地下洞室超大流量、高水壓集中出水點(diǎn)引排技術(shù)研究

殷國權(quán)

(中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，四川成都 611130)

地下洞室超大流量、高水壓集中出水點(diǎn)引排技術(shù)研究

殷國權(quán)

(中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，四川成都 611130)

“多、長、大、深”是未來隧道技術(shù)發(fā)展的總趨勢。隨著隧道長度增大，埋深增加，將不可避免地出現(xiàn)與之有關(guān)的高壓、大流量涌水等施工地質(zhì)災(zāi)害問題。以錦屏二級水電站東端2號引水隧洞發(fā)現(xiàn)的5+925、10+472兩個集中出水點(diǎn)為依托，探索了地下洞室超大流量、高水壓集中出水點(diǎn)引排技術(shù)。

地下洞室;超大流量;高水壓;集中出水點(diǎn);引排技術(shù);錦屏二級水電站

1 工程概述

錦屏二級水電站主要由4條長約16．7km的引水隧洞構(gòu)成，隧洞之間的中心間距為60m，一般埋深1500～2000m，最大埋深約2525m。錦屏二級水電站東端1號、2號引水隧洞施工過程中揭露流量大于500L/s的集中出水點(diǎn)5個，其中東端2號引水隧洞5+925汛期最大出水量為4．8m3/s，東端2號引水隧洞10+472最大出水壓力為0．65MPa(出水量為682L/s)。因此，對超大流量、高壓力集中出水點(diǎn)的治理的成敗就決定了隧洞運(yùn)行期間的結(jié)構(gòu)安全。

2 突涌水點(diǎn)地下水處理專用沉箱技術(shù)

(1)技術(shù)背景。

東端2號引水隧洞5+925突涌水點(diǎn)在“8．30”群發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害后，出水量長期穩(wěn)定保持在4．8m3/s左右。2012年11月下旬，通過2號引水隧洞斷面實(shí)測出水流量約為3．9m3/s，2012年12月初約為3．6m3/s，2013年1月中旬約為2．4 m3/s。隨著季節(jié)的變化，5+925突涌水點(diǎn)的流量也隨之變化，說明該部位的出水受降雨補(bǔ)給明顯。

錦屏“8．30”特大暴雨地質(zhì)災(zāi)害后，對突涌水點(diǎn)的處理有了新的認(rèn)識，在封堵了地下水的通道后，增大了山體承載力，可能會影響到隧洞結(jié)構(gòu)的安全。經(jīng)綜合考慮后，將5+925突涌水點(diǎn)處理的指導(dǎo)思想轉(zhuǎn)變?yōu)椤岸滤c控排相結(jié)合”。因此，如何實(shí)現(xiàn)可控排放成為該項(xiàng)研究的主旨。

在此背景下，通過現(xiàn)場勘察、理論分析和試驗(yàn)研究等方法，探索出了適合突涌水點(diǎn)地下水處理技術(shù)，最終研究并開發(fā)了“突涌水點(diǎn)地下水處理專用沉箱”，實(shí)現(xiàn)了地下水的導(dǎo)排，降低了地下水的揚(yáng)壓力，確保了引水隧洞結(jié)構(gòu)安全。

(2)技術(shù)構(gòu)思。

集思廣議，開發(fā)了突涌水點(diǎn)堵排水專用設(shè)備沉箱，該沉箱的設(shè)計(jì)思路為:

①沉箱的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足隧洞實(shí)際斷面尺寸的要求，安裝后其頂部應(yīng)確保在結(jié)構(gòu)混凝土以下，從而可以保證墊層混凝土、結(jié)構(gòu)混凝土的澆筑。

②能使突涌水點(diǎn)、帶狀出水全部匯集到沉箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)控制排放。

③構(gòu)造應(yīng)簡單、合理，能有效承受各種荷載，能夠在空間有限的引水隧洞內(nèi)順利完成吊裝。

④能夠作為單獨(dú)結(jié)構(gòu)獨(dú)立、永久運(yùn)行。

(3)主要技術(shù)內(nèi)容。

筆者以錦屏二級水電站突涌水點(diǎn)堵排水專用沉箱的研究開發(fā)與應(yīng)用為例，詳細(xì)介紹了該沉箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)點(diǎn)(類似工程可根據(jù)突涌水點(diǎn)的分布、形態(tài)、壓力、流量設(shè)計(jì)沉箱的形狀、尺寸、引水鋼管的尺寸)。

