蒲石河抽水蓄能電站引水隧洞下平段斷層處理

張建輝，馬龍彪，景健偉，張 軍，王曉麗，劉 洋

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021；2.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

1 引水系統(tǒng)及下平段地質(zhì)條件

整個輸水系統(tǒng)沿線山體均較雄厚，埋深在45～300 m左右，圍巖多為微風(fēng)化或新鮮的混合花崗巖。圍巖類別多為Ⅱ、Ⅲ類。斜洞段巖石較完整、新鮮，節(jié)理不發(fā)育，且多閉合膠結(jié)，發(fā)育F4等數(shù)條斷層，斷層寬度一般小于20 cm，主要為弱～微透水巖石，屬Ⅱ類圍巖。岔管段及壓力鋼管段巖體一般較完整，發(fā)育10多條規(guī)模較小的斷層破碎帶，圍巖穩(wěn)定條件較好，主要為微～極微透水巖石，屬Ⅱ類圍巖。

引水洞下平段圍巖為混合花崗巖，巖石較堅(jiān)硬。節(jié)理較發(fā)育，發(fā)育F3、fy60、fy120、fy121等30余條斷層破碎帶通過，為Ⅱ～Ⅲ類圍巖。以下范圍為Ⅲ～Ⅳ類圍巖：①引Ⅰ0+482.00～0+509.00。 發(fā)育 F3、 fy120、fy134、 fy135、 fy60、 fy161、 fy162等 7 條斷層。 其中， F3斷層及上、下盤影響帶寬約22 m，沿斷層滲水嚴(yán)重，性狀差； fy60寬0.3～1.0 m；其他斷層寬度多小于10 cm。開挖時局部有掉塊，多處有滲水現(xiàn)象。圍巖局部穩(wěn)定性差，屬Ⅲ～Ⅳ類圍巖。②引Ⅱ0+487.00～0+525.00。 發(fā)育 F3、 fy60、 fy112～fy130、 fy132等 20 條斷層。其中，F(xiàn)3斷層及上、下盤影響帶寬約25.5 m，沿斷層滲水嚴(yán)重，性狀差；其他斷層寬度多小于30 cm。巖體中節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎。開挖時多處有滲水現(xiàn)象。圍巖局部穩(wěn)定性差，屬Ⅲ～Ⅳ類圍巖。

2 斷層危害性分析

由于斷層破碎帶比較軟弱，若處理不當(dāng)，其中夾泥和碎屑部分受到水的作用會溶蝕或軟化，進(jìn)而降低圍巖強(qiáng)度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，影響工程的使用及安全。

（1）對距離最近的壓力鋼管上部排水廊道及廠房邊墻等建筑物的影響。運(yùn)行工況下，受斷層影響洞段若發(fā)生內(nèi)水外滲，壓力鋼管上部排水廊道及廠房邊墻有可能發(fā)生大量滲水，危害建筑物安全。廠房及排水廊道均位于F3斷層下盤新鮮完整的巖體內(nèi)，巖體屬于微～極微透水巖石。根據(jù)高壓岔管區(qū)域的原位試驗(yàn)成果，高壓壓水試驗(yàn)壓力低于5 MPa時，裂隙或節(jié)理不會被劈開而大量滲水。隧洞運(yùn)行時最大內(nèi)水壓力為4.8 MPa，未超過圍巖的劈裂壓力。受斷層影響洞段與壓力鋼管上部排水廊道及廠房間的最近距離為110 m左右，水力梯度最大約為5，小于完整巖石的臨界水力梯度。因此，對壓力鋼管上部排水廊道及廠房基本無影響。

（2）下平段斷層若在山體表面有出露點(diǎn)或與山體表面斷層銜接連通，運(yùn)行時內(nèi)水將沿山體產(chǎn)生滲漏，進(jìn)而誘發(fā)山體失穩(wěn)的可能性。本工程隧洞圍巖最小覆蓋厚度達(dá)280 m，其水力梯度僅為1.8，小于斷層部位的臨界水力梯度。因此，運(yùn)行工況下，假設(shè)引水隧洞的圍巖中斷層的固結(jié)灌漿圈失去防滲能力，也不會造成大量滲漏，引起滲透失穩(wěn)。

