山西中部引黄水源工程“四新技术”应用.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER81第 39 卷第 8 期0 引言山西省中部引黄水源工程由引水洞取水建筑物、引水隧洞及压力管道、地下泵站、出水建筑物、地面厂区等建筑物组成1，水源工程隧洞总长为11.5 km。工程施工采用了新技术新工艺新设备、新材料，既“四新技术”，取得良好成效。该工程由天桥水库取水、经 1 号引水洞、沉沙池、旁通洞及 2 号引水隧洞进入进水池，由进水支管进入厂房，由泵组提升 200 m 至出水池。地下泵站及附属洞室由厂房、1 号交通洞、2号交通洞、出水阀室、电缆电梯井、灌浆廊道等组成。泵站安装2台哈电生产的立式单吸单级泵组，5 台德国生产的立式单吸三级蜗壳式离心泵，泵站装机容量 9.1104 kW，泵站运行设计为 5 供 2 备。1 新技术应用1.1 泉域区大型地下厂房开挖堵水设计山西中部引黄水源工程“四新技术”应用冯信，滑通，李丁莉（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）摘要：中部引黄水源工程采用泉域区灌浆堵水技术、泉域补水区域小断面隧洞穿煤层段施工技术、高边坡综合治理技术、湿陷性黄土地基处理研究技术，解决了泉域区地下洞室群开挖施工技术难题和复杂地质条件下高边坡和湿陷性黄土基础处理难题；库区运行水位下预留岩埂关键技术，降低了高风险施工；采用倒挂井混凝土施工定型模板支撑装置工艺和潜孔钻进行岩锚梁锚杆钻孔工艺，确保了工程质量，加快了施工进度；组织安装了目前国内最大的立式单吸三级蜗壳式离心泵地下泵组。关键词：四新技术；灌浆堵水；高边坡；基础处理中图分类号：TV52文献标识码：B文章编号：1006-3951(2023)08-0081-05DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2023.08.018Application of the Four New Technologies in Shanxi Central Yellow River Diversion Water Source ProjectFENG Xin,HUA Tong,LI Ding-li(POWERCHINA SINOHYDRO ENGINEERING BUREAU 14 CO.,LTD.,Kunming 650041,China)Abstract:Central Yellow River Diversion Water Source Project adopts grouting and water blocking technology in the spring region,construction technology for small section tunnels passing through coal seams in the spring region for water replenishment,comprehensive treatment technology for high slopes,and research technology for collapsible loess foundation treatment.It solves the technical difficulties in excavation and construction of underground chambers in the spring region,as well as the treatment of high slopes and collapsible loess foundations under complex geological conditions.The key