①沉箱的結(jié)構(gòu)。

沉箱由箱體和蓋板組成，結(jié)構(gòu)為12．5m× 2．5m×1．5m(長×寬×高)，箱體長邊和寬邊采用材質(zhì)為Q2345B、d=10mm的鋼板，四個邊沿采用材質(zhì)為Q2345B，d=20mm的鋼板加工制造。箱體內(nèi)部采用材質(zhì)為Q235B的H型鋼、14型工字鋼、18#a型槽鋼(厚型)進(jìn)行焊接加固支撐。頂部蓋板采用材質(zhì)為Q235B，d=20mm的鋼板，分四塊與沉箱連接，采用螺栓與沉箱周邊混凝土上的預(yù)埋件連接，并在其之間設(shè)置橡膠止水。在沉箱面向上游的長邊和寬邊各焊接2根DN700引水鋼管。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

②沉箱的功能。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)沉箱設(shè)計(jì)圖

a、將突涌水點(diǎn)、帶狀出水全部匯集到沉箱內(nèi)。

b、將沉箱面向上游的長邊和寬邊焊接的4根DN700引水鋼管與在溝槽內(nèi)安裝的4根DN700引水鋼管對接，使匯集至沉箱內(nèi)的水實(shí)現(xiàn)導(dǎo)排。

c、沉箱安裝完成后，箱體兼做模板的功能施工墊層混凝土;蓋板安裝完成后，結(jié)構(gòu)混凝土可以順利實(shí)施。

d、沉箱作為永久結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)地下水的導(dǎo)排，從而降低地下水的揚(yáng)壓力，確保引水隧洞的結(jié)構(gòu)安全。

③沉箱的吊裝。

由于沉箱構(gòu)件單重大、長度大且受現(xiàn)場施工條件限制，沉箱吊裝半徑較大，具有工期短、難度大、危險性高等特點(diǎn)。為保證沉箱吊裝的順利實(shí)施，沉箱在制造廠內(nèi)按兩段進(jìn)行制造，現(xiàn)場分兩次完成吊裝，專業(yè)人員對沉箱兩段結(jié)合處進(jìn)行焊接，并確保沉箱安裝的焊接質(zhì)量。

④沉箱的運(yùn)行。

沉箱作為單獨(dú)結(jié)構(gòu)埋設(shè)在引水隧洞內(nèi)，可以獨(dú)立永久運(yùn)行。

本項(xiàng)研究成果解決了引水隧洞突涌水點(diǎn)堵排水的技術(shù)問題，為工程的順利進(jìn)行起到了重要的保障作用，大大降低了地下水的應(yīng)力破壞，保證了引水隧洞的結(jié)構(gòu)安全。

3 集中出水點(diǎn)逆止閥引排施工技術(shù)

(1)技術(shù)背景。

東端2號引水隧洞10+472左側(cè)邊墻大面積出水，呈散狀出水，沿洞壁滲流。鉆孔揭示地下水活動強(qiáng)烈，所形成的溶蝕溝槽明顯，局部有夾(黃)泥現(xiàn)象，各散水出水點(diǎn)之間具有極好的連通性;表面巖層松散破碎，鉆孔經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆，塌孔等現(xiàn)象，主要出水深度約為5．5～7m。2012年11月1日測得的出水總量為110L/s。隨著其余出水點(diǎn)的逐步封堵及東端2號引水隧洞10+457～10+487段出水區(qū)域外深層封閉固結(jié)灌漿的完成，地下水出水流量及壓力變大，2012年12月14日測得的出水總量為682L/s。

鑒于地下水治理的理念還處于發(fā)展階段，在采用完全堵水對隧洞結(jié)構(gòu)安全及周邊環(huán)境有不利影響時，面對超高壓力及大流量涌水，如何保證引水隧洞的結(jié)構(gòu)安全是本工程的一大施工難題。

