復(fù)雜地質(zhì)條件隧洞充排水方案設(shè)計(jì)研究

彭會(huì)椿

摘要：對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的高水頭透水襯砌超長(zhǎng)水工隧洞進(jìn)行充排水，目前尚無(wú)成熟的標(biāo)準(zhǔn)流程或規(guī)范，可供參考的案例也極少，分析總結(jié)出相應(yīng)的技術(shù)成果確有必要。以巴基斯坦N-J水電站為例，通過(guò)專(zhuān)門(mén)分析及總結(jié)該電站引水隧洞、尾水隧洞的充排水實(shí)施方案、施工組織方式、出現(xiàn)的問(wèn)題、過(guò)程數(shù)據(jù)等，在隧洞充排水工作的目的、工作內(nèi)容、過(guò)程控制原則、實(shí)施方案、風(fēng)險(xiǎn)防控要點(diǎn)、注意事項(xiàng)等方面形成了較為完整的技術(shù)成果。研究成果對(duì)類(lèi)似工程具有借鑒意義。

關(guān) 鍵 詞：

超長(zhǎng)水工隧洞; 充排水設(shè)計(jì); 透水襯砌; 復(fù)雜地質(zhì)條件; 高水頭; N-J水電站

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV554

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.020

0 引 言

巴基斯坦Neelum-Jhelum水電站（以下簡(jiǎn)稱N-J水電站）為典型的高水頭透水襯砌超長(zhǎng)引水隧洞式地下發(fā)電廠房電站，引水隧洞的靜水頭達(dá)431.5 m，屬于典型的高壓隧洞[1]。其線形長(zhǎng)度約28.6 km（公路工程中隧道長(zhǎng)度大于3 km的為特長(zhǎng)隧道[2]，鐵路工程中隧道長(zhǎng)度大于10 km的為特長(zhǎng)隧道[3]），其永久支護(hù)結(jié)構(gòu)全程設(shè)計(jì)為透水形式。

由于水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[1，4]的導(dǎo)引作用，國(guó)內(nèi)水電工程的水工隧洞多采用鋼筋混凝土襯砌+鋼襯等非透水襯砌結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)較為保守，也導(dǎo)致工程造價(jià)高昂。而N-J水電站的引水隧洞所體現(xiàn)的設(shè)計(jì)理念，與國(guó)內(nèi)水工設(shè)計(jì)規(guī)范存在太多不符或者差異，這導(dǎo)致了在國(guó)內(nèi)水電工程中引水隧洞與N-J水電站類(lèi)似的幾乎沒(méi)有。截至2007年，國(guó)內(nèi)發(fā)電引水隧洞長(zhǎng)度在10 km以上的水電站參見(jiàn)表1[5]。

位于復(fù)雜地質(zhì)條件下的超長(zhǎng)、超高水頭的過(guò)水隧洞幾乎全程采用透水襯砌形式的水電站（相關(guān)參數(shù)能達(dá)到N-J水電站同等規(guī)模），在國(guó)外水電站中也是屈指可數(shù)。部分相關(guān)的水電站可參見(jiàn)表2。

在水電站發(fā)電機(jī)組進(jìn)行有水調(diào)試前，需先對(duì)隧洞進(jìn)行充水[4]。對(duì)這類(lèi)高水頭透水襯砌超長(zhǎng)水工隧洞進(jìn)行充排水，若無(wú)合理的充水方案，則可能導(dǎo)致引水隧洞在充水過(guò)程中出現(xiàn)災(zāi)難性的損害，危及整個(gè)水電站。對(duì)于超長(zhǎng)、超高水頭的水工隧洞充水，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成熟的標(biāo)準(zhǔn)流程或者規(guī)范，而是根據(jù)運(yùn)行要求，結(jié)合自然條件、建筑物設(shè)計(jì)條件及試驗(yàn)研究資料等，制定水工隧洞運(yùn)行規(guī)定[4]。N-J水電站隧洞成功安全的充排水將是世界水電工程中極為重要的案例。

1 工程概況

N-J水電站處于喜馬拉雅山脈西北部，工程區(qū)存在新生山脈的主邊界斷裂帶，是世界有名的地震活躍區(qū)域（見(jiàn)表3），地質(zhì)條件復(fù)雜。引水隧洞和尾水隧洞圍巖主要由砂巖、粉砂巖、泥巖、頁(yè)巖等構(gòu)成，且互層情況突出，節(jié)理、裂隙發(fā)育，其中以粉砂巖和泥巖構(gòu)成的Ⅳ類(lèi)圍巖為主，Ⅲ類(lèi)圍巖占比較小，泥巖和頁(yè)巖還具有明顯的遇水微膨脹的特性。

N-J水電站安裝4臺(tái)24.3萬(wàn)kW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)發(fā)電流量為280 m3/s（70 m3/s×4），采用“一洞四機(jī)”形式布置，為典型的高水頭透水襯砌超長(zhǎng)引水式地下發(fā)電廠房電站。

