大斷面泄洪洞突泥涌水防治技術(shù)研究*

張良平，雷 文，婁彩紅，薛新華

(1.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611700； 2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

突泥涌水是指地下工程施工中遇到暗河、溶洞、承壓水等不良地質(zhì)情況發(fā)生較大

規(guī)模的涌水、涌泥事故，一般以水、淤泥、泥沙為載體迅速突出，是地下洞室工程施工特別嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一，一般地質(zhì)條件下不易發(fā)生，但由于其具有較強(qiáng)的隱蔽性和不可預(yù)見性，極易造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成人員傷亡。近年來，隨著我國(guó)地下工程建設(shè)的快速發(fā)展，突泥涌水這一地質(zhì)災(zāi)害常有發(fā)生，這給安全順利施工造成較大威脅[1-10]。為此，許多學(xué)者在突泥涌水的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及防治手段等方面進(jìn)行了研究。例如，劉欽等[11]從地質(zhì)學(xué)角度分析了龍?zhí)端淼繤2斷層處突泥涌水機(jī)理，得出產(chǎn)生突泥涌水的必要條件，提出一系列工程措施以完成該工程施工；袁永才等[12]基于對(duì)突泥涌水災(zāi)害源地質(zhì)和地球物理場(chǎng)前兆信息的研究，建立了突泥涌水災(zāi)害綜合前兆信息判識(shí)體系，并將其應(yīng)用于尚家灣隧道，效果良好；李朝陽等[13]以雙豐隧道為基礎(chǔ)，選取被侵入圍巖的透水性、接觸帶巖體基本質(zhì)量指標(biāo)、接觸帶巖體風(fēng)化程度等7個(gè)指標(biāo)對(duì)侵入接觸型隧道突泥涌水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估，建立變權(quán)理論與靶心貼近度法相結(jié)合的優(yōu)化評(píng)估模型等。

結(jié)合大崗山水電站泄洪洞施工期出現(xiàn)突泥涌水的工程實(shí)例，首先通過現(xiàn)場(chǎng)物探檢測(cè)及室內(nèi)力學(xué)性能試驗(yàn)對(duì)該工程的地質(zhì)條件進(jìn)行分析，之后進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，最后相對(duì)應(yīng)地提出突泥涌水的防治手段，可為類似的水電站泄洪洞突泥涌水防治提供參考。

1 工程概況

大崗山水電站是大渡河干流水電規(guī)劃的第十四級(jí)電站，電站壩址位于瀘定—石棉段的大渡河中游，占全流域面積的81%。大崗山水電站最大壩高210m，最大水頭178m，最小水頭156.8m，額定水頭160m，發(fā)電引用流量1 834m3/s。

大崗山水電站泄洪洞由進(jìn)水口、洞身段、出口段與下游防護(hù)工程組成。泄洪洞長(zhǎng)度為1 077.50m，縱坡i為0.103 9。開挖斷面寬16m、高21m，開挖斷面面積接近335m2，為特大斷面洞室。泄洪洞進(jìn)水口堰頂高程1 110.000m，引渠段底高程1 100.000m，塔頂高程1 135.000m，塔體尺寸為38.5m×27.0m×20.0m(長(zhǎng)×寬×高)。堰面曲線下游在高程1 106.770m處與30°斜坡相接，斜坡后接半徑為50.0m的反弧，后接無壓泄洪洞，起點(diǎn)底高程為1 098.320m。無壓隧洞段縱坡i為0.103 9。無壓洞凈空斷面尺寸為(14.00～16.00)m×(18.00～20.00)m(寬×高)。泄洪洞出口底高程為990.000m。

2 工程地質(zhì)條件分析

2.1 進(jìn)口區(qū)

進(jìn)口明渠段長(zhǎng)80m，其中0+040—0+000為閘室段。在進(jìn)口區(qū)閘室段0+014—0+036發(fā)育β147(f127)巖脈破碎帶，寬約13m，均屬Ⅲ2～Ⅴ1類巖體。

