錦屏二級水電站引水隧洞高壓大流量地下水處理技術(shù)

余進富，蒲進

(1.中國水利水電第五工程局有限公司錦屏施工局，四川西昌 615600;2.大唐西藏玉曲河水電項目籌建處，四川成都 610091)

1 工程概況

錦屏二級水電站利用雅礱江下游河段150 km長大河彎的天然落差，通過截彎取直形成全長約16.67 km的引水隧洞。電站總裝機容量4 800 MW，單機容量600 MW。工程樞紐主要由首部攔河閘、引水系統(tǒng)、尾部地下廠房三大部分組成，為一低閘、長隧洞、大容量引水式電站。錦屏二級水電站引水系統(tǒng)采用4洞8機布置形式，從進水口至上游調(diào)壓室的平均洞線長度約16.67 km，隧洞斷面為馬蹄形，開挖洞徑13 m，相鄰洞軸中心距60 m，洞主軸線方位角為N58°W。引水隧洞立面為緩坡布置，底坡3.65‰，由進口底板高程1 618 m降至高程1 564.7 m與上游調(diào)壓室相接。引水隧洞洞群沿線上覆巖體一般埋深為1 500～2 000 m，最大埋深約為2 525 m，具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點。

在引水隧洞開挖支護施工過程中出現(xiàn)了高壓、大流量地下突發(fā)涌水現(xiàn)象，在引(2)2+010邊頂拱流量為45 L/s，在引(2)2+880邊頂拱流量為32 L/s，給開挖支護施工造成了極大的困難。為此，采用灌漿的方式對其進行處理。

2 地下水處理的總體思路

在錦屏水電站引水隧洞地下水處理施工過程中，對于隧洞地下水的總體處理遵循“先易后難、先引后堵、系統(tǒng)處理、綜合治理”的原則，在治理程序上按照“先拱頂后邊墻再底板、局部集中處理”的思路進行處理。

先易后難:應(yīng)先從較小的水量或較低水壓部位開始進行處理，逐漸向高壓大流量出水部位靠近的順序推進。

先引后堵:對集中出水部位或較強富水區(qū)先進行打孔引排，視情況確定封堵時機。引排孔施工有兩種方式:一是可以直接從富水部位打孔，二是從遠(yuǎn)端向出水構(gòu)造打分流減壓孔。若富水區(qū)圍巖破碎，宜從遠(yuǎn)端打孔引排且孔要深，并保證孔的垂直投影盡量大;如果圍巖整體性較好，可直接從富水區(qū)打孔引排且孔徑要大。

兼顧其它部位，系統(tǒng)進行處理:如果事前徹底把強富水一次性處理到位，則該區(qū)段的地下水位會逐漸提高，從而可能導(dǎo)致其它部位壓力和水量增大或新增出水段(點)。為提高處理速度和效果，防止無限增大成本，必須結(jié)合考慮鄰近的洞段，兼顧其它部位進行系統(tǒng)處理。根據(jù)這一要求，一是要研究工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況;二是必須在灌漿封堵過程中仔細(xì)觀察漿液的串漿情況。如果在封堵過程中有串漿現(xiàn)象或其它部位出水量增大，就不能對該區(qū)段(點)做最終封堵，必須對有聯(lián)系或串漿的區(qū)段(點)做事先預(yù)處理，以防止其它洞段處理難度增加并增大成本。

綜合治理:在處理過程中，應(yīng)考慮地質(zhì)情況的影響，如圍巖破碎、裂隙密集帶等，采取綜合治理措施進行治理。宜結(jié)合錨桿、掛網(wǎng)和噴射混凝土，先對不良地質(zhì)段進行加固處理;底板如存在欠挖不到位的情況，也應(yīng)先予以處理后再進行灌漿封堵;因洞內(nèi)總出水量較大，在處理底板時存在排水困難的問題，應(yīng)該考慮扎圍堰、抽排或直接截斷前方來水等輔助措施，以確保處理過程減少流水的干擾。

宜先拱頂、后邊墻、再底板:無論邊頂拱與底板是否有水力聯(lián)系，均應(yīng)該先進行邊頂拱封堵，同時在邊墻設(shè)置排水孔，當(dāng)完成底板封堵后，再對預(yù)留的排水孔進行封堵。