電站隧洞縱斷面布置見(jiàn)圖1，其地下廠房典型橫斷面見(jiàn)圖2。

引水隧洞的一頭一尾為單線洞，中間為雙線洞，平均過(guò)水?dāng)嗝婷娣e約為72 m2，進(jìn)水口設(shè)計(jì)發(fā)電水位高程1 015 m，地下廠房水輪機(jī)安裝高程583.5 m，其靜水頭達(dá)431.5 m。引水隧洞從進(jìn)水口至水輪機(jī)的線形長(zhǎng)度約28.6 km。圖1中C1標(biāo)段往下游到A3支洞之間是一段約10 km長(zhǎng)的采用噴射混凝土做永久支護(hù)結(jié)構(gòu)的引水隧洞，它連接了上下游的混凝土襯砌段。襯砌段采用素混凝土、少筋鋼筋混凝土進(jìn)行襯砌，混凝土厚度不小于35 cm[8]。對(duì)于下穿Jhelum河的引水隧洞段，考慮其不足200 m厚的上覆蓋層，因而采用了鋼襯。在素混凝土、少筋鋼筋混凝土襯砌的引水隧洞段設(shè)置了系統(tǒng)性排水孔，排水孔鉆透襯砌混凝土和初期支護(hù)的噴射混凝土圈后進(jìn)入了圍巖。各襯砌節(jié)段之間只設(shè)施工縫（縱向鋼筋穿過(guò)施工縫面），不設(shè)結(jié)構(gòu)縫，且不設(shè)置止水。穿Jhelum河鋼襯段也設(shè)置了系統(tǒng)性排水孔，但在鋼襯上加設(shè)了不銹鋼單向閥。

尾水隧洞全程為單線洞，全長(zhǎng)約3.55 km，除了兩段（一段240 m，另一段25 m）存在明顯山體水內(nèi)滲的情況而采用鋼筋混凝土進(jìn)行襯砌外，其余段別全部采用“20 cm厚的噴射混凝土邊頂拱+30 cm厚的素混凝土仰拱”作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)。噴護(hù)區(qū)設(shè)置了鋼筋網(wǎng)片和系統(tǒng)

錨桿。尾水隧洞設(shè)計(jì)過(guò)流斷面面積分別為89，94 m2和108 m2（為主）。尾水出口的尾水堰頂高程593 m（受混流式水輪發(fā)電機(jī)的尾水吸出高度的限制）。

整個(gè)引水隧洞容積約252萬(wàn)m3，尾水隧洞容積約53萬(wàn)m3。其整體設(shè)計(jì)基本遵循美國(guó)工程手冊(cè)[9]。

2 隧洞充水目的及檢驗(yàn)內(nèi)容

（1） 檢驗(yàn)隧洞安全穩(wěn)定性及是否滿足設(shè)計(jì)要求。

（2） 檢驗(yàn)地下廠房上游側(cè)引水岔管段區(qū)域防滲工程效果。

（3） 檢驗(yàn)地下廠房泄壓、排水系統(tǒng)是否滿足實(shí)際工況要求。

（4） 檢驗(yàn)主進(jìn)水球閥、引水隧洞沖砂系統(tǒng)、尾水隧洞閘門(mén)系統(tǒng)等滲流情況。

（5） 檢驗(yàn)A3、A4、A4a、A5、A6、A8等施工支洞及旁通隧洞的封堵混凝土塞的滲流情況和金屬閘門(mén)的密閉性。

（6） 檢驗(yàn)隧洞充水后洞外地表滲漏情況以及可能引發(fā)的不利地質(zhì)效應(yīng)。

（7） 為機(jī)組有水調(diào)試做準(zhǔn)備。

3 隧洞充水方案概要

（1） 先進(jìn)行尾水隧洞充水，再進(jìn)行引水隧洞充水，然后進(jìn)行機(jī)組充水。

（2） 尾水隧洞連續(xù)性充水至593 m高程（尾水隧洞滿水狀態(tài)）。由于引水隧洞與尾水隧洞是連通的，引水隧洞的水位也將達(dá)到593 m，該高程也是引水隧洞充水的洞內(nèi)水位起始高程。

（3） 引水隧洞充水主要采用水庫(kù)蓄水，通過(guò)調(diào)整首部進(jìn)水口的閘門(mén)提起開(kāi)度來(lái)控制充水速度。由于不同洞段的隧洞傾斜度不同，需要根據(jù)隧洞內(nèi)水位變化及時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)水口閘門(mén)的開(kāi)度。

（4） 高水頭隧洞需要嚴(yán)格控制充水速率[4]。引水隧洞充水時(shí)要同時(shí)控制：① 泄入隧洞的流量，一般按2.5 m3/s控制，可在0.5～7.0 m3/s之間變化;② 隧洞內(nèi)水流速度限定在6.0 m/s左右;③ 洞內(nèi)水位上升速度不超過(guò)1.5～2.5 m/h。