2.2 洞身段

泄洪洞洞身段為新鮮花崗巖，局部出露輝綠巖脈，其中前段為肉紅色中粒正長(zhǎng)花崗巖，后段為灰白色、微紅色中粒黑云二長(zhǎng)花崗巖。裂隙密集帶、斷層、巖脈破碎帶為Ⅳ，Ⅴ類圍巖，在0+025，0+040，0+704—0+715，1+000—1+022等處可能遇f129，f131，β139，β104(f98)等巖脈破碎帶及斷層，其走向與洞向斜交，需采取相應(yīng)支護(hù)處理措施。主要工程地質(zhì)問題有以下幾個(gè)方面：①泄洪洞進(jìn)出口洞段置于風(fēng)化、卸荷巖體中，圍巖以Ⅳ類圍巖為主，成洞條件較差，需采取相應(yīng)的支護(hù)措施；②花崗巖巖體中除上述f129，f131，β139，β104(f98)等巖脈破碎帶及斷層外，尚隨機(jī)發(fā)育有輝綠巖巖脈破碎帶及斷層，施工中應(yīng)及時(shí)支護(hù)；③泄洪洞過大崗山山脊洞段洞室深埋、巖體完整有發(fā)生巖爆的可能，應(yīng)注意防治；④斷層破碎帶及其影響帶、輝綠巖脈破碎帶、裂隙密集帶等含水一般較豐富，常有囊狀水存在，施工中有可能發(fā)生涌水突泥地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)加強(qiáng)排水及支護(hù)措施。

2.3 出口區(qū)

3 現(xiàn)場(chǎng)物探檢測(cè)

3.1 檢測(cè)方法與儀器設(shè)備

在泄洪洞施工過程中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜多變，且根據(jù)招標(biāo)地質(zhì)條件分析，泄洪洞洞身段存在2種不同類別的花崗巖，同時(shí)存在不同程度的風(fēng)化和蝕變現(xiàn)場(chǎng)，巖脈、斷層破碎帶密集分布，因此需采取一定措施對(duì)圍巖地質(zhì)條件進(jìn)行量化測(cè)試，同時(shí)尋求一種快速、簡(jiǎn)便的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法，為調(diào)整開挖方法和支護(hù)參數(shù)提供及時(shí)指導(dǎo)。在對(duì)比測(cè)試過程中，綜合使用以下幾種方法。

1) 單孔聲波檢測(cè) 檢測(cè)過程中采用的聲波檢測(cè)設(shè)備為RS-ST01C型智能巖石聲波檢測(cè)儀和RS-SD30型單孔一發(fā)雙收換能器。單孔聲波在無金屬套管、有水耦合的鉆孔中檢測(cè)；探頭采用一發(fā)雙收裝置，發(fā)射與2個(gè)接收換能器距離分別為30，50cm。從孔底向孔口檢測(cè)，移動(dòng)步距0.2m。

2) 表面聲波檢測(cè) 采用的聲波檢測(cè)設(shè)備為RS-ST01C型智能巖石聲波檢測(cè)儀和RS-P40平面換能器，主要在較平整的巖面上進(jìn)行，檢測(cè)點(diǎn)距5～20cm。

3) 地震波速測(cè)試 在較平整的巖面上進(jìn)行，使用TOPBOX型振動(dòng)自記儀和速度傳感器。測(cè)試中使用錘擊作為震源，測(cè)點(diǎn)間距為0.4～1.0m，檢測(cè)采樣頻率為50K(采樣間隔20μs)。

4) 穿透聲波檢測(cè) 主要針對(duì)在邊坡和地下廠房取得的巖塊樣本。穿透聲波檢測(cè)中采用的聲波檢測(cè)設(shè)備為RS-ST01C型智能巖石聲波檢測(cè)儀和RS-P40平面換能器。穿透聲波在取得的巖塊樣本上進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 檢測(cè)結(jié)果

1) 單孔聲波檢測(cè) 從檢測(cè)結(jié)果看，各孔波速值隨深度變化較小，但0+200處各孔聲波孔波速平均值均在2 000m/s以下，2組聲波檢測(cè)的波速平均值分別為1 748，1 793m/s，相對(duì)于一般花崗巖而言，該部位波速值明顯偏低，說明巖石相對(duì)疏松偏軟。

2) 表面聲波檢測(cè) 在單孔聲波檢測(cè)孔附近進(jìn)行了表面聲波檢測(cè)，表面聲波檢測(cè)反映的巖體聲波波速平均值為1 513，1 741m/s。0+150樁號(hào)表面聲波檢測(cè)反映的該部位巖體聲波波速平均值為3 958m/s。

