惠蓄電站高壓隧洞滲水原因分析及處理措施

余萬祥

【摘 要】惠州抽水蓄能電站A廠水道工程于2008年建成，在上游水道首次充水時(shí)，位于上游水道系統(tǒng)高壓隧洞上方的地勘洞出現(xiàn)了的高壓滲水，最大滲水量達(dá)183.3 L/s。水道放空后，采用封堵高岔上方地勘洞，高壓隧洞內(nèi)進(jìn)行深孔水泥固結(jié)灌漿+系統(tǒng)化學(xué)灌漿及回填F304斷層，對(duì)高壓滲水進(jìn)行了成功處理，目前電站運(yùn)行安全，高岔區(qū)的總滲水量一直穩(wěn)定在5.92L/s之內(nèi)。

【關(guān)鍵詞】惠蓄電站；高壓隧洞；最小覆蓋厚度；水力梯度；最小主應(yīng)力；灌漿

廣東惠州抽水蓄能電站A廠（以下簡稱為惠蓄A(yù)廠），裝機(jī)容量4×300MW，采用“一洞四機(jī)”布置，上庫正常蓄水位標(biāo)高762m，下庫正常蓄水位標(biāo)高231m，上、下庫水頭差為531.0m。上游水道由上庫進(jìn)出水口、上平洞、上游調(diào)壓井、中斜井、中平洞、下斜井、下平洞、高壓岔管（以下簡稱高岔）、引水鋼支管構(gòu)成。高岔中心線高程為135m，最大靜水頭將近627m，主岔管的四個(gè)岔支管口連接四條長約138m 的引水鋼支管，進(jìn)入地下廠房后連到四臺(tái)機(jī)組的蝸殼。地下廠房的排水系統(tǒng)由廠房四周的上、中、下層排水廊道和高岔區(qū)上方246m高程地勘探洞組成。

上游水道系統(tǒng)于2008年5月31日21點(diǎn)35分開始，首次充水至上庫水位751m，在充水其間水位在680m時(shí)，在高岔上方、距高岔垂直距離約120m的地勘洞PD01、1+200m樁號(hào)附近F304斷層的洞壁上，突然出現(xiàn)了噴射狀高壓滲水，此時(shí)的滲水量大約在41.67～55.56L/s，水道充水至上庫水位后，滲水最嚴(yán)重的部位集中在地勘洞F304、F273斷層揭露部位，1#灌漿廊道F59斷層部位呈水簾洞狀噴射水，地勘洞總滲水量達(dá)到183.3L/s，關(guān)閉充水閥，水道總滲水量達(dá)到229.7L/s。穩(wěn)壓16d后，2008年7月18日排空上游水道進(jìn)行全面檢查發(fā)現(xiàn)：高壓隧洞混凝土襯體出現(xiàn)裂縫主要分布在頂拱，且裂縫具有集中成帶、斜列式排列的典型特征，均有外水返滲，呈水簾洞狀出水，以下平洞AY2+800——AY2+843段最為嚴(yán)重。在AY2+800——AY2+900段順?biāo)鞣较蛴覀?cè)腰部有較多的斜向裂縫，分析認(rèn)為，高壓隧洞襯體開裂是地勘洞大量滲水的主要原因。決定在三個(gè)方面進(jìn)行處理：第一方面針對(duì)穿過高壓隧洞的斷層及裂縫節(jié)理采取深孔水泥固結(jié)灌漿，以及隧洞圍巖固結(jié)圈系統(tǒng)高壓化學(xué)灌漿，第二方面，對(duì)地勘洞進(jìn)行混凝土回填。第三方面，對(duì)F304斷層進(jìn)行水泥回填灌漿，處理工作結(jié)束后，上游水道再次充水，穩(wěn)壓5個(gè)月后總滲水量為5.92L/s，區(qū)內(nèi)的滲壓計(jì)讀數(shù)也保持了良好的穩(wěn)定狀態(tài)?；菪預(yù)廠高岔在首次充水中，為何會(huì)出現(xiàn)如此規(guī)模的裂縫和滲漏？針對(duì)滲水原因已實(shí)施的處理措施能否保證高岔的長期安全運(yùn)行？是這里討論的重點(diǎn)。