（5） 高水頭隧洞充水需要分水頭段逐級(jí)進(jìn)行[4]。引水隧洞充水過(guò)程中洞內(nèi)水位每上升100 m左右，將維持該水位暫停一段時(shí)間，暫停時(shí)間不能少于24 h，暫停時(shí)間的期望值為5～7 d。由于一部分水會(huì)透過(guò)隧洞支護(hù)圈而補(bǔ)給周?chē)襟w，在充水暫停期間，隧洞內(nèi)水位會(huì)降低，需適當(dāng)往隧洞內(nèi)充水，以保持隧洞內(nèi)水位維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的位置。

（6） 隧洞內(nèi)水位通過(guò)安裝在主進(jìn)水球閥上游壓力鋼管上的壓力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在隧洞排沙管道系統(tǒng)的球閥上游也安裝了壓力計(jì)，可輔助監(jiān)測(cè)隧洞內(nèi)水壓。

4 隧洞充水初設(shè)方案

4.1 尾水隧洞充水初設(shè)方案

（1） 方案1。在尾水隧洞出口設(shè)置臨時(shí)抽水泵站，從洞外的Jhelum河向尾水隧洞抽水至593 m高程，中途不停歇?？筛鶕?jù)不同工期要求設(shè)置相應(yīng)抽水能力的泵站，充水持續(xù)時(shí)間可以主動(dòng)調(diào)控，但需要新建臨時(shí)抽水泵站，會(huì)產(chǎn)生額外的費(fèi)用。

（2） 方案2。利用滲入超長(zhǎng)引水隧洞的水，通過(guò)隧洞排沙管道系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至尾水隧洞，注水至593 m高程，中途不停歇。充水持續(xù)時(shí)間受限于引水隧洞的滲水量，消耗工期較長(zhǎng)，不能主動(dòng)調(diào)控，但無(wú)需新建臨時(shí)抽水泵站，不會(huì)因此產(chǎn)生額外的費(fèi)用。隧洞排沙管道系統(tǒng)的閥門(mén)控制段管道內(nèi)徑為500 mm，上游管道內(nèi)徑為800 mm，下游管道內(nèi)徑為1 540 mm。

（3） 方案3。即將方案1與方案2結(jié)合使用，充水持續(xù)時(shí)間最短，且可以主動(dòng)調(diào)控。

4.2 引水隧洞充水初設(shè)方案

引水隧洞充水過(guò)程中考慮暫停是為了讓隧洞周?chē)纳襟w緩慢而平順地受水至飽和，以避免可能引發(fā)的不利地質(zhì)效應(yīng)，也是為了控制隧洞的內(nèi)水壓力的不利影響。因?yàn)檫^(guò)快地充水會(huì)導(dǎo)致隧洞的外水壓力來(lái)不及平衡其內(nèi)水壓力，則隧洞的支護(hù)圈可能在內(nèi)水壓力主導(dǎo)且快速遞增的情況下被嚴(yán)重拉裂。此外，控制隧洞內(nèi)的水流速度，還可避免速度過(guò)快的水流破壞脆弱的隧洞永久支護(hù)結(jié)構(gòu)。

引水隧洞充水初始設(shè)計(jì)的操控程序見(jiàn)圖3。

出于對(duì)計(jì)劃工期的壓縮，后期調(diào)整了引水隧洞充水的操控程序，見(jiàn)圖4。

5 隧洞充水的實(shí)施

5.1 隧洞充水前準(zhǔn)備

5.1.1 組織機(jī)構(gòu)、機(jī)制建立

（1） 成立相關(guān)專(zhuān)業(yè)工作組，例如驗(yàn)收組、監(jiān)測(cè)組、洞外地表巡查組、隧洞充水指揮組、隧洞充水操作組等，明確各工作組職責(zé)和各崗位職責(zé)。

（2） 建立工作流程、協(xié)調(diào)機(jī)制、信息采集反饋機(jī)制、指令發(fā)布機(jī)制、應(yīng)急管理機(jī)制等。

5.1.2 技術(shù)準(zhǔn)備

（1） 基于地質(zhì)資料，假定隧洞周?chē)襟w的滲透率[10-11]kF=5×10-7 m/s。N-J工程的咨詢工程師為美國(guó)MWH公司牽頭的國(guó)際咨詢工程師聯(lián)營(yíng)體。其中，負(fù)責(zé)工程土建設(shè)計(jì)的公司是挪威NORPLAN公司。

（2） 計(jì)算并繪制閘門(mén)開(kāi)度與流量關(guān)系曲線或者表格[12]。

（3） 明確各類(lèi)記錄表格形式。

（4） 明確需要采集的信息種類(lèi)以及記錄的具體內(nèi)容。

（5） 明確信息反饋的時(shí)段、格式和形式。

（6） 制定應(yīng)急預(yù)案。

（7） 充水前的最終檢查驗(yàn)收，同時(shí)對(duì)隧洞全程留下影像資料。

5.1.3 安全管理措施

（1） N-J工程戰(zhàn)線長(zhǎng)，部位分散，涉及到各類(lèi)人員多而雜，需按部位、專(zhuān)業(yè)等固定負(fù)責(zé)人。部位或?qū)I(yè)負(fù)責(zé)人全面負(fù)責(zé)所屬部位的相關(guān)專(zhuān)業(yè)事務(wù)，配合人員也一并固定。負(fù)責(zé)人每天定時(shí)向隧洞充水指揮組匯報(bào)固定性信息，另外，公布所有負(fù)責(zé)人員的無(wú)線聯(lián)系方式，以便于各方面溝通協(xié)調(diào)。