（3）F3斷層在2、4號支洞出露部位產(chǎn)生內(nèi)水外滲的可能性。F3斷層在2、4號施工支洞出露部位與2號引水隧洞間的最近距離約為160 m，水力梯度最大約為3，滿足張性節(jié)理裂隙密集帶和斷層破碎帶臨界水力梯度3～5的要求，安全裕度稍小。

（4）當(dāng)一洞運(yùn)行一洞檢修時，由于檢修洞段內(nèi)為臨空面，而兩洞間水力梯度為9.5，水力梯度較大，致檢修隧洞側(cè)可能會出現(xiàn)大量滲水，進(jìn)而導(dǎo)致兩洞間不良地質(zhì)段的巖體失穩(wěn)。

綜合以上分析，對于本工程受斷層影響洞段，若處理不當(dāng)最有可能夠產(chǎn)生的危害是:①運(yùn)行時，隧洞內(nèi)水外滲，有可能于F3斷層在2、4號支洞出露部位會產(chǎn)生滲漏，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)安全；②一洞運(yùn)行一洞檢修時，由于斷層影響，被檢修的洞內(nèi)大量滲水，圍巖穩(wěn)定受到威脅。同時，失去二洞四機(jī)運(yùn)行的靈活性。

3 處理方案比較及選定

對于受斷層影響的引水隧洞下平段，設(shè)計處理的原則為：對于F3斷層，由于斷層較寬且性狀較差，采用混凝土塞作為剛性楔體，把壓力傳遞于破碎帶兩側(cè)的巖石上。同時，結(jié)合水泥固結(jié)灌漿，提高圍巖的變形模量，降低通過混凝土塞及圍巖固結(jié)圈的滲透水壓力值，進(jìn)而減少對固結(jié)圈外斷層的侵害，以保證運(yùn)行安全。對于其他小規(guī)模的斷層，采用水泥固結(jié)灌漿的方式進(jìn)行處理。鑒于當(dāng)時該洞段襯砌及回填灌漿的已完成的實(shí)際情況，因此，在原方案的基礎(chǔ)上擬定以下3個方案進(jìn)行比較：

（1）水泥固結(jié)灌漿。入巖10 m范圍內(nèi)進(jìn)行水泥固結(jié)灌漿，1、2號隧洞間則采用水泥固結(jié)灌漿進(jìn)行銜接加強(qiáng)。先用普通水泥灌漿，然后采用磨細(xì)水泥灌漿，灌漿壓力為5 MPa。

（2）環(huán)氧材料-水泥復(fù)合固結(jié)灌漿。入巖10 m范圍內(nèi)進(jìn)行水泥固結(jié)灌漿，1、2號隧洞間則采用水泥固結(jié)灌漿進(jìn)行銜接加強(qiáng)，整個入巖10 m范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)充環(huán)氧固結(jié)灌漿，灌漿壓力為5 MPa。

（3）局部鋼襯方案。對受斷層影響洞段采用局部鋼襯，內(nèi)徑6.9 m，采用600 MPa級鋼板，壁厚46 mm。加勁環(huán)及加勁環(huán)間的鋼管的抗外壓能力按最大外水頭 （400 m）考慮。因此，鋼襯外不再設(shè)置排水廊道及其他外排水措施，鋼襯兩端也不設(shè)置阻水帷幕。鋼襯外包混凝土厚60 cm。為了保證局部鋼襯段與鋼筋混凝土襯砌洞段 （內(nèi)徑為8.1 m）的平順連接，在鋼襯段前后各設(shè)置5 m長的鋼筋混凝土漸變段。

3個方案相比較，固結(jié)灌漿方案 （包括水泥固結(jié)和復(fù)合固結(jié)灌漿）有以下缺點(diǎn)：

（1）復(fù)合灌漿方案中環(huán)氧材料灌漿施工工藝較為復(fù)雜，需要有專門從事環(huán)氧材料化灌的專業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行施工；環(huán)氧材料高壓固結(jié)灌漿的過程及質(zhì)量難以控制。

