字：銅鐘電站 施工地質(zhì)鑒定 優(yōu)化設(shè)計(jì) 工程投資

1、引言

　　水電工程施工地質(zhì)工作，是電站建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)代表工作的重要組成部分。由于水電建設(shè)前期的地質(zhì)勘探和試驗(yàn)工作，都客觀地存在著不同程度的局限性和片面性，特別是勘探試驗(yàn)投入較少的中小型電站。因此，為了充分估價(jià)電站站址可能存在的各種不利地質(zhì)因素，前期地質(zhì)人員，無(wú)論在宏觀工程地質(zhì)評(píng)價(jià)，或微觀巖體分級(jí)、參數(shù)選取時(shí)，一般都要從難考慮，留有相當(dāng)?shù)陌踩喽?，以減少設(shè)計(jì)的盲目性和施工的冒險(xiǎn)性。所以，到了施工階段，開(kāi)挖揭示出來(lái)的實(shí)際地質(zhì)情況，多半要比前期預(yù)測(cè)為好。故在我國(guó)水電建設(shè)資金尚不充裕的當(dāng)前，施工地質(zhì)人員能否從工程需要出發(fā)，在跟蹤施工工地編錄地質(zhì)資料的同時(shí)，敏銳地做出合理的最終地質(zhì)鑒定，并及時(shí)反饋修正巖體類(lèi)別與地質(zhì)參數(shù)，為現(xiàn)場(chǎng)修改、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的計(jì)算依據(jù)，乃是在電站建設(shè)期，能否節(jié)約工程投資的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

　　本文闡述的銅鐘電站施工地質(zhì)鑒定與優(yōu)化設(shè)計(jì)成果，即是一個(gè)很好的例證。

　　2、工程簡(jiǎn)介

　　銅鐘電站位于四川阿壩藏羌自治州茂縣境內(nèi)（見(jiàn)圖1），是岷江干流上繼映秀灣、太平驛之后新建的第三座閘壩引水式電站。閘壩高26.7m，引水線路總長(zhǎng)1495m,包括上引水隧洞594m（Ф= 7.5m）,管橋210m（Ф= 6m），下引水隧洞691（Ф= 7.5m）（見(jiàn)圖2）。引用流量162m3/s，設(shè)計(jì)水頭36m,裝機(jī)容量51MW。因保留區(qū)內(nèi)原建的南新無(wú)壩引水電站,裝機(jī)9.6MW；又在閘后增建一座南新二級(jí)消能電站,裝機(jī)6MW。本梯級(jí)總裝機(jī)容量66.6MW，年總發(fā)電量4.26億kW.h。

　　3、銅鐘電站施工地質(zhì)鑒定與優(yōu)化設(shè)計(jì)成效

　　3.1 閘壩基礎(chǔ)防滲墻設(shè)計(jì)優(yōu)化

　　銅鐘電站與其下游的太平驛電站同屬軟基建壩，河床覆蓋層結(jié)構(gòu)亦與太平驛電站類(lèi)似偏優(yōu),詳見(jiàn)表1。

　　表1 太平驛電站、銅鐘電站兩閘基軟層結(jié)構(gòu)比較表

電站名稱(chēng)地質(zhì)年代地層代號(hào)地層結(jié)構(gòu)厚度透水性能允許坡降建議值太平驛電站全新統(tǒng)alQ4含巨漂的漂卵塊碎石層，局部架空≤ 20m強(qiáng)透水0.15晚更新統(tǒng)fglQ3塊碎石土、砂卵石互層，夾粗中細(xì)砂薄層18m-45m弱透水0.3-0.35銅鐘電站全新統(tǒng)alQ4含巨塊的漂卵（塊）礫（碎）石層≤ 22m中等透水0.1-0.12晚更新統(tǒng)fglQ3塊（卵）碎（礫）石土層，夾角礫質(zhì)砂透鏡體20m-40m微、弱透水0.3-0.4

　　表1可見(jiàn)兩閘基地層結(jié)構(gòu)基本一致。alQ4層開(kāi)挖時(shí)，有水滲入基坑，深挖在fglQ3層內(nèi)，反而成無(wú)水干坑，可見(jiàn)fglQ3層的相對(duì)隔水性能，故太平驛閘基采用了簡(jiǎn)單的水平鋪蓋防滲，效果很好。而銅鐘閘基，由于沒(méi)有使用該閘基下部滲流控制層fglQ3的允許坡降建議值0.3~0.4，只使用了該閘基上部非滲流控制層alQ4層的允許坡降值0.12，設(shè)計(jì)的是深達(dá)46m的垂直混凝土防滲墻，顯然二者造價(jià)懸殊。為進(jìn)一步論證使用參數(shù)的合理性，施工期特在基坑滲控層fglQ3中采樣做了兩組大型現(xiàn)場(chǎng)滲流變形試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見(jiàn)表2。根椐