（2） 較多作業(yè)面位于隧洞內(nèi)，無(wú)線通訊信號(hào)無(wú)法覆蓋，因此在每個(gè)隧洞口設(shè)置固定的看管人員，對(duì)所有進(jìn)洞人員登記姓名、進(jìn)出洞時(shí)間，并要求進(jìn)洞人員簽字確認(rèn)，對(duì)非授權(quán)人員不允許進(jìn)入隧洞。

5.1.4 山體地下水情分析

充水前，隧洞周?chē)襟w的水文地質(zhì)條件（滲水率、水文地質(zhì)狀態(tài)）已趨于穩(wěn)定，處于一個(gè)穩(wěn)定的“干燥”構(gòu)造，其地下水位沿隧洞呈現(xiàn)“水槽”形式，并隨地質(zhì)條件變化而變化，而“水槽”的軸線與隧洞中心線基本重合，并以類(lèi)似“雙曲面”的形式無(wú)限逼近于自然地下水位?！八邸钡纳疃瓤赡転?0～50D（D為隧洞開(kāi)挖洞徑，按D=10 m考慮），“水槽”的寬度與山體整體滲透率有關(guān)。

隧洞周?chē)襟w被隧洞內(nèi)充水補(bǔ)給至飽和或者完成補(bǔ)給所需的時(shí)間，即引水隧洞充水過(guò)程中的暫停時(shí)間，也被稱為飽和暫停時(shí)間，它隨地質(zhì)條件和滲透率的變化而變化。預(yù)計(jì)飽和暫停時(shí)間為12 h～7 d不等，以隧洞內(nèi)的失水量達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)為準(zhǔn)。

隧洞向周?chē)襟w補(bǔ)水的通道就是系統(tǒng)設(shè)置的排水孔、襯砌混凝土裂縫、襯砌節(jié)段之間的施工縫等。

5.2 尾水隧洞充水實(shí)施

因引水隧洞具備充水條件這一工期目標(biāo)出現(xiàn)了滯后，導(dǎo)致尾水隧洞充水有足夠的時(shí)間，最終尾水隧洞充水的實(shí)際操作不同于前述3種方案。

引水隧洞所在山體的地下水滲入引水隧洞后，一路下泄，并通過(guò)設(shè)置在地下廠房的隧洞排沙管道系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至尾水隧洞，以該方式將尾水隧洞充水至585 m高程，保持該水位共持續(xù)了約3周時(shí)間，并利用該持續(xù)期進(jìn)行了尾水閘門(mén)（即閥帽門(mén)）的密閉性試驗(yàn)。

在該持續(xù)期內(nèi)，上游來(lái)自于引水隧洞的滲水并未停止注入尾水隧洞。為了保持尾水隧洞水位維持在585 m高程，啟用了尾水隧洞的永久排水泵站，將一部分水排出至下游的Jhelum河。

直到引水隧洞具備充水條件之后，直接開(kāi)始利用水庫(kù)蓄水進(jìn)行尾水隧洞和引水隧洞充水。即尾水隧洞585～593 m高程之間的充水為引水隧洞滲水和水庫(kù)蓄水共同作用完成。相應(yīng)地，尾水隧洞的永久排水泵站也無(wú)需繼續(xù)排水作業(yè)。

尾水隧洞實(shí)際充水形成了圖5所示的水位曲線，這也導(dǎo)致了引水隧洞充水操控程序的變更。在不啟動(dòng)排水系統(tǒng)的情況下，尾水隧洞出口的尾水堰限制了尾水隧洞的水位不低于593 m。若超過(guò)，尾水隧洞內(nèi)的水將漫過(guò)尾水堰溢出自動(dòng)流入Jhelum河。

5.3 引水隧洞充水實(shí)施

如上節(jié)所述，引水隧洞充水實(shí)際是從尾水隧洞水位在585 m的狀態(tài)開(kāi)始，引水隧洞充水的實(shí)際操控如圖6所示。

從圖6可以看出，引水隧洞充水初期沒(méi)有遵循隧洞內(nèi)水位每上100 m維持水位暫停一段時(shí)間的控制原則，而且其中一段時(shí)間內(nèi)隧洞內(nèi)水位上升速度特別地快。

出現(xiàn)上述的充水曲線，是隧洞充水指揮組忽視了以下因素：

① 引水隧洞充水實(shí)際是從尾水隧洞水位在585 m的狀態(tài)下開(kāi)始的;

② 圖1中A3支洞到穿Jhelum河段之間的隧洞很陡，其坡度近11%。在同等來(lái)水量的情況下，相比其他洞段，該段水位上升速度自然特別地快;