在此背景下，我們研究了一套“集中出水點(diǎn)逆止閥引排施工技術(shù)”，保證了引水隧洞的結(jié)構(gòu)安全，確保了內(nèi)水不外滲。

(2)主要技術(shù)內(nèi)容。

對主要2個出水孔進(jìn)行了永久引排，按照出水總量682L/s計(jì)算，需采用2根φ273模袋，其管內(nèi)流速約為5．9m/s。待噴護(hù)砂漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，針對2個較大的出水引排孔，采用φ273無縫鋼管與引排孔模袋閘閥連接，將地下水沿噴護(hù)砂漿層引至底板預(yù)留集水坑內(nèi)，在出口處安裝φ273逆止閥，該逆止閥出口高于底板混凝土襯砌面5cm。在施工過程中，始終保持其余引排孔地下水處于排放狀態(tài)，從而避免了因地下水壓力過大而破壞表面巖層和噴護(hù)砂漿層。為保證東端2號引水隧洞的長期安全運(yùn)行，10+472出水區(qū)域采用雙層鋼筋進(jìn)行混凝土澆筑。系統(tǒng)混凝土澆筑完成后，用鋼筋焊接固定引排管及逆止閥，使逆止閥出口垂直向上，出口高于底板混凝土面5cm，確?；靥顣r逆止閥和引排管不會移位。逆止閥安裝位置見圖2。

圖2 逆止閥安裝位置示意圖

逆止閥引排結(jié)構(gòu)原理見圖3。

集中出水點(diǎn)逆止閥引排工作原理:在引水隧洞單點(diǎn)出水量大于500L/s、壓力大于0．5MPa時，直接封堵可能會對隧洞的結(jié)構(gòu)安全造成威脅。集中出水點(diǎn)逆止閥引排技術(shù)就是將大型堵水膜袋與逆止閥的功能并用，在引水隧洞充水發(fā)電期直接將出水排進(jìn)隧洞內(nèi)。由于逆止閥的作用，隧洞過流水不會再外滲到出水孔內(nèi)。

4 社會效益

針對錦屏二級水電站研發(fā)出的將集中出水點(diǎn)引排的工藝，保證了隧洞的安全，從隧洞運(yùn)行一年多時間的實(shí)際情況看，運(yùn)行效果良好。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，在高壓、富水區(qū)修建深埋長大隧道都將不同程度地遇到涌水現(xiàn)象。錦屏工程超大流量、高水壓集中出水點(diǎn)引排技術(shù)可為類似長大隧洞施工提供豐富的經(jīng)驗(yàn)和有力的施工技術(shù)支持，特別是對于正在規(guī)劃中的雅魯藏布江大河灣的水電站具有較高的參考價值。

圖3 逆止閥引排結(jié)構(gòu)原理圖

5 結(jié)語

隨著地下工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)要互相協(xié)調(diào)新理念的發(fā)展，以堵為主，堵排結(jié)合的隧道(洞)施工涌水處理原則已占主導(dǎo)地位。錦屏工程在對集中出水點(diǎn)的治理方面取得了重大進(jìn)展，對于大于500L/s/30m出水洞段采用封堵+引排的思路，經(jīng)過錦屏二級水電站東端1號、2號引水隧洞一年多時間安全運(yùn)行的驗(yàn)證，效果良好。錦屏工程引排水中采用的鋼結(jié)構(gòu)沉箱技術(shù)、逆止閥引排技術(shù)可為類似工程借鑒和引用，具有較高的參考價值。

［1］ 陳豪雄，殷 杰．隧道工程(M)．北京:人民交通出版社，1995．

［2］ 覃仁輝，王成．隧道工程(第三版)［M］．重慶:重慶大學(xué)出版社，2011．

［3］ 汪雪英，蔡仲銀，熊建清．長大深埋隧洞工程施工技術(shù)研究［M］．鄭州:黃河水利出版社，2009．

［4］ 席光勇．深埋特長隧道(洞)施工涌水處理技術(shù)研究［D］．西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文．2005．1．

TV52;TV554

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1001-2184(2015)01-0083-03

殷國權(quán)(1978-)，男，四川成都人，副總經(jīng)理兼項(xiàng)目經(jīng)理，高級工程師，學(xué)士，從事水電工程施工技術(shù)與管理工作．

(責(zé)任編輯:李燕輝)

2014-12-10