technology of reserving rock ridges under the operating water level in the reservoir area reduces high-risk construction.It adopts the technology of setting template support device for inverted well concrete construction and the drilling process of rock anchor beam and anchor rod using a down-hole drill,ensuring the quality of the project and accelerating the construction progress.It has organized the installation of the largest vertical single suction three stage volute centrifugal pump underground pump group in China.Key words:four new technologies;grouting and water blocking;high slope;foundation treatment收稿日期：2023-05-25作者简介：冯信（1990-），女，陕西宝鸡人，工程师，主要从事水利水电工程管理工作。*82云南水力发电2023 年第 8 期1.1.1 厂房顶拱高压固结灌浆和帷幕灌浆水源工程地下泵站厂房是整个工程的核心，厂房布置于天桥泉域排泄区，泉域每年向黄河补水 3.2108 m3，厂房开挖前先进行灌浆廊道开挖及支护，完成厂房顶部高压固结灌浆和帷幕灌浆2，并完成顶部至厂房对穿锚索的钻孔。设计在厂房顶部四周设置 1 层环形封闭的灌浆廊道，用于厂房开挖前期的高压固结灌浆和帷幕灌浆，断面净尺寸 5 m5.5 m（宽 高），距离厂房边墙 10 m，廊道底板高程 862 m 左右。由于高压固结灌浆和帷幕灌浆的工作面有交叉，先进行高压固结灌浆施工，后进行帷幕灌浆施工。避免高压固结灌浆与下部主厂房开挖相冲突，且可为厂房的开挖提供足够的安全保障。灌浆前先进行试验，灌浆试验总计分 5 个试验区，其中试验一区和二区为高压固结灌浆和帷幕灌浆混合试验区域，试验三区为高压固结灌浆试验区域，试验四区和五区为帷幕灌浆试验区域，经灌浆试验确定灌浆参数。1.1.2 厂房底部新增无盖重固结灌浆堵水当开挖至高程 811 m 时，进行地质钻探表明，出露泥灰岩层，承压水压力较大，为防止泵站底部软弱层被击穿而出现大范围涌水，增加底部和侧边墙承压水带固结灌浆封堵处理。采用 2 台古河潜孔钻造孔，对钻孔时出现渗水的孔，加装出水管并安装闸阀堵水。以使泥灰岩层下部和洞室周边形成 6 m 厚的帷幕带，加固洞室及堵水，灌浆合格后，开挖至高程 800.4 m3。1.2 复杂环境下的高边坡综合治理研究沉沙池边坡高度超过 117 m，边坡开挖长205 m，分 5 层开挖至沉沙池位置，沉沙池深13 m。施工区域环境较为复杂，边坡下面朱庙线公路经过、对面边坡上有 1 个焦煤厂，且对面山坡陡峻，距离在 150 300 m 左右，爆破振动会引发边坡滚石，下游距离天桥水库电站较近，边坡背面为天桥水库生活区、办公区，上游侧为拌和站。原始地貌在不同部位分布有破碎带、当地人多年前开挖取料形成的石洞，安全风险大4。施工采取先做爆破试验，策算最佳爆破参数，控制爆破最大单响装药量，预留 3 m 开挖保护层，并取消原预裂爆破的方案，改为采用破碎锤进行3 m 保护层开挖，避免因爆破振动对周边公路及建筑设施造成影响，同时也保证了开挖面的平整度。