　　表2 銅鐘電站閘基fglQ3層原狀土現(xiàn)場(chǎng)管涌試驗(yàn)成果表

土層名稱(chēng)特性滲透系數(shù)（cm/s）臨界坡降J k破壞坡降J f允許坡降J允破壞形式塊卵碎礫石土滲流控制層1.35╳10-50.875>50.583流土角礫質(zhì)砂透鏡體非滲控層2.46╳10-20.4751.90.32管涌

　　試驗(yàn)資料，地質(zhì)、設(shè)計(jì)人員研究選用了0.32作為fglQ3層的允許坡降值，進(jìn)行重新計(jì)算。遂將正在緊張施工的防滲墻底板高程1412m~1416m，修改為1425m~1430m，整體提高了13~14m。修改后的防滲墻（詳見(jiàn)圖3）既確保封閉了強(qiáng)透水a(chǎn)lQ4層，且嵌入了相對(duì)隔水層fglQ3層5m—10m。削減了混凝土防滲墻2533m2。（原設(shè)計(jì)防滲墻面積8538m2，修改后為5830m2，減去深部已成墻175m2，合同單價(jià)1107.39 元／m2）節(jié)約工程投資280.50萬(wàn)元?？s短工期至少一個(gè)月，還解決了當(dāng)年安全渡汛的難題。

　　3.2 引水隧洞支護(hù)優(yōu)化

　　3.2.1 取消臨時(shí)性支護(hù)

　　原設(shè)計(jì)引水隧洞3/4斷面需全噴混凝土臨時(shí)性支護(hù)，其中Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖還要求錨桿加掛網(wǎng)噴混凝土。經(jīng)過(guò)上引水隧洞百米洞段地質(zhì)編錄分析認(rèn)為，構(gòu)成本隧洞的結(jié)晶灰?guī)r、千枚巖雖具薄層狀結(jié)構(gòu)，但層間結(jié)合力強(qiáng)，圍巖自穩(wěn)能力較好。故研究決定：取消全面臨時(shí)性支護(hù)，只要求對(duì)洞口風(fēng)化卸荷帶Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖段，進(jìn)行及時(shí)的永久性襯砌。由此減少：巖石洞挖2852m3（合同單價(jià)111.92元／m3），噴混凝土2852m3（合同單價(jià)477元／m3），錨桿2873根（合同單價(jià)71元／根），鋼筋網(wǎng)15t（合同單價(jià)3928.49元／t），共節(jié)約支護(hù)費(fèi)用194.25萬(wàn)元。

　　3.2.2 永久性襯護(hù)優(yōu)化　　

　　上下引水隧洞開(kāi)挖后，因深部圍巖結(jié)構(gòu)面不發(fā)育且多閉合，又無(wú)地下水活動(dòng)，故復(fù)核鑒定圍巖等級(jí)普遍提高，各類(lèi)圍巖實(shí)際長(zhǎng)度、比例與前期預(yù)測(cè)比較如表3。修正后圍巖類(lèi)別：Ⅴ類(lèi)減少139m（鋼筋1.315t/m ）,

洞名長(zhǎng)度圍巖類(lèi)別ⅡⅢⅣⅤ上洞594m前期預(yù)測(cè)％——m0——0m30%——178m60%——356m10%——60m開(kāi)挖實(shí)況m0m459m110m25m下洞691m前期預(yù)測(cè)％——m0——0m50%——345m35%——242m15%——104m開(kāi)挖實(shí)況m300m357m34m0m

　　表3 引水隧洞圍巖類(lèi)別修正前后長(zhǎng)度、比例比較表

　?、纛?lèi)減少454m(鋼筋1.171t/m), Ⅲ類(lèi)增加293m(鋼筋0.925t/m), Ⅱ類(lèi)增加300m(鋼筋0.544t/m),優(yōu)化設(shè)計(jì)后減少鋼筋280.19t（合同單價(jià)3928.49元／t）,節(jié)省鋼材及其制安費(fèi)110.07萬(wàn)元.

　　3.3 調(diào)壓室支護(hù)優(yōu)化

　　3.3.1 取消頂拱臨時(shí)性支護(hù)

　　調(diào)壓室長(zhǎng)70m,寬10m，高27m。半圓形頂拱1/2斷面開(kāi)挖后, 無(wú)掉塊現(xiàn)象，圍巖鑒定屬Ⅲ類(lèi)偏好，故建議取消原設(shè)計(jì)的掛網(wǎng)噴混凝土臨時(shí)支護(hù)，并削減錨桿深度。設(shè)計(jì)采納后，減少：洞挖282m3,噴混凝土282m3, 鋼筋網(wǎng)5.65t,錨桿686根長(zhǎng)5m改為4m，（價(jià)差22元/根）,共節(jié)約資金20.34萬(wàn)元。

　　3.3.2 削減邊墻錨桿及噴混凝土

　　因布置窄長(zhǎng)調(diào)壓室時(shí)，已考慮使其軸線垂直陡立巖層走向，邊墻自穩(wěn)能力較頂拱更強(qiáng)，加之錨桿平行巖層層面布設(shè)作用不大，故地質(zhì)人員建議取消錨桿及噴混凝土。經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)三方會(huì)議研究，采取了削減錨桿長(zhǎng)度及噴混凝土厚度的方案：改噴混凝土20cm為10cm,減少洞挖381.5m3，噴混凝土381.5m3；將原設(shè)計(jì)的8m錨桿588根、10m錨桿686根，全修改為4m錨桿（差價(jià)：8m錨桿88元/根；10m錨桿,132元/根）共節(jié)約資金36.70萬(wàn)元.