③ 在隧洞充水的飽和暫停時(shí)間內(nèi)，沒(méi)有適當(dāng)往隧洞內(nèi)充水，未能保持隧洞內(nèi)的水位維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的位置。

也是因?yàn)樯鲜龅诙c(diǎn)，快速上升的水壓力導(dǎo)致主進(jìn)水球閥的密封水也相應(yīng)快速升壓，最終導(dǎo)致主進(jìn)水球閥密封出現(xiàn)了問(wèn)題。這使得水進(jìn)入水輪機(jī)，再由尾水錐管的進(jìn)人門(mén)流入廠房底層，一度導(dǎo)致廠房底層出現(xiàn)了約10 cm深的積水。

6 遭遇問(wèn)題分析

6.1 廠房積水

基于第5.3節(jié)提及的廠房底層積水，分析認(rèn)為，在快速遞增的高水壓作用下，壓力管道中的水封以及采用螺栓把合的管道接頭等部位會(huì)出現(xiàn)顯著的應(yīng)力變化，可能導(dǎo)致管道的密封失效。加強(qiáng)重要部位的巡查，并及時(shí)再緊螺母，是非常重要的工作。而設(shè)計(jì)層面和安裝工藝層面應(yīng)系統(tǒng)性考慮這一類(lèi)工況。

6.2 隧洞封堵體滲漏

根據(jù)國(guó)內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)，在隧洞首次充水期間，隧道封堵區(qū)和地下廠房區(qū)域會(huì)發(fā)生漏水現(xiàn)象。針對(duì)漏水部位，可能需要采取灌漿處理。

當(dāng)引水隧洞內(nèi)水頭達(dá)100 m后，A4支洞和A5引水洞的封堵部位均出現(xiàn)了不同程度的漏水。隨著隧洞內(nèi)水位的上升，漏水量明顯增大。

這兩處封堵體的底板高程分別為599 m和586 m（在設(shè)計(jì)發(fā)電水位狀態(tài)下分別承受約416 m和429 m的靜水頭），封堵體長(zhǎng)度分別為27 m和32 m，且均設(shè)置了后期檢修通道（含鋼制閘門(mén)），以便于后期作為引水隧洞檢修的進(jìn)出通道[12]。

滲流點(diǎn)主要為封堵體的混凝土水平分層縫、封堵體的豎向分段縫、封堵體灌漿廊道的灌漿孔、封堵閘門(mén)、封堵體通道的鋼襯灌漿孔等（見(jiàn)圖7）。

6.2.1 土建部分導(dǎo)致的滲漏

在隧洞內(nèi)水頭還不是非常大時(shí)，采用LW水溶性和HK-9105油溶性聚氨酯聯(lián)合進(jìn)行了應(yīng)急堵漏灌漿，較突出的滲漏點(diǎn)處理效果明顯[7]。灌漿至滴水不漏的狀態(tài)是不實(shí)際的。

較早進(jìn)行應(yīng)急灌漿的主要考慮是，往后不斷增大的水頭可能導(dǎo)致最后滲漏無(wú)法控制。

隨著水壓的不斷上升，一處滲漏點(diǎn)最后形成一股噴射流，如圖8所示。但隨著時(shí)間的推移，在沒(méi)有做灌漿處理的情況（洞內(nèi)水頭幾乎無(wú)變化），噴射流消失，最后幾乎不再滲漏。分析認(rèn)為，發(fā)電水流攜帶的懸移質(zhì)進(jìn)入了該噴射流的路徑，最終堵塞了滲漏通道。這也可以解釋?zhuān)S著時(shí)間的推移，其他的滲漏點(diǎn)也存在滲漏變小的情況。

6.2.2 金屬結(jié)構(gòu)部分導(dǎo)致的滲漏

封堵閘門(mén)滲漏主要是因閘門(mén)止水的缺陷所致。其一，采用寬度僅40 mm的平面橡膠止水壓緊止水，設(shè)計(jì)的可壓緊量為5 mm，且其硬度沒(méi)能達(dá)到通常要求的70～80 硬度值;其二，采用螺栓完全貫穿該止水的方式將止水固定在門(mén)體上。

另外，封堵體通道的鋼襯灌漿孔滲漏是由于封孔焊存在砂眼所致，對(duì)其加幫鋼板作補(bǔ)焊處理。

6.3 隧洞封堵體混凝土水平分層

基于第6.2節(jié)的應(yīng)急灌漿，對(duì)于預(yù)留灌漿廊道的封堵體，在設(shè)計(jì)其水平分層時(shí)應(yīng)避免灌漿廊道底面和頂面部位出現(xiàn)薄層。否則，在進(jìn)行應(yīng)急灌漿時(shí)，混凝土薄層結(jié)構(gòu)可能無(wú)法抵御灌漿高壓。