（2）高壓水工隧洞采用環(huán)氧材料-水泥復(fù)合灌漿在國內(nèi)應(yīng)用較少，灌后效果也不是很理想。因此，其灌漿效果難以確定。

（3）環(huán)氧固結(jié)灌漿的吸漿量和可灌性只有通過現(xiàn)場灌漿實(shí)驗(yàn)才能確定；復(fù)合灌漿方案的投資只能根據(jù)概算定額來估算，與實(shí)際的環(huán)氧材料固結(jié)灌漿有很大的差別，投資控制具有不確定性。

（4）在高壓水長期作用下，無論是水泥固結(jié)還是復(fù)合固結(jié)灌漿都可能會失效，即灌漿的耐久性問題。若失效，則需要停機(jī)、放空、補(bǔ)灌。補(bǔ)灌需將球閥拆除，施工人員及設(shè)備才能從壓力鋼管段進(jìn)入到引水隧洞下平段，施工難度較大，停機(jī)時間較長。

對于高水頭壓力隧洞，遇到不良地質(zhì)洞段且對防滲要求較高的隧洞，宜采用鋼襯方案。與復(fù)合固結(jié)灌漿方案相比，鋼襯方案有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）鋼襯方案可有效地解決內(nèi)水外滲的問題。

（2）鋼管施工工藝成熟，施工單位的施工經(jīng)驗(yàn)較多，不存在不確定因素。施工難度主要是現(xiàn)有施工空間限制，現(xiàn)場管節(jié)瓦片組圓對接較為困難。盡管鋼襯方案施工難度較大，但是施工工藝容易控制，對于壓力鋼管的檢測明確，能較好地保證鋼襯的施工質(zhì)量。

（3）由于鋼襯方案進(jìn)行縮徑，增加了水頭損失。相應(yīng)年平均損失的發(fā)電電能為8.6×105kW·h，抽水增加電能為8.2×105kW·h。但是，損失的電能在總發(fā)電量中只是很小的一部分。

綜上比較，盡管局部鋼襯方案運(yùn)行時損失一部分電能，但損失的電能在總發(fā)電量中只是很小的一部分，并且鋼襯方案是防止內(nèi)水外滲和外水內(nèi)滲的最可靠、最有效的方法，施工質(zhì)量容易保證。固結(jié)灌漿方案施工質(zhì)量不容易控制，灌漿效果難以確定。另外，固結(jié)灌漿方案還有耐久性的問題，若失效，則需要停機(jī)、放空、補(bǔ)灌，這樣造成的損失會更大。綜合比較，確定采用局部鋼襯方案。

4 結(jié)語

自2011年6月末開始，蒲石河抽水蓄能電站相繼進(jìn)行了輸水系統(tǒng)充排水試驗(yàn)、機(jī)組有水調(diào)試及上水庫蓄水等工作。目前，4號機(jī)組已投入商業(yè)運(yùn)行。通過一系列的相關(guān)試驗(yàn)和機(jī)組正常運(yùn)行期間對斷層處理部位的檢查和監(jiān)測，充分地證明了下平段斷層處理采用局部鋼襯方案的正確性，有效地解決了下平段斷層部位的內(nèi)水外滲的問題，使得一洞運(yùn)行一洞檢修的工況得以實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而保證了引水系統(tǒng)二洞四機(jī)運(yùn)行的靈活性，為工程安全、穩(wěn)定、合理地運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

對于采用混凝土襯砌或鋼筋混凝土襯砌的高水頭抽水蓄能電站的高壓隧洞，當(dāng)圍巖中有斷層等軟弱結(jié)構(gòu)時，應(yīng)特別重視對斷層的處理。在充分了解隧洞圍巖地質(zhì)情況前提下，結(jié)合本工程其他建筑物布置等實(shí)際情況，充分考慮內(nèi)水外滲可能產(chǎn)生的后果以及處理方案的耐久性，在確保工程安全運(yùn)行的前提下，選擇合適的處理方案。