引水隧洞工程突水治理方案研究

吳潞源

（福建省華舜水利水電工程有限公司，福建 三明 365500）

0 引言

引水隧洞是水電工程的重要組成部分，但由于引水隧洞在建設(shè)過程中總是面臨“構(gòu)造復(fù)雜、地質(zhì)環(huán)境多變、災(zāi)害頻發(fā)”等問題。大量的研究表明，目前已建的引水隧洞工程所發(fā)生的突水、突泥、涌水等工程事故八成以上是由于對地質(zhì)構(gòu)造認(rèn)識不清、運用的施工處置措施不當(dāng)所造成的。頻發(fā)的突水、突泥、涌水等工程災(zāi)害不僅威脅引水隧洞施工人員的安全，也在后續(xù)施工及安全運營上造成了很大的麻煩。因此，研究實際引水隧洞工程的突水現(xiàn)象以及處置措施具有十分重要的現(xiàn)實意義[1]。

1 工程概況

南平市供水第二水源工程由攔河大壩樞紐工程，引水隧洞及管道系統(tǒng)組成。五星橋水庫為該工程的主要組成部分，壩址位于照溪流域中上游的五星橋處，壩址以上控制流域面積68.7km2。壩型為細(xì)石砼砌石雙曲拱壩，最大壩高49.7m，壩頂弧長227.18m，總庫容2328 萬m3。壩底高程140.8m，起拱高程142.5m，壩頂高程190.5m，防浪墻高程191.7m，拱冠梁處壩頂厚3.0m，壩底厚15.2m，水庫正常水位、設(shè)計水位、校核水位高程為190.0m，溢流段設(shè)在壩頂中部，溢流堰頂高程185.5m，堰面采用WES 曲線，挑流消能，堰頂設(shè)4 孔露頂式平面鋼閘門，每孔凈寬8.0m，閘門尺寸為8.8m×5.8m（寬×高）。啟閉房樓面高程198.2m，屋面高程201.7m，總高度11.2m，啟閉房樓面各安裝一臺雙吊點固定式卷揚機。壩頂與壩肩埋設(shè)觀測設(shè)施。

南平市供水第二水源引水工程C2 標(biāo)石佛山洞口，在2011 年1 月16 日的洞挖掘進(jìn)中，遇到嚴(yán)重的突水，當(dāng)天的突水量>8000m3/h，涌出的大量地下水沖毀了出碴軌道和通風(fēng)管路，并且灌滿了下游隧洞。由于這次突水事故，C2 標(biāo)石佛山洞口被迫停工。經(jīng)過近一個月的觀察，突水水量相比事故當(dāng)天有所減小，但水量從1 月27 日后一直穩(wěn)定在3000m3/h。經(jīng)專家商議后采用對“突水”位置進(jìn)行襯砌處理，襯砌處理完后，直至2012 年6 月23 日才真正對突水位置進(jìn)行關(guān)水，關(guān)水后每天對水位進(jìn)行監(jiān)測，但監(jiān)測結(jié)果并不樂觀，水位呈每日上漲趨勢，到7 月6 日水位已漲到與關(guān)水前位置接近，進(jìn)洞觀察發(fā)現(xiàn)突水處理位置已爆裂，水從裂隙中噴出。后經(jīng)二次處置才達(dá)到良好的治理效果，文章重點對二次堵水的技術(shù)方案進(jìn)行探討[2-3]。

2 突水現(xiàn)象分析

根據(jù)設(shè)計勘察資料，結(jié)合兩個區(qū)段相對復(fù)雜的地質(zhì)條件，施工過程加強重視這兩個區(qū)段的超前地質(zhì)預(yù)報工作。具體地質(zhì)情況如下：

2.1 地質(zhì)勘察總體情況

據(jù)測試結(jié)果，區(qū)域巖體應(yīng)力場以自重應(yīng)力場為主導(dǎo)。周邊鉆孔巖石重度約為26.5 kN/m3。在236～287m 測深范圍內(nèi)最大水平主應(yīng)力σh為9.2～12.8MPa，最小水平主應(yīng)力σh為6.4～9.1MPa，鉛直應(yīng)力σz為11.5～13.1MPa。總體上，應(yīng)力特征表現(xiàn)為豎直方向地應(yīng)力大于水平方向地應(yīng)力。南平市供水第二水源引水隧洞工程的圍巖巖性主要是質(zhì)地較硬的石英砂巖，巖體所承受的地應(yīng)力可歸為中等水平。隧洞施工區(qū)段的側(cè)應(yīng)力系數(shù)范圍在0.80～1.03 之間。只有少數(shù)點位測得的側(cè)壓力系數(shù)>1.0，其余點位測得的數(shù)據(jù)均在0.8～1.0 之間，由此可見隧洞施工區(qū)段內(nèi)的應(yīng)力場的豎向自重應(yīng)力超過水平方向的地應(yīng)力，主應(yīng)力方向介于N70°E～N76°E 之間。