6.4 高水壓下遠(yuǎn)距離繞滲

A4支洞全長(zhǎng)約2 080 m，其平面布置如圖9所示。

當(dāng)引水隧洞內(nèi)水位充至大概731 m時(shí)，在A4支洞內(nèi)距離洞口約1 470 m的一個(gè)隧洞壁龕的側(cè)墻上，突然出現(xiàn)了幾處較大的漏水點(diǎn)，每一個(gè)滲漏點(diǎn)都像完全打開(kāi)的自來(lái)水管。漏水點(diǎn)的高程約為650 m，到引水隧洞的最近點(diǎn)（其樁號(hào)約D5+1 163，仰拱面高程約為599 m）的平面投影距離約為103 m，到A4支洞封堵部位的平面投影距離約528 m。

同其他支洞一樣，A4支洞僅采用了錨噴支護(hù)，且為靜水淹沒(méi)隧洞（A4支洞口底板高程為801 m。經(jīng)過(guò)后期長(zhǎng)期的觀察，A4支洞內(nèi)的水只上升到了洞口附近，未能溢出洞口）。鑒于此，針對(duì)該漏水情況，僅采取了鉆孔引流和局部灌漿等簡(jiǎn)單處理措施。

7 隧洞排空和隧洞后續(xù)充水

7.1 隧洞排空的危險(xiǎn)性

較隧洞充水而言，在隧洞排空過(guò)程中，隧洞面臨更大的危險(xiǎn)性，主要有以下因素。

（1） 局部永久支護(hù)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)了較為明顯的磨蝕，特別是采用噴射混凝土作為永久支護(hù)的洞段。

（2） 雖然隧洞采用了透水襯砌形式，但在高水壓作業(yè)下，仍然可能有一部分永久支護(hù)結(jié)構(gòu)被強(qiáng)大的高壓內(nèi)水撐破、拉裂。采用非預(yù)應(yīng)力混凝土或鋼筋混凝土襯砌的有壓隧洞，當(dāng)內(nèi)壓水頭超過(guò)100 m時(shí)，襯砌就可能因內(nèi)壓作用而開(kāi)裂;當(dāng)內(nèi)壓水頭超過(guò)300 m時(shí)，即使圍巖的模量大于混凝土模量，襯砌仍然會(huì)因?yàn)閮?nèi)水壓力開(kāi)裂而導(dǎo)致高壓內(nèi)水外滲[13-14]。這一點(diǎn)也體現(xiàn)在水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范中，即混凝土襯砌按透水限裂要求設(shè)計(jì)[1，4]。

（3） 在滿水狀態(tài)時(shí)，隧洞內(nèi)外水壓處于平衡狀態(tài)。當(dāng)隧洞排空，內(nèi)水壓力快速消失，但外水壓力依然存在，其降壓明顯滯后于內(nèi)水壓降。另外，這種情況還會(huì)導(dǎo)致外水內(nèi)滲的滲流反沖刷已經(jīng)穩(wěn)定在裂隙中的充填物，破壞隧洞圍巖穩(wěn)定。這種外壓對(duì)隧洞可能是毀滅性的。

（4） 在隧洞充水后，圍巖中遇水變性的泥巖會(huì)顯著膨脹，這可能導(dǎo)致隧洞永久支護(hù)圈破裂;同時(shí)，泥巖自身失去大部分強(qiáng)度。當(dāng)隧洞排空，破裂的支護(hù)圈和低強(qiáng)的圍巖可能無(wú)法應(yīng)對(duì)外水壓力作用。

關(guān)于隧洞排空的危險(xiǎn)性，國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站的充排水經(jīng)驗(yàn)比較有說(shuō)服力[15-16]。因此，隧洞排空時(shí)，嚴(yán)格壓低排水速度是極為重要的事情。

7.2 隧洞排空期間的配套工作

在引水隧洞排空期間，隧洞集石坑清理、封堵閘門(mén)止水檢修、隧洞排沙管道系統(tǒng)檢修、隧洞襯砌和支護(hù)結(jié)構(gòu)檢修等需要合理及時(shí)進(jìn)行。

在引水隧洞排空期間，對(duì)已發(fā)現(xiàn)的滲漏部位有必要進(jìn)行最終灌漿。

7.3 尾水隧洞排水

為了解決3號(hào)機(jī)組的閥帽門(mén)的舌瓣門(mén)漏水問(wèn)題，在利用主進(jìn)水球閥擋水的情況下，實(shí)施了尾水排空（引水隧洞保持滿水狀態(tài)）。閥帽門(mén)接尾水肘管鋼襯，位于廠房下游墻內(nèi)，至機(jī)組中軸線的距離為17.325 m。

因尾水隧洞也同引水隧洞一樣，為“四機(jī)一洞”布置，一旦實(shí)施尾水排空，則4臺(tái)機(jī)組必須全部停機(jī)。因此，尾水首次排空工作選擇在2019年1月份進(jìn)行，為Neelum河的枯水期。截至此時(shí)，尾水隧洞正好充水了約1 a時(shí)間。

尾水排空主要利用尾水隧洞最低點(diǎn)的固定排水泵站進(jìn)行排水，而移動(dòng)式排水車(chē)作為輔助排水設(shè)施經(jīng)A7施工支洞進(jìn)入隧洞內(nèi)進(jìn)行排水。