根据开挖揭露的地质情况，与设计沟通达成共识，在原有设计锚喷支护的基础上采取增加边坡锚拉板及锚索、风化破碎带增加边坡混凝土、取消底部公路洞，对沉沙池中部采石洞和下游侧采石洞进行混凝土回填处理。严格按照高边坡开挖随层支护的原则完成相应工作，确保了边坡开挖质量和安全。1.3 湿陷性黄土地基处理研究出水池与电缆竖井相隔较近，工程地质情况基本相同。地面至 1 002 m 左右主要为第四系上更新统风积（Q3eol）低液限粉土及 1 002 m 左右至940 m 左右上第三系上新统低液限黏土、含沙粒和钙质结核层、底部为砂砾岩。地下水位大约在高程 830 m 附近5。施工地面置于低液限粉土之上，低液限粉土建议承载力标准值为 80 kPa，承载力可以满足施工要求。根据试验成果，低液限粉土层具湿陷性，场地大多为非自重湿陷性场地，局部为自重湿陷性场地。湿陷深度大约 12 m。1）出水池基础及电缆竖井地面进口周围采用灰土挤密桩进行处理。出水池地基灰土挤密桩预钻孔直径为 0.30 m，挤密填料直径为 0.60 m，桩深 22.46 m，桩孔按等边三角形布置，桩孔之间的中心距离为 1.5 m，折算桩距 1.5 m，排距 1.3 m。2）电缆竖井土挤密桩预钻孔直径为 0.30 m，挤密填料直径为 0.50 m，桩深 12 m，桩孔按等边三角形布置，桩孔之间的中心距离为 1.5 m，折算桩距 1.5 m，排距 1.3 m。3）灰土挤密桩采用直接挤压成孔方法；灰土每次填料厚度不超过 30 cm；每次夯击 4 次，落距不小于 6 m；灰土比例为消石灰与土的体积比为3 7；拌和灰土含水率为 9%14%，现场达到手握成团，两手轻捏即散为宜。主要施工流程为：采用 90 步履式长螺旋钻机（可钻深度 30 m），先预钻直径为 0.3 m 的钻孔。成孔满足质量要求后，不超过 30 cm 为 1 层回填满足质量的三七灰土料，使用 HXH-12/14 灰土挤密夯扩钻机配合 3 t 梨形冯信，滑通，李丁莉 山西中部引黄水源工程“四新技术”应用83锤，提升 6 m 自由落下，夯击 4 次，挤压孔壁。最终达到设计桩孔直径及其它质量相关要求。湿陷性黄土地基的处理，对在湿陷性黄土地区施工积累了宝贵经验。1.4 深竖井正井、反导井结合开挖及支护地面厂区布置有出水竖井和电缆竖井。出水竖井上部与出水池相接，下部与出水总管相接，出水竖井段总深度为 193.46 m（不含里面转弯段31.416 m），其中土方段深度为 75 m，开挖直径为 6.7 m，石方段深度为 118.46 m，开挖直径为5.5 m。电缆竖井总深度为 197.3 m，其中土方段深度为 72 m，开挖直径为 11.4 m，石方段深度为125.3 m，开挖直径为 9.8 m（9.7 m）。出水竖井土方段初期系统支护主要为锚杆、挂网喷混凝土及 60 cm 厚度锁口倒挂井混凝土；电缆竖井土方段初期系统支护主要为锚杆、挂网喷混凝土及 80 cm 厚度锁口倒挂井混凝土。由于出水竖井、电缆竖井施工空间狭窄、湿陷性黄土深度在 75 m 左右，开挖采用正井开挖，每完成 3.2 m，进行 1 段护壁混凝土浇筑，确保施工安全是本工程的重点与难点。出水竖井、电缆竖井土方段采用小型挖掘机进行土方开挖，矿用绞车提升系统投用之前采用汽车吊配合垂直吊运渣料，每开挖一段，进行 1段倒挂井混凝土施工。倒挂井混凝土浇筑采用简易的圆形倒挂井混凝土施工定型模板支撑装置，成型质量好，安全，经济。出水竖井、电缆竖井石方段采用反井钻机进行反导井开挖，采用全断面扩挖爆破，小型反铲将碴料清至导井内，从导井底部（电缆连接洞、出水压力管道）用装载机装碴运至渣场。施工中穿过破碎带、煤层段、溶洞段、泉域带。通过增加环向工字钢、增加回填混凝土、超前灌浆堵水等方式进行处理，安全稳步完成了开挖。1.5 大型地下洞室群负压通风技术应用利用地下洞室群临时施工通道及永久施工建构筑物作为通风散烟通道，合理布置出风通道及负压风机（选择大功率的负压风机）布置位置，能有效的降低施工成本，一改以往投入多台大型轴流风机，布置较长风带的传统通风散烟方法。