關(guān)于水利工程輸水隧洞施工期排水控制要點的探討

陳 平，馮 笑

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 問題的提出

水利工程輸水隧洞是水利樞紐中的重要組成部分，隧洞線路必須與水利樞紐的建設(shè)任務(wù)相適應(yīng)，并須根據(jù)地形、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)、水文等條件選定，所處的地理環(huán)境相當復(fù)雜[1]。在隧洞施工過程中，由于受水壓力、地應(yīng)力、軟巖、涌砂及涌水等不利工程地質(zhì)條件影響[2]，施工期排水顯得尤為重要，施工期排水控制是否合理，直接影響隧洞施工質(zhì)量、進度、安全和成本。

2 水利工程輸水隧洞特點

2.1 線路較長

在水利工程建設(shè)過程中，為降低水頭損失和保障輸水線路安全，通過輸水隧洞實現(xiàn)長距離或跨流域調(diào)水的目的，水利工程輸水隧洞一般線路較長，如松陽縣黃南水庫工程輸水隧洞長約10 km，新昌縣欽寸水庫輸水隧洞長約29 km[3]，引漢濟渭工程輸水隧洞長約98 km[4]，為滿足通風、施工用電安全和出渣等需要，一般3～5 km 設(shè)置1 個施工支洞，沿線設(shè)置施工支洞較多。

2.2 斷面較小

水利工程輸水隧洞以輸水為目的，一般為有壓隧洞，通過輸水流量和隧洞施工需要確定隧洞斷面尺寸，較為常見的開挖斷面尺寸為：3.6 m×3.6 m～6.0 m×6.0 m。

2.3 施工期排水量大

水利工程隧洞施工期排水量來自于施工用水和地下水，洞內(nèi)施工用水主要為施工機械用水，水量較??；地下水主要包括孔隙水、巖溶水、裂隙水，水量較大[2]。由于輸水隧洞通常會經(jīng)過裂隙水或巖溶水富集區(qū)，裂隙水一般埋藏較淺，水頭高，隱蔽性強，涌水量往往較大，從而導(dǎo)致施工期排水量較大。

2.4 環(huán)境保護要求高

水利工程輸水隧洞通常從水源地取水，將水引至另外一個水源地。在隧洞首部新建水庫或者取水工程，末端新建蓄水建筑物，或利用現(xiàn)有水庫進行調(diào)蓄。輸水隧洞施工范圍會涉及一級或者二級水源保護區(qū)，一旦發(fā)生水源污染事件，影響范圍較大，對施工期排水環(huán)境保護要求較高。

3 水工隧洞施工排水控制要點

3.1 合理控制隧洞縱坡

輸水隧洞過流能力按照管流進行計算，在工程設(shè)計階段與施工組織設(shè)計充分結(jié)合，考慮施工作業(yè)面的分布情況合理調(diào)整隧洞縱坡，便于施工排水，盡量使施工作業(yè)排水坡度為順坡，通過自流排水降低排水難度。輸水隧洞進口段過流能力由進出口水頭差、斷面尺寸和沿線水頭損失確定，在不影響輸水隧洞過水能力的前提下，盡量采用平坡；施工支洞段，一般情況下施工支洞上游作業(yè)面是順坡，能夠自流排水，施工支洞下游作業(yè)面為反坡，需要進行動力提升排水，在保證輸水隧洞過流能力和輸水隧洞洞頂沿線有一定正壓力的前提下（一般要求相對壓強水頭不宜小于2.00 m 水柱），考慮對施工支洞下游隧洞縱坡進行調(diào)整，盡量采用平坡或順坡。

3.2 準確估算排水量

隧洞排水量受水文地質(zhì)條件影響較大，國內(nèi)外對排水量的計算進行了大量研究。目前計算隧洞排水量的方法有滲流場分析法和簡化豎井模型法，滲流場分析法比較繁雜，不便于設(shè)計應(yīng)用；簡化豎井模型法根據(jù)地下水動力學(xué)理論，以無限含水層中的豎井為例進行理論分析，同時考慮隧洞所處的地下水頭很高，水流為穩(wěn)定流，由豎井推導(dǎo)得出的結(jié)論對隧洞完全適用[7]。在隧洞工程施工前，需根據(jù)現(xiàn)場情況做好相應(yīng)準備工作，對隧洞現(xiàn)場的情況特點進行有效分析，對地質(zhì)及水文特點等進行全面勘查，充分利用地質(zhì)鉆孔和探洞資料，對隧洞排水量進行初步估算。一方面，對本地區(qū)以往工程或在建隧洞工程進行調(diào)查，提高排水量估算的準確性；另一方面，可以通過地形條件判斷隧洞最可能出水點的位置，如經(jīng)過河流段或溝谷段，有針對性地開展地勘工作，為估算排水量提供依據(jù)。

3.3 健全洞內(nèi)排水系統(tǒng)

輸水隧洞洞內(nèi)排水系統(tǒng)是洞內(nèi)排水的核心部分，一般情況下輸水隧洞主洞通過自流或水泵提水將水引至施工支洞集水坑，通過多級水泵提水將水排至洞外，洞內(nèi)排水典型平面布置見圖1，典型縱斷面見圖2。在規(guī)劃洞內(nèi)排水系統(tǒng)過程中，一方面根據(jù)出水點位置合理布置集水坑，同時對洞內(nèi)排水溝進行硬化處理，減少洞內(nèi)滲水的二次污染；另一方面，水泵選型充分考慮地下水和施工排水量總和，預(yù)留一定的盈余量，同時采用水泵自動啟停系統(tǒng)，自動控制水泵工作，可大大降低施工用電量和人力資源的投入，降低施工排水成本，提高排水可靠性。