固定排水泵站的結(jié)構(gòu)形式為開(kāi)敞式鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)，泵站池頂高程為570 m，泵站內(nèi)布置了4臺(tái)額定揚(yáng)程為31.3 m、單臺(tái)額定排水能力為440.6 m3/h的污水泵，正常運(yùn)行狀態(tài)為3用1備。水泵吸水高程為567.7 m，泵站出水管出口高程為593.2 m。

移動(dòng)排水車(chē)動(dòng)力為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，整車(chē)尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為9.5 m×2.5 m×3.8 m，自備發(fā)電機(jī)和照明，其額定排水能力為1 500 m3/h，額定揚(yáng)程為55.6 m。主泵車(chē)為輪式柴油動(dòng)力箱式卡車(chē)，子泵車(chē)為橡膠履帶行走機(jī)構(gòu)。移動(dòng)排水車(chē)工作時(shí)，子泵車(chē)與主泵車(chē)通過(guò)高壓軟管相連，最遠(yuǎn)可間隔60.0 m。

固定排水泵站的4臺(tái)潛水泵幾乎是一直保持每天24 h地連續(xù)不間斷抽水，直至固定排水泵站全部露出水面，即約11 d后開(kāi)始讓各水泵進(jìn)行輪換間歇。由于設(shè)計(jì)工況的限制，移動(dòng)排水車(chē)需要隨著隧洞內(nèi)水位的不斷降低而不斷拆接排水管道，其排水效率并不高。整個(gè)排水過(guò)程持續(xù)了15 d。

尾水排空后，在進(jìn)行閥帽門(mén)檢修的同時(shí)，也對(duì)尾水隧洞、尾水調(diào)壓洞進(jìn)行了一定的維護(hù)：一方面是隧洞清理;另一方面是隧洞支護(hù)圈的修復(fù)。尾水隧洞、尾水調(diào)壓洞的支護(hù)圈出現(xiàn)了一定的破壞。具體破壞的部位多是位于隧洞泥巖段的仰拱拱腳至隧洞側(cè)墻腰線之間的邊墻，拱頂也存在一定數(shù)量的破壞，但其數(shù)量相對(duì)較少。具體破壞的形式主要有噴射混凝土大面積不規(guī)則網(wǎng)狀裂縫、噴射混凝土開(kāi)裂、噴射混凝土層間起殼或脫落等，個(gè)別相對(duì)較嚴(yán)重的部位出現(xiàn)了鋼筋網(wǎng)片被拉斷、錨桿頭露出、圍巖出露、噴射混凝土出現(xiàn)較長(zhǎng)的開(kāi)裂、局部噴射混凝土剝落等。工程師指令，針對(duì)其認(rèn)為較為嚴(yán)重的局部做剝離和補(bǔ)噴鋼纖維噴射混凝土的處理。對(duì)此，本文持保留態(tài)度。

本文分析導(dǎo)致隧洞支護(hù)圈破壞的主要原因?yàn)椋核矶唇?jīng)歷了一個(gè)較長(zhǎng)的開(kāi)挖支護(hù)期，形成了一個(gè)穩(wěn)定的“干燥”構(gòu)造。當(dāng)隧洞充水后，圍巖重新吸水飽和。特別是泥巖，吸水后微膨脹，作用給隧洞支護(hù)圈。而脆弱的噴射混凝土無(wú)法抵御圍巖的膨脹力而被破壞。

從啟動(dòng)尾水排空至尾水隧洞重新充水，歷時(shí)共計(jì)約26 d。重新充水采用1號(hào)機(jī)組的引水隧洞排沙管道系統(tǒng)進(jìn)行，又歷時(shí)約3 d，尾水被充至593 m高程，達(dá)到發(fā)電的正常工況。

7.4 引水隧洞排空原則

N-J水電站引水隧洞超長(zhǎng)，隧洞圍巖中頁(yè)巖、泥巖以及軟弱砂巖類(lèi)的洞段較多，且全程采用了無(wú)筋或少筋的襯砌結(jié)構(gòu)，一旦進(jìn)行引水隧洞排水放空作業(yè)，必將需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。例如，排空時(shí)間、排空后的隧洞巡檢時(shí)間、對(duì)隧洞的缺陷進(jìn)行的修復(fù)時(shí)間、再次充水的時(shí)間等。對(duì)隧洞進(jìn)行頻繁地排空、再充水等，也不利于隧洞的安全穩(wěn)定以及電站的經(jīng)濟(jì)收益。鑒于上述主要原因，電站設(shè)計(jì)者制定了N-J水電站引水隧洞排空原則。