　　3.4 壓力管道臨時(shí)性支護(hù)優(yōu)化

　　經(jīng)地質(zhì)編錄認(rèn)為，壓力管道除洞口Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖段，須噴混凝土、隨機(jī)錨桿外，其余Ⅲ類(lèi)圍巖自穩(wěn)能力尚佳，無(wú)掉塊現(xiàn)象，臨時(shí)性支護(hù)可以取消。設(shè)計(jì)修改后減少：洞挖293m3，噴混凝土293m3，錨桿85根（合同單價(jià)71元/根），掛網(wǎng)4.44t，節(jié)省費(fèi)用19.60萬(wàn)元。

　　3.5 引水系統(tǒng)固結(jié)灌漿優(yōu)化

　　原設(shè)計(jì)對(duì)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖均布置了固結(jié)灌漿，地質(zhì)鑒定認(rèn)為：引水系統(tǒng)Ⅲ類(lèi)圍巖結(jié)構(gòu)緊密，沒(méi)有灌漿的可能和必要。優(yōu)化后減少固結(jié)灌漿工程量：引水隧洞4722m；壓力管道798m（單價(jià)74元/m），節(jié)約投資40.84萬(wàn)元。

　　3.6 尾水渠防滲（沖）墻的取消

　　尾水渠基礎(chǔ)大部分處在力學(xué)性能差的粉土層上，當(dāng)初考慮施工困難，于臨河側(cè)設(shè)計(jì)了一道混凝土防滲（沖）墻，亦屬合理。施工后期地質(zhì)人員分析認(rèn)為：由于廠房基坑連續(xù)兩年抽水，改變了原地下水的排泄方向，尾水渠基坑涌水量必將大大減小。另河水也日趨枯期，采取填土、壓石等護(hù)坡措施，同樣可以防止?jié)B流破壞，所以生產(chǎn)會(huì)上提出了取消尾水渠防滲（沖）墻的建議。會(huì)議采納后，省去了原設(shè)計(jì)的混凝土防滲（沖）墻1708.06m2，鋼筋60.73t，節(jié)約工程造價(jià)213 萬(wàn)元，也避免了當(dāng)時(shí)對(duì)土建施工工期的干擾。

　　銅鐘電站建設(shè)期間，僅上述六項(xiàng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的不完全統(tǒng)計(jì)，即為業(yè)主節(jié)約了工程投資九佰余萬(wàn)元（915.30萬(wàn)元）。由于業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)、施工各方人員謹(jǐn)慎務(wù)實(shí)，在最終選用參數(shù)指標(biāo)時(shí)，考慮了適當(dāng)?shù)陌踩珒?chǔ)備，故在歷經(jīng)兩年半的施工過(guò)程中，從未發(fā)生過(guò)一起因上述修改設(shè)計(jì)而引起的安全或質(zhì)量事故。經(jīng)過(guò)沖水發(fā)電試遠(yuǎn)行檢驗(yàn)，閘壩防滲效果良好，地下洞室圍巖穩(wěn)定。

　　4、結(jié)語(yǔ)

　　由此可見(jiàn)，不僅在電站開(kāi)發(fā)前期的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，需要反復(fù)進(jìn)行勘查論證，方案比較和設(shè)計(jì)優(yōu)化；進(jìn)入施工階段以后，同樣有許多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作可做。而且，施工階段的設(shè)計(jì)優(yōu)化，可以使設(shè)計(jì)更加符合客觀實(shí)際，對(duì)縮短建設(shè)工期、節(jié)約工程投資，具有更加現(xiàn)實(shí)的直接技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

　　隨著21世紀(jì)的到來(lái)，我國(guó)即將加入WTO，日趨完善與國(guó)際接軌的業(yè)主負(fù)責(zé)、建設(shè)監(jiān)理和合同管理一系列新的水電建設(shè)管理體制，必將為優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)辟更加有利的環(huán)境。作為駐施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)代表的地質(zhì)、設(shè)計(jì)人員，更應(yīng)加強(qiáng)為業(yè)主服務(wù)的新觀念，克服“多一事不如少一事”，“修改設(shè)計(jì)就是否定自己”等錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。努力挖掘地質(zhì)潛力，積極優(yōu)化設(shè)計(jì)，為節(jié)約我國(guó)水電建設(shè)工程投資做出更大的貢獻(xiàn)。