3) 地震波波速測(cè)試 針對(duì)出口段附近部位巖體，進(jìn)行了地震波波速測(cè)試，測(cè)試過程中，測(cè)距為0.4～1.0m，共進(jìn)行5次測(cè)試。地震波波速測(cè)試反映的該部位巖體波速平均值為2 048m/s。

4) 巖樣穿透聲波檢測(cè) 針對(duì)0+190—0+220部位，在4個(gè)場(chǎng)次爆破后的石碴中選取4個(gè)典型巖樣，進(jìn)行了穿透聲波檢測(cè)，檢測(cè)過程中，針對(duì)每個(gè)巖樣分別進(jìn)行5次測(cè)讀。穿透聲波檢測(cè)反映所檢測(cè)巖樣代表巖體聲波波速分布在1 904～2 203m/s，平均 值為2 009m/s。針對(duì)出口段附近部位，在爆破后的石碴中選取3個(gè)典型巖樣，進(jìn)行了穿透聲波檢測(cè)，檢測(cè)過程中，針對(duì)每個(gè)巖樣分別進(jìn)行5次測(cè)讀。穿透聲波檢測(cè)反映該部位巖體聲波波速分布在1 682～2 358m/s，平均值為2 052m/s。從0+310處爆下的石碴中選取4個(gè)典型巖樣，進(jìn)行穿透聲波檢測(cè)，檢測(cè)過程中，針對(duì)每個(gè)巖樣分別進(jìn)行5次測(cè)讀。穿透聲波檢測(cè)反映該部位巖體聲波波速分布在2 789～4 776m/s，4個(gè)巖樣中1個(gè)巖樣的波速值為2 789m/s，其余3個(gè)巖樣的波速值均在4 000m/s以上。4個(gè)巖樣的波速平均值為3 902m/s。

4 室內(nèi)力學(xué)性能試驗(yàn)

大崗山水電站泄洪洞工程開挖施工過程中，通過現(xiàn)場(chǎng)聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，泄洪洞工程存在局部外觀看似比較完整的巖體聲波波速值卻出現(xiàn)明顯偏低現(xiàn)象。因此，在泄洪洞不同洞段分別取2組巖樣進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)比較，試驗(yàn)成果如圖1所示。

圖1 第1～4組應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

室內(nèi)試驗(yàn)成果表明：泄洪洞出口洞段取樣部位巖石的風(fēng)干密度、縱波波速、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、割線模量等物理力學(xué)指標(biāo)明顯比進(jìn)口洞段的要低，室內(nèi)所測(cè)波速一般低于2 000m/s，與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)值較吻合，說明泄洪洞工程局部巖體結(jié)構(gòu)較疏松，巖體力學(xué)特性較差。

5 突泥涌水風(fēng)險(xiǎn)分析

按不同工程部位和檢測(cè)方法對(duì)泄洪洞巖體物探檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可看出，不同檢測(cè)方法得到的同一工程部位的巖體聲波波速值具有很好的一致性。

從各工程部位的波速值對(duì)比可看出，不同區(qū)段的巖體質(zhì)量存在很大差別。巖樣穿透聲波檢測(cè)的結(jié)果在一定程度上反映了完整巖體的聲波波速。例如，泄洪洞工程局部灰白色、微紅色中粒黑云二長(zhǎng)花崗巖的完整巖體平均波速值在2 000m/s左右，而肉紅色中粒正長(zhǎng)花崗巖完整巖體的平均波速值基本達(dá)到4 000m/s左右。單孔聲波、表面聲波和地震波波速檢測(cè)的結(jié)果反映出泄洪洞工程巖脈、破碎帶部位巖體波速值甚至<2 000m/s。

檢測(cè)結(jié)果表明，局部外觀上看似完整的巖石，其波速值很低，且局部裂隙、破碎帶和巖脈發(fā)育部位，巖體較疏松，其強(qiáng)度也偏低。

結(jié)合室內(nèi)巖石力學(xué)檢測(cè)結(jié)果說明，對(duì)于同處于泄洪洞工程中不同部位的巖體，其物理力學(xué)性能差異性較大，洞身段不同部位，特別是近斷層、巖脈部位巖體力學(xué)性能變化極大，局部花崗巖巖體強(qiáng)度偏低，易風(fēng)化，需采取一定針對(duì)性措施，以保證施工安全。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件調(diào)查，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)物探檢測(cè)和室內(nèi)巖石力學(xué)檢測(cè)分析，大崗山泄洪洞工程突泥涌水等類似地質(zhì)災(zāi)害主要存在以下2個(gè)方面的風(fēng)險(xiǎn)。