圖1 輸水隧洞排水典型平面布置圖

圖2 輸水隧洞排水典型縱斷面圖

3.4 加強洞內(nèi)突發(fā)涌水防治

涌水是松散破碎物質(zhì)和高壓水一起呈泥漿狀突然涌入隧洞的現(xiàn)象，對地下工程危害最大，是隧洞施工中常見的工程地質(zhì)災(zāi)害[3]。由于輸水隧洞洞徑較小，一旦突發(fā)涌水，會對隧洞施工造成極大困難，所以加強洞內(nèi)突發(fā)涌水防治，對輸水隧洞施工期排水尤為重要。首先，加強防水設(shè)計，結(jié)合隧洞施工過程中滲水及突發(fā)涌水的特點，以及相關(guān)防治要求開展防水設(shè)計工作，同時根據(jù)隧洞施工過程中滲水及突發(fā)涌水情況對設(shè)計成果進行動態(tài)調(diào)整；其次，改變傳統(tǒng)施工工藝，傳統(tǒng)工藝一般采用全斷面光面爆破，從施工安全考慮可采用超前小導(dǎo)洞開挖工藝，尤其在穿越地質(zhì)破碎帶時，不僅可作為地質(zhì)預(yù)探，同時經(jīng)過夾水層時，因接觸面周長短，可能出現(xiàn)的特大涌水量也會相應(yīng)減少；最后，采用地質(zhì)雷達超前預(yù)報技術(shù)，在接近大斷層或河流及沖溝處等可能出現(xiàn)大面積滲水或涌水地段進行預(yù)報，提前采取防治措施。

3.5 采用合理的出渣方式

輸水隧洞出渣包括無軌出渣和有軌出渣，無軌出渣以自卸汽車出渣為主，有軌出渣以電瓶車出渣為主。在輸水隧洞施工中，由于隧洞斷面相對較小，建議優(yōu)先采用有軌方式出渣，最大限度地減少對洞內(nèi)滲水的二次擾動，降低洞內(nèi)排水的渾濁度，有軌出渣典型作業(yè)過程見圖3。為保證出渣安全，有軌方式出渣對輸水隧洞的縱坡要求較高，根據(jù)目前的施工經(jīng)驗，隧洞縱坡為-0.6%～0.6%。有軌出渣過程中必須嚴格控制軌道的安裝高程，確保軌道不被滲水淹沒，同時將軌道坡度控制在合理范圍內(nèi)，保證電瓶車運行安全。

圖3 輸水隧洞有軌出渣典型作業(yè)圖

3.6 采取合理的污水處理工藝

隧洞施工中主要污染物包括洞室開挖時產(chǎn)生的懸浮狀石粉、巖屑，支護、加固施工中使用膠凝材料中的堿性化合物（氫氧化物、硅酸系化合物等），機械設(shè)備使用產(chǎn)生的油污，乳化炸藥中的乳化劑等石油類化合物，混凝土、加固漿液中的無機質(zhì)、有機質(zhì)外加劑等。各種污染物含量視隧洞地質(zhì)條件、施工方法、支護方案、控制段距離等因素存在一定差異[5]?？紤]輸水隧洞排水環(huán)境保護要求較高，必須采取合適的污水處理方式，確保施工污水達標排放，典型的隧洞污水處理工藝包括沉砂、絮凝和沉淀等[6]（見圖4）。其中沉砂池主要對廢水中較粗的砂粒、土粒、密度大的懸浮物進行分離；絮凝池主要通過投加鹽酸（HCL）、絮凝劑（PAC）或助凝劑（PAM）以及設(shè)置空氣攪拌裝置，去除部分SS 及COD；沉淀池是進一步去除絮凝后的污染物。

圖4 輸水隧洞污水處理典型工藝流程圖

在污水處理過程中，必須根據(jù)污水水質(zhì)和合理排水量確定沉砂池、絮凝池和沉淀池的數(shù)量和體積，一般設(shè)置3級沉砂池、1 個絮凝池、1 個沉淀池，同時對污水水質(zhì)進行動態(tài)檢測，對HCL、PAC 和PAM 用量進行適時調(diào)整，確保水質(zhì)達標排放。如果污水成分較為復(fù)雜，排放標準要求較高，通過一般的污水處理工藝難以達到排放標準要求，可考慮采用一體化成套污水處理設(shè)備，提高污水處理的安全性和可靠度。

4 結(jié) 語

水利工程輸水隧洞具有線路長、斷面小、排水量大和環(huán)保要求高等典型特征，充分了解水利工程輸水隧洞的特點，從合理控制隧洞縱坡、準確估算排水量、健全洞內(nèi)排水系統(tǒng)、洞內(nèi)突發(fā)涌水防治、采用合理的出渣方式、采取合理的污水處理工藝等環(huán)節(jié)入手，才能控制好施工期排水。水利工程輸水隧洞施工期排水受多方面因素影響，如何更精確有效地做好施工期排水控制，在地下排水量估算方法、先進的污水處理工藝和污水處理設(shè)施等方面還有待進一步研究。