從安全考慮，設(shè)計最大涌水量采用古德曼經(jīng)驗式進(jìn)行估算，得到的數(shù)值約為隧洞施工區(qū)段由破碎斷層控制，兼有地層之間的不整合接觸，并且受到巖層傾向接觸帶影響，地下水發(fā)育，可能出現(xiàn)突水、突泥[4]。

2.2 突水區(qū)段地質(zhì)預(yù)報

對突水段掌子面前方預(yù)開挖段（150 m 范圍）進(jìn)行地震波探測以及超前地質(zhì)綜合分析預(yù)報，分析內(nèi)容包括聲波波速以及反射情況，從結(jié)果來看掌子面前方150 范圍內(nèi)的縱波以及橫波波速來看，兩者都在總體升高的趨勢下呈現(xiàn)出一定的高低起伏變化，由縱橫波速得到的掌子面前方巖體的泊松比約為0.32～0.34，總體比較穩(wěn)定，縱波波速均值為4132m·s-1，橫波波速約為2930 m·s-1?？v波在傳至前方結(jié)構(gòu)面或斷層等不連續(xù)面會發(fā)生反射現(xiàn)象，根據(jù)反射波可以判定不連續(xù)面與水平及豎直方向的夾角分別為59°和38°?？梢灶A(yù)報在突水段掌子面前方預(yù)開挖段150 m 范圍以內(nèi)的巖體巖性主要為中風(fēng)化砂巖，巖石的硬度較大、強度中等。前方巖體結(jié)構(gòu)面及裂隙比較發(fā)育，呈現(xiàn)較破碎到較完整地狀態(tài)，穩(wěn)定性比較差，如不采取支護措施容易發(fā)生坍塌等工程事故。突水段掌子面前方預(yù)開挖段150 m范圍以內(nèi)地下水發(fā)育。

鑒于地質(zhì)預(yù)報解析的地下水情況，還對工程區(qū)段開展了紅外線超前探水預(yù)報。該方法的基本原理是，在掌子面前方預(yù)開挖段20m 范圍內(nèi)存在含水構(gòu)造或溶洞時，災(zāi)害源產(chǎn)生的紅外異常場，必然會涉及到臨近異常場的隧道已經(jīng)開挖的部分，因而在隧道開挖部分的邊墻上能提前發(fā)現(xiàn)災(zāi)害源產(chǎn)生的紅外異常場（也稱災(zāi)害場）。從掌子面紅外探測數(shù)據(jù)表可以明顯看出，場強橫向最大差值、縱向最大差值、整個掌子面最大差值均在3～9 之間，數(shù)值跳躍性變化不大。由此推斷掌子面前方圍巖含水量較大，且分布相對較均勻[5]。

3 突水治理施工技術(shù)方案

3.1 鉆孔工藝

鉆孔施工分3 個單元：①第1 單元布孔20 個，孔號為A1#～A20#，孔深5 m；②第2 單元布孔240個，孔編號為Ba1#（B 簡稱單元二，a 簡稱為第一環(huán)），孔深8 m；③第3 單元布孔128 個，孔編號為Ca1#(B 簡稱單元三，a 簡稱為第一環(huán))，孔深8m。

針對現(xiàn)場情況，首先進(jìn)行泄水及混凝土面與巖層接縫周邊加固處理，布孔示意圖，見圖1，根據(jù)現(xiàn)場情況布置20 個孔，每個孔深5m，灌漿加固深4.5m，灌漿阻塞深0.5m。

圖1 布孔示意圖

第2 單元，在引水隧道澆有混凝土面布1～15排孔，每一環(huán)1～16 個孔，共計240 個，孔深均為8m。對砼面周邊的巖石進(jìn)行加固。每孔灌漿阻塞深1m；其中灌漿段位置：2～8 m。

第3 單元沿隧道洞碧的四周平均布置鉆孔16個，孔位分布示意圖，見圖2。8 環(huán)共計128 個孔，孔深8 m；灌漿分排，分I、II 序施工。

圖2 孔位分布示意圖

3.2 施工流程

施工流程主要分為造孔、安裝孔內(nèi)裝置以及灌漿3 個步驟。

本次突水處治過程中所用的鉆孔設(shè)備為水平鉆機和洛陽鉆。水平鉆石經(jīng)過改裝的，配備有直徑73mm 的鉆桿、直徑90mm 的潛孔錘以及相配套的金剛石鉆頭。洛陽鉆配套Φ30、Φ110 管等鉆頭。在鉆孔過程中一旦出現(xiàn)較大返水量，可能會遇到突泥或者大涌水，或有嚴(yán)重塌孔問題，則立即停止鉆孔進(jìn)行灌漿。緊急措施原理示意圖，見圖3。如果發(fā)生大量涌水突泥是，則應(yīng)綁扎、加工直徑為25mm 的防護鋼筋籠，鋼筋籠需采用響應(yīng)的錨桿進(jìn)行固緊，孔口采用封孔模填塞。鉆孔完成并拔出鉆頭后，將鉆桿插入鉆孔以充當(dāng)灌漿管路。