1.水道滲漏的成因

無論廣蓄還是惠蓄以及其它大型抽水蓄能電站，其高壓水道的滲漏問題，都有‘矛與‘盾兩個(gè)方面：‘矛這一方，指的是高內(nèi)水壓力與高水力梯度，而且兩者必須同在。僅只要內(nèi)水壓力高而水力梯度很小，并不會(huì)造成很大的滲漏，反之亦然。只有兩者同在，‘矛才利?！苓@一方，指的是混凝土襯砌、高壓固結(jié)灌漿帶、未經(jīng)固結(jié)灌漿的巖體的厚度等，它們的作用是增大滲流阻力，堵塞滲流通道，降低水力梯度，只有這三方面做好了，‘盾才堅(jiān)。

1.1過大的水力梯度是導(dǎo)致A廠高壓隧洞出現(xiàn)大量滲漏的原因（滲透穩(wěn)定）

此次A廠水道充水過程中，當(dāng)水道水位達(dá)到680m時(shí)，水道內(nèi)水壓力近5.4MPa時(shí)，5m水泥固結(jié)圈已發(fā)生劈裂，說明實(shí)際水力梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于“臨界水力梯度”，此時(shí)的“臨界水力梯度”在洞段內(nèi)發(fā)育相對(duì)較大結(jié)構(gòu)面NW 向構(gòu)造F59和F43斷層形成較大的滲漏通道。在深孔水泥灌漿鉆孔發(fā)現(xiàn)，大部份鉆孔超過9m后都有大量來水，從AY2+840樁號(hào)8-1#孔鉆孔到9m深穿過F59斷層時(shí)大量來水，來水量到達(dá)110L/min。說明水文地質(zhì)條件差，在水泥固結(jié)范圍圈以外有較大的透水帶斷層，巖石透水性好，保水性差，導(dǎo)致水力梯度過大。

1.2最小覆蓋厚度 （挪威準(zhǔn)則）

設(shè)計(jì)采用有限元法計(jì)算，認(rèn)為襯體砼僅是傳力給巖石，允許砼開裂，按限制裂縫寬度0.2mm，作用在圍巖上的水壓力接近于內(nèi)水壓力，受力和防滲主要靠圍巖起作用，要使襯砌隧洞能保持穩(wěn)定，并不因滲水過大而不能正常運(yùn)行，必須保證襯砌隧洞有足夠的埋深，使隧洞洞身的垂直及側(cè)向巖石覆蓋厚度大于最小覆蓋厚度。保證圍巖不產(chǎn)生滲透失穩(wěn)和水力劈裂。

挪威準(zhǔn)則是經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，其原理是要求隧洞上覆巖體重量不小于洞內(nèi)水壓力。采用最薄埋厚代替巖體垂直及側(cè)向覆蓋厚度，如下式：

De≥？奕w×（H/？奕r）×cosβ·K（式2）

式中： De為壓力隧洞計(jì)算點(diǎn)到地面的最短距離，單位：m；？奕w為水的容重；β為山坡的平均坡角；K為安全系數(shù)（一般取1.3～1.5）λ=K？奕/？奕R；？奕r為巖體的容重；

根據(jù)挪威準(zhǔn)則公式計(jì)算得出：

高壓隧洞最小覆蓋厚度一般取1.2H， 安全系數(shù)K為（一般取1.3～1.5） ，從表3計(jì)算得出，在側(cè)向（靠斷層F304方向）無法滿足高壓隧洞最小覆蓋厚度要求。

在高壓隧洞段，由于透水性好的F304斷層與隧洞近平行，且處于隧洞的下盤，隧洞與斷層的距離在60～200m間。

1.3洞內(nèi)靜水壓力大于最小主應(yīng)力 （水力劈裂）

最小主應(yīng)力準(zhǔn)則是建立在“巖體在地應(yīng)力場(chǎng)中存在預(yù)應(yīng)力”的基礎(chǔ)上的，其原理是要求襯砌高壓隧洞沿線任一點(diǎn)的圍巖最小主應(yīng)力σ3大于該點(diǎn)洞內(nèi)靜水壓力，并有1.2～1.3倍的安全系數(shù)。完整的巖塊透水性微弱，水在巖體中的運(yùn)動(dòng)主要是通過巖體中的裂隙或節(jié)理。實(shí)際上對(duì)有節(jié)理裂隙的巖體進(jìn)行劈裂，所需的滲透壓力小于主應(yīng)力測(cè)試時(shí)劈裂完整巖體的劈裂應(yīng)力；劈裂NW向構(gòu)造所需滲透壓力小于最小主應(yīng)力，在高壓水作用下巖體斷續(xù)裂隙（空隙）發(fā)生擴(kuò)展，連通率增大，改變了巖體原有的結(jié)構(gòu)，使?jié)B透性大大增加，同時(shí)伴隨侵蝕及泥化等作用。滲透性的增加又會(huì)加速滲流，使水力劈裂作用進(jìn)一步加強(qiáng)。