大型地下洞室群施工期间，洞室内产生大量粉尘等有害气体，采用负压通风法进行通风散烟，可将洞内粉尘及有毒害气体集中从几个洞口排出，其余洞室作为新鲜空气进入洞室内的风道，有利于对周围环境保护，一改以往每个洞口都在排烟排尘，不便周边环境的保护，严重影响当地居民的正常生产生活。新鲜进风道内安装降温水帘片，外界空气在经过湿漉漉的水帘时，与水发生热交换而温度下降，对空间的降温效果将较为显著。1.6 库区运行水位下取水口关键技术中部引黄水源工程在库区内进行取水口施工，且库区岸边被水源冲蚀较多形成倒悬，整体呈“”形，且紧邻 S249 省道及天桥电站生活营区，距离天桥电站厂房及大坝较近等复杂环境条件下，采取多波速系统水下地形扫描技术、钢管桩和锚筋桩边坡加固、“逆做法”路基加固、预留岩埂挡水围堰、门槽整体安装、围堰控制爆破拆除等技术研究，解决了对紧邻建筑物的保护、省道的正常通行并使库区内取水得到安全、快速施工，实现了工程计划内首台机组的顺利通水试运行，具有显著的社会效益。1.7 超前预注浆堵水在隧洞开挖中应用超前预注浆堵水技术在中部引黄水源工程引水隧洞、进水池、泄水洞、放空洞等洞室中成功应用，解决了渗涌水影响施工安全及进度等难题；将隧洞周边一定范围内围岩裂隙填充密实，从而改善隧洞周边一定范围内围岩物理力学性能及结构，达到提高隧洞围岩整体稳定性、自承能力及抗渗性的目的，同时保证地下水循环系统正常运行；有效提高隧洞掘进施工安全系数，极大降低掘进过程中发生安全事故的概率；有效降低隧洞掘进施工时的渗涌水量，降低了隧洞内抽排水量，从而降低了施工难度及工人的劳动强度，极大节约了施工成本；降低了施工的相互影响，能有效加快施工进度；有效的保护了地下水循环系统 6。1.8 小断面隧洞穿煤层段施工技术中部引黄水源工程区域内多处穿过煤层，其中比较突出的是进水池泄水隧洞连续穿过煤层段长 400 m，电缆竖井和出水竖井穿过煤层 15.8 m，新增泄洞施工支洞穿过煤层 75.6 m。84云南水力发电2023 年第 8 期施工时先进行地质预报、超前小导管跟进、超前灌浆堵水、工字钢支撑、瓦斯监测、塌方段先行回填混凝土封闭再进行二次开挖、底部加深开挖 60 cm 进行混凝土回填。有效的控制了煤层涌水、塌方、软弱带等施工难题，安全实现了隧洞贯通。1.9 滑模在井身混凝土施工中的应用电梯电缆井井身高 200 m，结构横断面成“凸”字形，针对井身较高，混凝土浇筑量大的特点，采用滑模施工技术，先一次绑扎完外层钢筋，然后边绑扎内层钢筋、边滑升模板，边人工进行表面压光，混凝土入仓采用溜管并适当设置缓冲器，以确保不发生堵管，施工质量及速度显著提高。2 新工艺的应用2.1 倒挂井混凝土施工定型模板支撑装置电梯电缆井上部 75 m 为湿陷性黄土层，开挖采用锚杆、钢筋网，喷混凝土支护，钢筋混凝土衬砌，以确保施工安全。混凝土施工采用简易的圆形倒挂井混凝土施工定型模板支撑装置，结构简单、制作使用方便、能充分利用材料、重复利用率高、制作成本低、能实现快速脱模、节省工期、安全可靠。适用于圆形倒挂井混凝土施工定型模板加固支撑。简易的圆形倒挂井混凝土施工定型模板支撑装置由弧形工字钢（采用型钢弯曲机加工成型）、竖向支撑工字钢、剪刀撑、脚手管、顶托组成，加工成型的圆弧形工字钢通过螺栓连接或焊接拼成圆形工字钢，通过竖向支撑工字钢与圆形工字钢焊接组成定型模板支撑主体结构，竖向支撑工字钢间设置剪刀撑进行加固，将脚手管均匀、对称的焊接固定在圆形工字钢翼板面上，顶托的螺杆插入脚手管中，调节螺母，使托板顶紧定型模板背方。2021 年取得实用新型专利。2.2 旋转螺丝钻杆在湿陷性黄土中应用水利工程中锚杆打孔常采用手锋钻或凿岩车、潜孔钻等水钻打孔。在山西引黄出水池边坡和竖井部分段由于主要为第四系上更新统风积（Q3eol）低液限粉土，为湿陷性黄土，采用水钻会造成塌孔，成孔率为零，干钻钻孔效率还达不到 20%，采用旋转螺丝杆进行钻孔（干法施工），成孔率100%，保证了质量和速度，提高工效。