1) 泄洪洞局部巖石力學(xué)性能較差洞段易出現(xiàn)塌方風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)于泄洪洞工程，后期開挖揭示情況表明，約80%洞段屬于IV，V類及以下類別巖石，該部分洞段由于巖體力學(xué)性能較差，同時(shí)局部裂隙發(fā)育，存在易風(fēng)化等特點(diǎn)，在開挖過程中如果由于支護(hù)強(qiáng)度不夠，可能存在大面積塌方等風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)該工程現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件調(diào)查分析，在泄洪洞內(nèi)上、下游兩段，存在2種差別較大的花崗巖，部分看似巖體完整的洞段，其巖石的力學(xué)性能相當(dāng)?shù)?，而局部由于斷層、裂隙帶分布密集，即便斷層兩?cè)，巖體力學(xué)性質(zhì)差異性也非常大，因此有必要針對(duì)泄洪洞工程采取一種簡(jiǎn)便、快速的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法，以迅速獲得判別巖石類別的量化數(shù)據(jù)，為選取合適的支護(hù)參數(shù)提供參考和依據(jù)。

根據(jù)幾種現(xiàn)場(chǎng)物探檢測(cè)方法的對(duì)比分析，巖樣穿透聲波方法具有快速、簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)，無須鉆孔，只需在爆碴中選取合適的巖樣，利用聲波檢測(cè)儀器，現(xiàn)場(chǎng)即可獲得巖體聲波數(shù)據(jù)，結(jié)合揭露巖體裂隙分布情況，可做出圍巖類別的初步判斷，為選取合適的支護(hù)參數(shù)和開挖方法提供參考。

2) 泄洪洞巖脈、破碎帶和斷層部位易出現(xiàn)突泥涌水風(fēng)險(xiǎn)

泄洪洞進(jìn)口、出口及中部相關(guān)部位破碎帶和巖脈分布密集，同時(shí)大崗山地區(qū)雨水豐富，地下水易通過雨水得到補(bǔ)給，同時(shí)基巖裂隙水的存在使巖脈、破碎帶和斷層部位出現(xiàn)突泥涌水風(fēng)險(xiǎn)增大(見圖2)。

圖2 隧洞滲水情況

根據(jù)工程區(qū)域調(diào)研，在前期施工中，由于巖脈影響，隧洞頂拱部位出現(xiàn)過塌方情況。在塌方前采取了掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)，而在開挖爆破后，巖脈部位開始有小塊巖石掉落，后續(xù)整個(gè)塌方過程近似卸料過程，最后形成一個(gè)近乎完整的圓錐形(見圖3)，且塌方巖體非常破碎。

圖3 巖脈破碎帶部位塌方情況

由上述分析可看出，在泄洪洞巖脈、破碎帶、斷層等部位，塌方風(fēng)險(xiǎn)一直伴隨存在，如果由于地下水的影響，上述塌方便可能演變成洞內(nèi)泥石流，因此針對(duì)突泥涌水風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防，應(yīng)對(duì)斷層破碎帶、巖脈等部位重點(diǎn)考慮，注意觀察破碎帶填充物和地下水情況，即便地下水不發(fā)育部位，也應(yīng)對(duì)巖石破碎程度重點(diǎn)關(guān)注，以防發(fā)生大型塌方。

針對(duì)泄洪洞內(nèi)存在的突泥涌水風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合地質(zhì)條件分析，防范措施應(yīng)關(guān)注6個(gè)方面。

6 防治技術(shù)

泄洪洞建筑物區(qū)洞身段多處存在巖脈破碎帶及斷層，局部發(fā)育有裂隙密集帶、斷層或巖脈破碎帶。斷層破碎帶及其影響帶、輝綠巖脈破碎帶、裂隙密集帶等含水一般較豐富，常有囊狀水存在，地下水豐富，施工中易發(fā)生突泥涌水地質(zhì)災(zāi)害。盡管隧洞施工突泥涌水為常見的地質(zhì)災(zāi)害，但多為公路、鐵路隧洞，施工斷面規(guī)模較本工程泄洪洞要小，防治難度相對(duì)較小。因此，為保證泄洪洞施工人員安全及施工順利進(jìn)行，有必要針對(duì)突泥涌水采取有針對(duì)性措施。