另一方面下高壓隧洞場(chǎng)區(qū)的NW、NNW向斷層發(fā)育， 斷層構(gòu)造是張性透水構(gòu)造，張性性質(zhì)的斷層不是單獨(dú)的一條，而是相互平行的一組構(gòu)造，其中一條或某幾條NW向構(gòu)造發(fā)生劈裂時(shí)，未被劈裂的其它張性NW向裂縫將被壓縮，并不受最小主應(yīng)力的控制。因此，相對(duì)而言，劈裂成組產(chǎn)出的張性構(gòu)造的滲透壓力又低于劈裂單條產(chǎn)出的張性構(gòu)造所需的壓力。設(shè)張性裂隙在法向應(yīng)力為σn條件下等效水力隙寬為a，則在一定水力梯度J作用下通過裂隙的流量與隙寬3次方成正比，裂隙的等效水力隙寬將增大Δa。即q=-kaJ=-ga3/12νJ（3）式中：g為重力 加速度；ν為水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)；k=ga2/12ν為裂隙的導(dǎo)水系數(shù)。有幾組NW向透水裂隙（F59、F43與F65）連通高壓隧洞及地勘洞。設(shè)與隧洞相交的裂隙的法向應(yīng)力為σn。如果？奕hs>σn，則在水的作用下，裂隙法向應(yīng)力將變?yōu)槔瓚?yīng)力，裂隙將張開。假如裂隙劈裂后隙寬a增大一倍，則由式（3）知其滲流量將增大到原來的8倍。

2.下平洞及高岔襯砌砼開裂形成頂部燕尾形裂縫原因

位于襯砌頂部的裂縫具有集中成帶、斜列式排列的典型特征，根據(jù)ltasca（武漢）咨詢有限公司的咨詢報(bào)告，襯砌頂部的裂縫顯著地不同于內(nèi)水壓力作用下的襯砌破壞，而是具有典型的剪切性質(zhì)，不同于內(nèi)水壓力作用產(chǎn)生的張破裂特征。而其剪切性質(zhì)屬于隧洞兩側(cè)出現(xiàn)比較明顯的差異變形。從地質(zhì)條件分析，發(fā)生滲水的三大原因?qū)е滤纼蓚?cè)圍巖出現(xiàn)比較明顯的差異，靠F304斷層一側(cè)內(nèi)水進(jìn)入圍巖并達(dá)到F304，說明這一側(cè)圍巖的斷層結(jié)構(gòu)帶成為較大的滲流通道，主要為F59、F43、F65斷層通向F304，從深孔水泥灌漿情況看也證明這一點(diǎn)，而靠在A廠廠房一側(cè)則有1#灌漿廊道，整理圍巖得以較好加固。由于隧洞兩側(cè)圍巖加固存在差異，高壓水導(dǎo)致隧洞兩側(cè)實(shí)際受力狀態(tài)和圍巖變形性能的進(jìn)一步變化，先是圍巖發(fā)生微弱變形，使灌漿固結(jié)圈范圍發(fā)生破壞，導(dǎo)致在襯砌砼頂部（襯砌砼受力最薄弱的部位）出現(xiàn)集中成帶的剪切裂縫。

3.高壓隧洞防滲處理三大措施

滲流量的大小，總是由三種因素決定的。水力梯度與滲流系數(shù)（即滲流阻力）決定了滲流的流速，滲流通道的面積與滲流流速的乘積決定了滲流量的大小，所以解決高壓隧洞的防滲問題，也應(yīng)從‘矛與‘盾兩方面入手，采取三大措施。

3.1封堵高岔上方地質(zhì)探洞，將滲水封閉在山體內(nèi)，降低水力梯度，以增大滲流阻力，減小滲流通道出口的面積

A廠高壓隧洞出現(xiàn)大量滲漏的根本原因是高壓隧洞至上方地質(zhì)探洞之間的水力梯度過大。要想從根本上解決裂縫和滲漏問題，確保在日后的運(yùn)行中襯砌不再產(chǎn)生新的裂縫、圍巖不產(chǎn)生劈裂，則必須降低排水探洞至高岔之間巖體的水力梯度，有效的抬高H2，以減小內(nèi)外水壓力差。將地質(zhì)探洞所有滲水?dāng)鄬訕?gòu)造帶（主要為F304及F273斷層揭露處、1#灌漿廊道F59斷層揭露處） （見圖1）用混凝土進(jìn)行回填封堵、預(yù)埋管回填灌漿。