局部集中處理:按前述思路進行處理后，可能還存在局部出水，此時，應(yīng)查明原因，有針對性地予以封堵，必要時應(yīng)采取化學(xué)灌漿等特殊措施。

3 高壓大流量地下水的處理方法

3.1 處理原則和主要程序

高壓大流量地下水情況較復(fù)雜，每個出水點均有其特殊性，但共性也是比較明顯的。此類水富存于巖溶非常發(fā)育區(qū)，且發(fā)育區(qū)垂直厚度很大，與穩(wěn)定補給水源連通性非常好，補給源與出水點相對高差大。由于隧洞開挖破壞其滲流平衡，揭示出管道式出水點，使地下水得以突然釋放，從而形成高壓力、大流量噴水。對此類高壓水，遵循“先加固后處理，先分流減壓后封堵”的原則，采用綜合手段及工藝，按照“先排后堵、深排淺堵、遠(yuǎn)排近堵、擇機收口”的順序進行處理。

先排后堵:對于大的出水點，不能開始就考慮全部封堵，而應(yīng)先考慮有序引排，系統(tǒng)布置分流減壓孔，分散和釋放原集中涌水點的流量和壓力，再封堵原出水點，逼迫水流由預(yù)設(shè)的分流減壓孔改道排放。

深排淺堵、遠(yuǎn)排近堵:對于預(yù)設(shè)的分流減壓孔按先封堵淺層排水孔和距離原出水口近的出水孔，讓水再次改道和束流并由深層排水孔和遠(yuǎn)距離排水孔排放。

擇機收口:在完成圍巖系統(tǒng)加固、確認(rèn)圍巖安全后，擇機對剩余的排水孔進行封堵或可控排放，完成施工。

集中高壓大流量出水點治理的施工工藝流程為:滲流路徑查探→圍巖加固→分流→封堵主通道→分流孔灌漿封堵→最后封堵。

3.2 主要施工方法

3.2.1 滲流路徑查探

(1)首先對涌水范圍進行有針對性的造孔查探，鉆孔原則為盡可能多的穿透地下滲水通道，查清滲流路徑。造孔采用潛孔鉆、液壓鉆機或地質(zhì)鉆機(底板造孔)，采用大口徑(φ89～φ130)進行隨機鉆孔(跟管)，并埋入帶絲扣的耐壓鋼管(孔口管)，鉆孔深度以打出大水為宜。對打出大水(或高壓水)的孔，立即在孔口管安裝三通罩法蘭蓋，連接高壓球閥，實現(xiàn)可控引排，進行控制性分流排放。若鉆進到一定深度無水滲出或滲水量少時，則終孔后灌漿封堵。出水孔若作為分流減壓孔，需視情況進行選擇性的灌漿封堵?？刹捎?～0.5∶1∶1的水泥砂漿且摻入一定比例的特材(纖維)進行灌注。如仍出現(xiàn)大面積的串冒漿且吸漿量較大、無法灌注結(jié)束時，則將此類孔作為下一步工序灌漿的灌漿孔。

(2)滲流路徑分析:根據(jù)鉆孔返水特征、出水流量大小、壓力高低及對無滲水或偶有少量出水的孔進行灌注時出現(xiàn)的各種異常情況，分析溶蝕裂隙、巖溶管道發(fā)育的深淺及相互貫通情況;根據(jù)鉆孔出水與不出水位置，分析滲水路徑主通道的發(fā)育延伸方向等滲流路徑特征。

3.2.2 錨桿加固

處理段范圍需對松散結(jié)構(gòu)圍巖、破碎區(qū)域內(nèi)布置隨機錨桿加固孔，錨桿孔深視圍巖破碎深度確定，再進行錨桿灌漿，主要目的是防止下一步封堵高壓引流孔以及在主通道的灌漿過程中松散破碎結(jié)構(gòu)體的抬動和擊穿。

3.2.3 分流孔施工

針對高壓涌水的特殊性，對集中出水部位或較強富水區(qū)先鉆孔引排、分流降壓，再視情況擇機封堵，即為“先引后堵”，其施工步驟如下:

(1)引排孔鉆孔。鉆引排孔的主要目的在于截取涌水點主管道一定深度部位的部分巖溶水和裂隙水，由埋入帶閥門的耐壓排水管(鋼管)排出，使原涌水點水量減小、壓力降低。為能截穿涌水點主管道，擬采取從涌水點附近以一定孔距、傾斜角打孔，布孔圍繞涌水點按0.5～1.5 m不等孔距米字形交叉布置。鉆孔孔向一般與巖面呈30°～45°夾角，開孔采用φ89～φ150孔徑，鉆孔深度以打出大水為宜。