圖3 緊急措施原理示意圖

造孔完成后進(jìn)行孔內(nèi)裝置的安裝。孔淺層灌漿孔的孔內(nèi)裝置，孔淺層灌漿孔的孔內(nèi)裝置，見圖4。

圖4 孔淺層灌漿孔的孔內(nèi)裝置

待孔內(nèi)預(yù)埋裝置安裝完畢后，進(jìn)行灌漿工序。灌漿治水一般可分為2 個步驟：①根據(jù)施工方案的要求，對注漿工作面上深度為5.0m 的20 個淺孔開展淺部的灌漿堵水，這一步驟的目的是可以為接下來的高壓灌漿做好準(zhǔn)備；②根據(jù)施工方案的內(nèi)容在引水隧洞的洞壁布設(shè)多排深孔（深度約8.0m），鉆孔的數(shù)目總共為387 個，采用高壓泵送的方式對突水段進(jìn)行控制性灌漿。在灌漿過程中，按分排分序（先I 后II 序）原則進(jìn)行堵水灌漿加固，I、II序孔至孔深5m 全部結(jié)束后，在一單元與二單元位置上采用泄壓封堵法進(jìn)行施工。

需要注意的是，灌漿過程中應(yīng)保持灌漿壓力值（以高壓泵上安裝的壓力表為依據(jù)）約為5.0～12.0MPa。漿液一般需要在符合質(zhì)量要求的情況下使用，一般為商業(yè)制漿站依據(jù)固定的配合比采用專用的攪拌器加工而成。水泥灌漿需達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后方可停止灌漿。結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)一般是根據(jù)施工方案的預(yù)定注入量以及漿液的初凝時間等確定，在達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后應(yīng)繼續(xù)約3min 方可結(jié)束注漿。

3.3 灌漿工藝

為了保證灌漿過程中達(dá)到并保持相應(yīng)的注漿壓力，應(yīng)采用專用的注漿泵，宜選用直徑為30mm 或48mm 注漿管位移，此外還需要采用水泥漿液髙速攪拌機、手動雙控液壓泵以及控制液專用泵等作為輔助注漿機械。

注漿之前應(yīng)將預(yù)埋注漿管等裝置。鉆孔的注漿順序也決定這堵水方案的成敗，因此注漿時應(yīng)按照鉆孔的排號以及序號有序地進(jìn)行，同時應(yīng)采用堵漏工藝進(jìn)行堵水，解決引水隧洞突水的問題。不僅封堵突水位置的巖體裂隙，同時封堵突水位置附近的涌水通道，降低涌水量，確保引水隧洞施工過程的安全性。注漿壓力保持在5.0～12.0MPa 左右，具體大小應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場的地質(zhì)情況、出水量、灌漿條件等進(jìn)行調(diào)整。

4 堵水效果

在第2 次實施鉆孔灌漿堵水的方案之前，施工區(qū)段的隧洞側(cè)壁的巖體裂隙出水明顯，涌水量大。在鉆孔施工過程中發(fā)現(xiàn)，灌漿的鉆孔取代了原先巖體裂隙出水口成為主要的出水位置。尤其是其中的I 序號孔，水流急促可推斷內(nèi)為承壓水，倘若不進(jìn)行工程處置，則勢必會發(fā)生大規(guī)模的涌水造成隧洞坍塌等災(zāi)害，威脅整個隧洞的施工安全。在孔內(nèi)及巖體裂隙內(nèi)灌漿施工完成后，隨著孔內(nèi)漿液的凝結(jié)，鉆孔位置及裂隙位置涌水量有明顯的減少、減緩趨勢，在孔內(nèi)漿液完全凝結(jié)之后，僅有少量的水流出。施工前后的涌水量變化顯著，由施工前的3000m3/h降低到約52m3/h，達(dá)到了良好的堵水效果，為引水隧洞的后續(xù)施工提供了安全保障?？梢?，采用鉆孔灌漿的堵水措施對南平市供水第二水源引水隧洞工程突水災(zāi)害的治理效果非常顯著。

5 結(jié)論

文章主要介紹了南平市供水第二水源工程由攔河大壩樞紐工程引水隧洞工程突水現(xiàn)象及處置方案。針對區(qū)域巖體應(yīng)力場以自重應(yīng)力場為主導(dǎo)以及前方圍巖含水量豐富且分布相對較均勻的實際情況，采用了鉆孔灌漿的處置方案，結(jié)果表明鉆孔灌漿是治理引水隧洞突水、降低圍巖透水性的良好方案，它能夠有效控制突水段的用水量，確保引水隧洞后續(xù)施工的安全性。此外，鉆孔灌漿作為治理隧洞突水災(zāi)害還受控于其他的地質(zhì)因素及隧洞賦存條件，具有一定適用局限性。對于其他工程，應(yīng)根據(jù)具體的地質(zhì)條件、構(gòu)造特征、水文因素等因地制宜，采取其他具有針對性的治理方案，達(dá)到治理水害的目的。