高水頭、長距離輸水隧洞排水方案探析

趙 芳

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽 550002)

1 概 述

黔中水利樞紐工程位于位于貴州中部，地處株六復(fù)線經(jīng)濟(jì)帶的核心部位，是貴州省城市最密集、工業(yè)基礎(chǔ)最好、人口最集中的地區(qū)。一期工程的任務(wù)是以灌溉和城市供水為主、兼顧發(fā)電等綜合利用。包括水源工程、一期輸配水工程。輸水工程包括總干渠工程、桂松干渠工程、一期支渠工程。其中桂松干渠總長84.77km，從桂家湖水庫取水，自流到雙堡巖山院，設(shè)革寨1號(hào)泵站、2號(hào)泵站提水后，分別進(jìn)入貴陽紅楓湖水庫，松柏山和花溪水庫。

桂家湖水庫取水為庫內(nèi)取水，采用岸塔式取水口，進(jìn)口設(shè)弧形工作門后和消力將有壓流轉(zhuǎn)變?yōu)闊o壓流后連接大山哨隧洞。大山哨隧洞全長8.64km，無壓隧洞，城門洞型斷面。引水設(shè)計(jì)流量14.571m3/s，加大流量16.963m3/s，隧洞底坡為1/3000。

大山哨隧洞是典型的長距離輸水建筑物隧洞，穿越巖溶山區(qū)，高水頭、滲水量大。如果不能處理好隧洞開挖和襯砌中隧洞排水問題，一方面會(huì)給開挖和襯砌施工帶來巨大的困難；另一方面也由于隧洞開挖降低了地下水，給穿越帶帶來一系列社會(huì)問題。

2 地質(zhì)評(píng)價(jià)

大山哨隧洞埋深10-200m。圍巖為三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組第二段(T2g2)灰色中層灰?guī)r夾厚層白云巖和三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組第三段(T2g3)灰色、淺灰色白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r及灰?guī)r。巖層產(chǎn)狀平緩，120°-125°∠3°-6°。

隧洞均處在地下水位以下，巖溶發(fā)育，溶洞、地下河較多見，水文地質(zhì)極為復(fù)雜。開挖洞隙率5%-10%左右。多為地下水沿洞向向桂家湖低鄰谷排泄所形成的巖溶管道，隧洞滲水、涌水量較大。

強(qiáng)、弱風(fēng)化帶巖體為Ⅲ和Ⅳ類圍巖。

3 排水方案

3.1 永久排水方案

大山哨隧洞全長8.64km，埋深10-200m ，沿線穿越貴州云馬廠、5處村寨，水塘等建筑。隧洞均處在地下水位以下，巖溶發(fā)育，溶洞、地下河較多見。若隧洞設(shè)置排水孔，將降低地下水位線，影響沿線廠礦村寨居民的正常生活取水用水，且對(duì)周邊環(huán)境造成眾多不可估計(jì)的破壞[1]。故保持原生態(tài)，恢復(fù)地下水位是大山哨隧洞的設(shè)計(jì)原則。

根據(jù)多次對(duì)大山哨隧洞沿線地下水進(jìn)行水質(zhì)化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)：沿線局部段水質(zhì)類型為[S]CaⅡ型，即為硫酸鹽鈣質(zhì)水。該類型水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)物無一般酸性型、碳酸型、重碳酸型、鎂離子型等腐蝕性，但對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)物有硫酸鹽強(qiáng)腐蝕。

故經(jīng)過多方位考察研究、參照已建工程運(yùn)行情況，大山哨隧洞永久襯砌不設(shè)置縱向排水及橫向排水孔，采用封閉式城門洞型襯砌。施工中考慮臨時(shí)排水措施，施工完成后逐漸恢復(fù)地下水位[2]。

大山哨隧洞水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水位高，不設(shè)置永久排水系統(tǒng)，隧洞襯砌將承受較大的水頭作用，為節(jié)約工程量，按地下水水頭、圍巖類別進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)分類設(shè)計(jì)，詳見表1。

表1 大山哨隧洞襯砌設(shè)計(jì)

3.2 臨時(shí)排水方案

大山哨隧洞線路長、地下水頭高、出水量大，水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，施工中排水設(shè)計(jì)極為重要。由于巖溶發(fā)育，巖層產(chǎn)狀平緩，隧洞開挖掘進(jìn)過程中，地下水沿層面、裂隙集中或分散的通過隧洞排泄。

若采用抽排方式將水抽排至地表河流排向下游，地下水向隧洞內(nèi)排泄將造成局部帶地下水位下降，引起地表溶溝溶槽充填物下陷。而局部滲水地段在進(jìn)行襯砌施工時(shí)，襯砌混凝土初凝前，滲水部位的水流會(huì)在高水壓的擠壓下穿透襯砌，形成滲水，給襯砌施工帶來極大的難度。

3.2.1 集中出水點(diǎn)處理

出水點(diǎn)的監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)：施工開挖中，對(duì)隧洞樁號(hào)1+300-1+802段的涌水點(diǎn)分集中滲水點(diǎn)和分散相對(duì)集中滲水點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)如下：

1)集中滲水點(diǎn)：①隧洞樁號(hào)1+300底板0.2m直徑的小溶洞涌出，初測(cè)涌水量11L/s。②隧洞樁號(hào)1+490右側(cè)墻起拱位置沿張開的裂隙集中涌出，初測(cè)涌水量10L/s。③隧洞樁號(hào)1+587豎井內(nèi)距地表10m左右，距隧洞頂板16m左右，沿張開裂隙集中涌出，初測(cè)涌水量35L/s。④隧洞樁號(hào)1+715左側(cè)距底板3m處沿張開的裂隙集中涌出，推出水量涌15L/s。⑤隧洞樁號(hào)1+800右側(cè)距底板3.8m處沿張開的裂隙集中涌出，初測(cè)涌水量 20L/s。⑥隧洞樁號(hào)1+802頂板上方有一45cm，圓形溶洞，基本上垂直隧洞頂板涌水，初測(cè)涌水量50L/s。