(2)引排孔灌漿。對未出水的引排孔，待鉆孔結(jié)束后，采用0.5～1∶1的水泥漿液進行純壓式灌漿，若開灌時涌水點串冒漿嚴(yán)重且無法升壓，則通過在漿液中添加一定比例的砂(砂占水泥的50%)的方式予以處理，當(dāng)壓力緩慢升至0.5 MPa時孔內(nèi)不吸漿，按灌漿要求穩(wěn)壓一定時間后灌漿結(jié)束。

3.2.4 主通道封堵

引排后，若原出水通道水量和壓力減小、降低至達到封堵主通道的條件，則采用模袋灌漿技術(shù)直接對原出水巖溶管道主通道進行封堵。如未達到封堵條件，則采用特殊封堵的施工方法進行灌漿封堵。

模袋由一種特殊的紡織材料織成，織物的強度高，可加工成袋狀并預(yù)設(shè)注漿管，通過預(yù)設(shè)注漿管向袋內(nèi)注漿而使之膨脹，以達到止水的目的。其優(yōu)點為:(1)灌注成型，施工簡便、速度快且耐高速水流(15 m/s)，在高速水流下，能保證水泥不分散，不被沖走;(2)具有一定的透水性，水泥漿經(jīng)模袋析水后，不但硬化速度加快，而且固化強度提高。

模袋灌漿技術(shù)有兩種:一種為單管模袋注漿法。目的只是單一的隔水，并不能通過鉆孔將漿液灌注到巖體裂隙或管道中，只是形成止水屏障阻擋部分出水量，讓大量的地下水被迫改道，進入別的出水管道或其它引排孔;另一種為雙管模袋灌漿法，其中一注漿管是用于采用水泥漿液充填模袋形成模袋塞封堵高壓涌水孔，然后再由另一根射漿管向地下出水管道或巖體裂隙中注漿封堵地下滲涌水。

3.2.5 灌漿封堵分流孔

由近而遠(yuǎn)灌漿封堵。因主通道封堵后分流孔涌水量自然會增大、壓力會升高，所以在灌漿封堵周邊分流孔時，須由近孔開始灌漿，向遠(yuǎn)孔推進，在此過程中所有引排孔閥門打開，觀察串漿孔的情況，待所串漿液達到一定濃度后關(guān)閉串漿孔。通過由淺而深的灌注，逐步將漿液由出水孔向深部擴散填充，達到在一定深度范圍內(nèi)封堵巖溶水通道的目的。這樣治理，一方面加固了該區(qū)域一定厚度內(nèi)的巖盤整體性，另一方面切斷了來水通道水源。對于采用純水泥濃漿、水泥砂漿均無法灌注結(jié)束的孔，則采用雙液(水泥-水玻璃)進行控制性灌漿封堵。

針對流量大、壓力大且聯(lián)通性好，串漿嚴(yán)重的地下出水管道，采用模袋灌漿技術(shù)對分流孔進行灌注或采用模袋注漿法把分散的滲涌水集中引排，逼迫地下水流向預(yù)設(shè)的大口徑分流孔中，最后進行封堵。此方法須根據(jù)現(xiàn)場滲涌水情況實施。

3.2.6 最后封堵

(1)最后的封堵孔必須為大口徑的預(yù)埋管，且預(yù)埋較深、較扎實。針對高壓水引流水孔，鉆孔時就應(yīng)采取注漿埋管的方法進行深埋，至少入巖2 m，且在未出大水之前就應(yīng)安裝法蘭盤閥門進行控制，否則高壓水涌出后再進行安裝就非常困難且不牢固。