圖1 地勘洞及1#灌漿廊道封堵平面圖

3.2 高壓隧洞內(nèi)進(jìn)行深孔水泥固結(jié)灌漿+系統(tǒng)化學(xué)灌漿，盡可能堵塞滲水通道，增加滲流阻力

加固圍巖松動(dòng)圈及圍巖與襯砌混凝土間的接縫得到有效緊密結(jié)合。

針對(duì)穿過高壓隧洞的斷層構(gòu)造帶及裂縫節(jié)理帶，在隧洞順?biāo)鞣较蛴覀?cè)腰部及頂拱布置深孔高壓水泥固結(jié)灌漿，目的在于將環(huán)繞高壓隧洞的圍巖固結(jié)起來，增加圍巖整體性、彈模和抗力，提高圍巖的承載力，將穿過高壓隧洞的斷層節(jié)理構(gòu)造及張性裂隙等滲流通道加以延長封閉，增加滲流阻力，使最小主應(yīng)力大于洞內(nèi)最大靜水壓力。此次水道滲水放空后灌漿參數(shù)，新增的深孔水泥固結(jié)灌漿孔深15～20m，壓力7.5MPa，下平洞總灌漿孔84個(gè)，灌漿工程量1331.5m，總耗灰量202.28t，平均單耗151.92kg/m，最大單孔耗灰量95.97t。高岔總灌漿孔95個(gè)，灌漿工程量1482.0m，總耗灰量76.92t，平均單耗51.91kg/m，最大單孔耗灰量9.36t。平均水泥灌漿孔深15.72m，在高岔、下平洞及下斜井下彎段采取系統(tǒng)化學(xué)灌漿，孔深由原設(shè)計(jì)的5m加深至7.5m（局部9m），排距也由原設(shè)計(jì)的3m加密至1.5～2.0m，化學(xué)灌漿材料為改性環(huán)氧高分子材料，灌漿壓力7.5 MPa，下平洞總灌孔數(shù)700個(gè)，灌漿工程量4702m，總耗漿87.654t，平均單耗19kg/m，最大單孔耗漿量9.3t。高岔總灌漿孔470個(gè)，灌漿工程量3929m，總耗漿89.3t，平均單耗23 kg/m，最大單孔耗漿量9.46t。大面積化學(xué)灌漿既可以修復(fù)襯體的裂縫，又可以盡可能多地封堵襯體后圍巖灌漿固結(jié)圈中被高壓水劈裂和沖蝕出的透水通道、增大滲流阻力，同時(shí)還起到了加固圍巖松動(dòng)圈、提高圍巖抗力的作用。

3.3 F304斷層回填灌漿

F304斷層在地質(zhì)探洞246高程以下的空腔水泥灌漿，由于有F304斷層在高壓隧洞的下盤，斷層寬度為10～15m，水道與F304斷層直線距離最小處只有65m， 隧洞在側(cè)向（靠斷層F304方向）不能滿足高壓隧洞最小覆蓋厚度要求。采取水泥灌漿填充空腔部分及斷層裂縫，提高圍巖的完整性及受力傳遞，能有效提高隧洞側(cè)向最小覆蓋厚度要求，水泥回填灌漿總共灌入1812.4噸，灌漿壓力3.5MPa。

4.結(jié)論

由于惠蓄電站水文地質(zhì)條件復(fù)雜，巖石透水性好，保水性能差，有幾條NW向斷層構(gòu)造帶穿過下平洞及高岔，F(xiàn)304斷層又處于水道下盤，惠蓄A(yù)廠高壓隧洞鋼筋混凝土開裂和大量高壓內(nèi)水外滲的根本原因是高岔至上方地勘洞的水力梯度過大；水道側(cè)向最小覆蓋厚度不能滿足要求，水道放空后，對(duì)下平洞及高岔進(jìn)行深孔水泥灌漿+高壓系統(tǒng)化學(xué)灌漿和回填高岔上方地勘洞及F304斷層水泥灌漿的處理措施是有效的、必要的；處理后的鋼筋混凝土岔管的長期安全運(yùn)行是有保障的。