2)分散相對(duì)集中滲水：①隧洞樁號(hào)1+460--1+480涌水段，右側(cè)墻起拱位置沿層面涌水，初測(cè)涌水量16L/s。②隧洞樁號(hào)1+690--1+700全斷面涌水，現(xiàn)以做一次支護(hù)，初測(cè)涌水量25L/s。③隧洞樁號(hào)1+740隧洞涌水兩側(cè)起拱位置沿層面涌出，初測(cè)涌水量18L/s。④隧洞樁號(hào)1+760--1+780隧洞左右側(cè)墻沿層面涌水及頂拱沿張開裂隙涌水，初測(cè)涌水量35L/s。

3.2.2 處理方案

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)成果，對(duì)隧洞開挖出水點(diǎn)按出水流量大小進(jìn)行分類。對(duì)較大的集中出水點(diǎn)進(jìn)行洞內(nèi)封堵處理，以恢復(fù)地下水的補(bǔ)排關(guān)系并減少洞內(nèi)出水量。

1)對(duì)出水流量Q≤5L/s的出水點(diǎn)做好引排工作，暫時(shí)可不進(jìn)行封堵。

2)對(duì)出水流量10L/s≥Q≥5L/s的出水點(diǎn)適當(dāng)開挖后采用管道引排，然后采用快干混凝土封閉即可(見圖1)。

圖1 示意圖一10L/s≥Q≥5L/s

③對(duì)出水流量Q≥10L/s的出水點(diǎn)，進(jìn)行擴(kuò)挖后采用管道引排并在周圍增加鋼支撐，同時(shí)采用C10混凝土(快干水泥)等材料對(duì)管道和巖層的周邊空腔進(jìn)行封堵，封堵完畢并達(dá)到強(qiáng)度后，采用反壓灌漿的方法將出水點(diǎn)徹底封閉(見示意圖2)；

圖2 示意圖二Q≥10L/s

3.2.3 防水層及排水處理

隧洞開挖后對(duì)出水點(diǎn)進(jìn)行排水和封堵處理，但由于出水點(diǎn)多，出水量大，壓力大，且隧洞圍巖呈水平狀，有大量沿層面的分散出水點(diǎn)，對(duì)隧洞襯砌施工帶來了困難，如襯砌混凝土初凝前，滲水部位的水流會(huì)在高水壓的擠壓下穿透襯砌，形成滲水等。故針對(duì)襯砌施工，進(jìn)行了以下處理措施。

1)邊墻滲水段：

邊墻滲水段襯砌在初期支護(hù)(或隧洞巖面)與襯砌之間鋪設(shè)分離式防水層，防水層背后設(shè)置Ф50環(huán)向盲溝(由Ф50排水盲管組成)，每4m設(shè)一道，若隧洞邊墻滲水較大時(shí)應(yīng)每1m設(shè)置一道；距襯砌底50cm處墻角位置設(shè)置Ф100縱向盲溝(由Ф100排水盲管組成)，左右各設(shè)一道，縱向與環(huán)向盲溝均與邊墻Ф50泄水孔相通，邊墻滲水均由邊墻泄水孔流出，泄水孔布置數(shù)量與環(huán)向盲溝數(shù)量相同。泄水孔在襯砌施工完畢后，采用灌漿方式進(jìn)行封堵。

襯砌環(huán)向施工縫采用中埋式橡膠止水帶加背貼式橡膠止水帶復(fù)合構(gòu)造形式；隧洞底板與襯砌邊墻、襯砌邊墻與襯砌的縱向施工縫采用遇水膨脹止水條單一構(gòu)造形式。在隧洞襯砌型式變化處或軟硬巖分界處設(shè)置永久施工縫，永久施工縫采用中埋式鋼邊橡膠止水帶，遇水膨脹止水條加背貼式橡膠止水帶復(fù)合構(gòu)造形式，并以瀝青木絲板，聚硫橡膠膠填縫。

2)底板滲水段：

隧洞底板滲水段在襯砌底板澆筑前首先對(duì)襯砌底板巖面進(jìn)行清理干凈，在底板與襯砌之間鋪設(shè)分離式防水層。并于防水層下設(shè)置Ф50盲溝(由Ф50排水盲管組成)2道，襯砌底板滲水由Ф50排水盲管引出(見圖3)。

襯砌底板施工縫采用中埋式橡膠止水帶加背貼式橡膠止水帶復(fù)合構(gòu)造形式；在隧洞襯砌底板型式變化處或軟硬巖分界處放置永久施工縫，永久施工縫采用中埋式鋼邊橡膠止水帶、遇水膨脹止水條加背貼式橡膠止水帶復(fù)合構(gòu)造形式，并以瀝青木絲板、聚硫橡膠膠填縫。

圖3 示意圖三

4 結(jié) 語

隧洞開挖及襯砌實(shí)施過程中，排水方案取得了良好效果，減少了高水頭大流量隧洞開挖的排水量，降低了排水費(fèi)用，襯砌施工得以順利進(jìn)行，并降低了施工風(fēng)險(xiǎn)和由于地下水變化給隧洞穿越帶來的一系列的社會(huì)問題。