(2)灌漿的主要技術(shù)參數(shù):灌漿的最大壓力為3～4 MPa，采用 0.5～1∶1水泥基漿添加天然砂或特材。

(3)灌 漿:在封堵孔開始水泥基漿灌注時，起始壓力不能太大，以小于0.4 MPa為宜。同時，觀察周邊有無串漿，若串冒漿嚴(yán)重且逐漸增大、出現(xiàn)冒水冒漿時，則需配制0.5～0.8∶1∶1 的水泥砂漿并摻入一定比例的纖維(3‰～4‰)，采用螺旋砂漿泵進行灌注。在灌注一定時間壓力不上升且以上串冒漿還未減弱時，則在0.8∶1∶1的水泥砂漿中添加一定比例的水玻璃(不超過水泥量的4%～5%)。若遇壓力上升較快，則停止添加特材或降低漿液濃度，待壓力穩(wěn)定或下降后查看串冒漿有無減弱或有無新增串漿點和新的出水點，視情況進行特材的加減。最后，在灌至涌水點及其它部位無串冒漿時，應(yīng)改配 0.5∶1～0.8∶1 純水泥漿，采用高壓力、大流量進行純水泥漿灌注，盡量使其擴散到更遠(yuǎn)的范圍，從而盡量將主水流阻隔在離巖壁更遠(yuǎn)的區(qū)域。

3.3 技術(shù)參數(shù)

3.3.1 灌漿壓力的確定

在設(shè)置分流引排孔后，孔內(nèi)的涌水壓力一般在2 MPa以內(nèi)，屬于低壓灌漿，灌漿壓力原則上為涌水壓力的1.5～2倍，但不小于3 MPa。當(dāng)涌水壓力大于6 MPa時，灌漿壓力在水壓力基礎(chǔ)上加2～3 MPa。在水壓介于3～6 MPa時，可靈活選擇灌漿壓力。

3.3.2 灌注漿液的選用

漿液以純水泥漿材和水泥砂漿為主，必要時輔助特殊材料，如微纖維、麻絲、水玻璃、模袋。

3.3.3 漿液比級

水泥基漿的比級僅采用 1∶1、0.8∶1、0.5∶1 三級，特種漿液使用0.8∶1一級添加特材。

3.3.4 變漿原則

堵水灌漿目前尚無專用規(guī)范。在參考固結(jié)灌漿規(guī)范變漿原則并結(jié)合堵水灌漿施工特點制訂的變漿原則如下:

(1)當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時，或注入率不變而壓力持續(xù)升高時，不得改變水灰比。

(2)當(dāng)某級漿液注入量已達300 L以上，或灌漿時間已達30 min，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，應(yīng)改濃一級水灰比。

(3)對于無水孔段灌漿已達最大比級、單位灌注量超過500 kg/m但仍無明顯變化的孔段或表面滲漏(串冒漿)嚴(yán)重的孔段改用雙液漿灌注。

(4)有線狀水或股狀水孔段直接采用雙液灌漿。

(5)引排孔及大出水孔段在前述變漿原則使用后仍不能封堵的情況下，采用特種漿液灌注。

3.3.5 結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

堵漏灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采用《水工建筑物灌漿施工技術(shù)規(guī)范》DL/T5148－2001的規(guī)定，即在設(shè)計灌漿壓力下，當(dāng)吸漿量小于5 L/min時，繼續(xù)灌注10 min即可結(jié)束;第二段灌漿在設(shè)計壓力下，吸漿量不大于3 L/min，繼續(xù)灌注10 min即可結(jié)束。

3.3.6 封 孔

每孔灌漿結(jié)束后，采用全孔灌漿封孔法進行封孔，即采用濃漿置換孔內(nèi)稀漿，并持續(xù)壓力灌漿封孔。

4 結(jié)語

在錦屏水電站引水隧洞地下水處理施工過程中，上述方法取得了良好的效果，有效地解決了地下洞室的涌水，為后期施工創(chuàng)造了良好的條件。根據(jù)地下水出現(xiàn)的特點，“擇機封堵”的地下水處理方式具有諸多優(yōu)點:(1)隧道(洞)掌子面掘進與地下水的處治能同步進行，且地下水處治能多工作面作業(yè)，有利于加快施工總體進度，確保工期。(2)設(shè)備投入要求不高，使用常規(guī)鉆孔與灌漿設(shè)備就能滿足水壓力3～4 MPa及以下水的處理要求。(3)圍巖的固結(jié)厚度有可靠的保證，提高了阻水帷幕的灌漿質(zhì)量。(4)仍以普通水泥漿為主，輔以水玻璃、纖維等惰性材料;對于特殊巖溶地下水使用模袋、索囊技術(shù)。

針對錦屏二級水電站引水隧洞高壓大流量的地下水處理情況，所實施的“擇機封堵”工藝在此類隧洞的特定條件下是可行的，能滿足并達到較好效果。希望該地下水處治技術(shù)能為類似工程提供一點借鑒與參考。