3 新材料玻璃纤维筋在施工中应用山西中部引黄工程水源工程取水口位于即有库区内，采用预留岩坎方式作为临时围堰，预留岩坎在高程 833.5 m 以下倒挂井壁混凝土墙设置为 30 cm、40 cm、50 cm 3 种，倒挂井壁后横梁后“八”字形内撑梁分别在 832 m、826 m 相应内撑横梁截面为 40 cm60 cm、30 cm60 cm、底部采用20 cm 钢管支撑并进行灌浆填充,浇筑在底板永久结构内。为确保拆除时爆破效果，达到一次爆破成功，墙体混凝土配筋28 mm 20 cm，梁配筋28 mm 15 mm 20 cm、箍筋8 mm 20 cm，均采用玻璃纤维筋。利用玻璃纤维筋代替热轧螺纹钢，达到了加固预留岩坎的作用。采用爆破方式进行岩坎拆除，玻璃纤维筋爆破后破碎断开，岩坎石渣清理得以顺利完成。玻璃纤维筋在中部引黄临时围堰中的有效应用，爆破拆除效果较好，极大的提升了施工效率，又保证了施工安全及质量。4 新设备的应用4.1 首次国内最大水泵安装施工山西中部引黄泵站装机 7 台，其中 2 台哈电生产的 1 号、2 号泵组为立式单吸单级泵组。5 台由德国生产的 3 号 7 号泵组为国内首次安装的立式单吸三级蜗壳式离心泵。三级泵组中水泵轴与中间轴、电机轴与中间轴采用挠性弧齿联轴器连接，同时实现电机轴与水泵轴可以相对独立运转，根据水泵厂家设计要求，为保证联轴器的最佳使用环境，电机轴相对于水泵轴偏移 0.1，径向补偿值达到 7 mm，可有效消除轴线调整中的误差，提高安装容错率。这在国内常规泵组安装过程中是首例。4.2 多波速水下地形扫描技术应用多波速水下地形扫描技术准确获取的库区内取水口岩体地形平剖面图实测水下地形成果显示，824 m 高程以下局部地形存在倒悬，与设计地形出冯信，滑通，李丁莉 山西中部引黄水源工程“四新技术”应用85入较大，中墩至上游边墩范围内的拱围堰基础无法按设计图纸在 824 m 高程布置混凝土围堰基础，对山西中部引黄水源工程取水口预留岩埂作为挡水围堰设计及施工过程应用7，包括预留岩埂围堰的加固，防渗漏措施，围堰内基坑开挖支护措施，围堰安全监测及效果评价。4.3 小型掘进机在穿焦煤厂区开挖中应用小型掘进机常用于煤层开采，在水利工程中硬岩施工并不常见。在泄水洞 0+00 至 0+00 段穿过焦煤厂区，为确保爆破振动不影响地面厂区和设备，采用小型掘进机开挖，安全通过。5 结束语中部引黄水源工程采用新技术、新工艺、新设备、新材料“四新技术”，确保了施工安全和工程质量，降低了工程成本，并确保按期实现工期目标。通过对厂房区域设计高压固结灌浆和周边帷幕灌浆、对穿锚索、增加底板固结灌浆，降低了厂房区域渗水量，确保厂房顶拱和高边墙的稳定；泉域区地下洞室开挖堵水技术，解决了泉域区洞室开挖难题，确保了工程安全和质量。库区运行水位下取水口关键技术、泉域区开挖堵水技术成功实施，为同类工程设计和施工积累了宝贵经验。参考文献：1 李庆国，万新，冯信.等.北方冬季框排架混凝土保温施工技术 J.云南水力发电，2022,37（8）:65-69.2李庆国，徐建华，侯帅，等.山西中部引黄水源工程地下厂房开挖施工技术J.云南水力发电，2021，37（8）:89-101.3王强，冯信.地下厂房无盖重固结灌浆封堵施工技术J.云南水力发电，2022，38（5）:146.4刘斐.复杂环境条件下沉沙池高边坡开挖支护施工方法J.云南水力发电，2022，35（5）:146.5DBJ 04-T312-2015 山西省湿陷性黄土场地勘察及地基处理技术规范S.6王强，冯信，刘洁，等.泉域区地下泵站出水阀室开挖与支护技术J.云南水力发电，2022，38（5）:137-142.7王涛，万新，冯信.即有库区内取水口预留岩埂围堰施工技术应用J.云南水力发电，2019，35（4）:178.