在隧洞首次充水成功后的20 a內(nèi)，不建議排空隧洞。但對(duì)于嚴(yán)重的漏水事故，排空隧洞有利于大規(guī)模修復(fù)作業(yè)。

為保證隧洞襯砌和支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠承受隧洞外水壓力作用，隧洞應(yīng)盡量不要排空。若進(jìn)行隧洞排空，洞內(nèi)水位下降速度應(yīng)不得大于2 m/h[17]（國(guó)內(nèi)的水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范明確，鋼筋混凝土隧洞放空速度控制在2～4 m/h[4，12]）。排空初期可使用一臺(tái)機(jī)組來(lái)進(jìn)行排空。

在隧洞排空期間，認(rèn)真監(jiān)測(cè)位于穿Jhelum河段鋼襯的內(nèi)外水壓（安裝有壓強(qiáng)計(jì)），保證鋼襯所承受的內(nèi)外水壓差值在3 MPa以內(nèi)。

7.5 引水隧洞排空流程

基于第7.4節(jié)的排空原則，電站設(shè)計(jì)者還制定了詳細(xì)的隧洞排空流程。

當(dāng)機(jī)組被允許用作隧洞排空使用時(shí)，隧洞排空順序可按下述進(jìn)行。

（1） 從運(yùn)行水位降至975 m的過(guò)程，最多使用3臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行排水，約持續(xù)2 h。

（2） 水位從975 m降到935 m的過(guò)程，使用單臺(tái)機(jī)組從滿負(fù)荷漸變至空轉(zhuǎn)進(jìn)行排水，約持續(xù)6 h。

（3） 水位從935 m降到605 m的過(guò)程，使用單臺(tái)機(jī)組空轉(zhuǎn)進(jìn)行排水，約持續(xù)20 h。

（4） 水位從605 m降到593 m的過(guò)程，使用隧洞排沙管道系統(tǒng)排水。在相應(yīng)水壓下，排水流量約為1 m3/s，約持續(xù)7 d。若想減少該過(guò)程的縮排水時(shí)間，可用一臺(tái)機(jī)組采用被制動(dòng)或空轉(zhuǎn)的狀態(tài)進(jìn)行配合。

（5） 水位從593 m降到585 m的過(guò)程，必須使用尾水隧洞排水系統(tǒng)進(jìn)行排水。

當(dāng)機(jī)組不能用于隧洞排空使用時(shí)，隧洞排空只能使用隧洞排沙管道系統(tǒng)進(jìn)行排水。這樣，隧洞排空的持續(xù)時(shí)間將非常長(zhǎng)，且管道系統(tǒng)中的針閥將遭受額外的磨耗。

7.6 引水隧洞后續(xù)充水

在引水隧洞首次充水及排空完成后，隧洞后續(xù)充水程序應(yīng)與首次充水保持一致，但對(duì)充水速度有所放緩，其關(guān)鍵點(diǎn)如下。

（1） 飽和暫停步驟可以不再需要（相比隧洞開(kāi)挖支護(hù)的施工時(shí)長(zhǎng)，隧洞排空到隧洞再充水的時(shí)間是較短的，這個(gè)時(shí)長(zhǎng)不會(huì)導(dǎo)致隧洞圍巖嚴(yán)重脫水而形成“干燥”構(gòu)造）。

（2） 引水隧洞充水的洞內(nèi)水位上升速度可按5～10 m/h控制[12，18]。

（3） 坡度較陡的洞段，很容易產(chǎn)生較高的水流速度。為了防止較高水流速度對(duì)隧洞仰拱面的不利影響，充水流量限制在7 m3/s是必要的。

8 結(jié) 語(yǔ)

（1） 整個(gè)充水過(guò)程中應(yīng)增加廠房區(qū)域地下水監(jiān)測(cè)頻率，及時(shí)對(duì)廠房區(qū)域地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，并作為隧洞充水過(guò)程調(diào)控的重要參考。

（2） 隧洞各封堵部位，特別是高水壓部位，是重點(diǎn)監(jiān)控部位。對(duì)于出現(xiàn)的滲漏水，應(yīng)具體分析，并及時(shí)決定是否進(jìn)行灌漿彌補(bǔ)。

（3） 各施工支洞的封堵混凝土塞的水平施工縫需要格外注意施工縫面的處理質(zhì)量，否則極可能成為后期的滲漏通道。

（4） 當(dāng)施工支洞的封堵混凝土塞存在永久交通廊道時(shí)，應(yīng)特別注意，交通廊道頂面的第一個(gè)分層厚度不能過(guò)小。若過(guò)小，隧洞內(nèi)高壓水可能滲入混凝土塞的水平施工縫，并擊穿這個(gè)小分層;或者在后期處理混凝土塞滲漏而進(jìn)行彌補(bǔ)灌漿時(shí)不能加壓。

（5） 隨著時(shí)間的推移，隧洞內(nèi)渾濁的水可能修復(fù)一些混凝土裂縫，即使是在高壓部位。

（6） 由于水環(huán)境變化會(huì)導(dǎo)致隧洞圍巖的膨脹與收縮，其產(chǎn)生的作用力是巨大的，會(huì)對(duì)隧洞的支護(hù)圈產(chǎn)生不同程度的破壞，特別是拱腳等應(yīng)力較為突出的區(qū)域。

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（編輯：胡旭東）