針對(duì)地下洞室突泥涌水這一特殊的洞內(nèi)“泥石流”，為避免發(fā)生重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，重要在于防治，即預(yù)先采取治理措施，以免突泥涌水發(fā)生，導(dǎo)致嚴(yán)重后果，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失，并影響施工進(jìn)度。從超前排水、預(yù)注漿阻水和加固圍巖等方面開展研究，確定突泥涌水的防治技術(shù)和措施。

針對(duì)施工過程中可能出現(xiàn)的大涌水、突泥等特殊情況，開展封堵和治理技術(shù)研究，從封堵、回填等方面開展有針對(duì)性的治理技術(shù)研究，總結(jié)得到一套有效的突泥涌水封堵技術(shù)方案。

1) 超前鉆孔排水法 即采用專業(yè)地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，利用成孔對(duì)巖層內(nèi)的囊狀水進(jìn)行自然順流排至掌子面，為便于操作及利于施工，一般鉆進(jìn)深度為12m。鉆孔的孔位(孔底)應(yīng)在水流上方，鉆孔時(shí)孔口必須有保護(hù)裝置，防止事故發(fā)生；鉆孔完成后應(yīng)在孔口安裝一口徑與孔口同樣大的PVC管，以便集中排水，鉆孔出的水必須及時(shí)排至洞外，防止集中在掌子面浸泡洞室。

2) 輔助導(dǎo)坑排水法 即采用在掌子面部位超前開挖一導(dǎo)洞進(jìn)行排水，輔助導(dǎo)洞的設(shè)置應(yīng)接近正洞標(biāo)高且低于正洞的底標(biāo)高；輔助導(dǎo)洞應(yīng)超前開挖掌子面 10m 以上，至少要超前2個(gè)施工工序；在采用輔助導(dǎo)洞排水法施工中，必須高度重視做好防排水工作，務(wù)必將涌水或裂隙水引至洞內(nèi)設(shè)置的排水系統(tǒng)中。

3) 超前小導(dǎo)管注漿法堵水、止水 地下洞室開挖過程中針對(duì)可能出現(xiàn)突泥涌水時(shí)最常用的方法是超前小導(dǎo)管注漿法堵水、止水。此方法不僅能防治突泥涌水發(fā)生，且對(duì)洞室有較好的安全穩(wěn)定作用。采用此方法時(shí)，應(yīng)根據(jù)取芯情況準(zhǔn)確判斷出前方地質(zhì)狀況；在掌子面拱弧段按設(shè)計(jì)將小導(dǎo)管超前打入前方巖石內(nèi)，利用小導(dǎo)管向前方的巖層進(jìn)行灌漿，將前方的破碎帶、裂隙等不良地質(zhì)狀況進(jìn)行固結(jié)使其形成整體。

4) 承壓水排放和高壓水處理施工法 在地下洞室施工中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)開挖工作面前有承壓水時(shí)，在不影響圍巖穩(wěn)定的情況下，可采用注漿前排水降壓，也可采用超前鉆孔、輔助坑道排水，但必須超前10～20m距離，最短不低于2倍掘進(jìn)進(jìn)尺。

7 結(jié)語

依托大崗山水電站泄洪洞施工項(xiàng)目，針對(duì)工程中出現(xiàn)的突泥涌水問題，進(jìn)行了有效地質(zhì)分析，對(duì)突泥涌水的綜合治理進(jìn)行了探究，得出以下結(jié)論。

1)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)物探檢測(cè)結(jié)果表明，對(duì)于泄洪洞工程，局部外觀上看似完整的巖石，其波速值很低，而且局部裂隙、破碎帶和巖脈發(fā)育部位，巖體較疏松，其強(qiáng)度也偏低。

2)結(jié)合室內(nèi)巖石力學(xué)檢測(cè)結(jié)果說明，對(duì)于同處于泄洪洞工程中不同部位巖體，其物理力學(xué)性能差異性較大，洞身段不同部位，特別是近斷層、巖脈部位巖體力學(xué)性能變化極大，局部花崗巖巖體強(qiáng)度偏低，易風(fēng)化，需采取一定針對(duì)性措施，以保證施工安全。

3)針對(duì)泄洪洞內(nèi)存在的突泥涌水風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合地質(zhì)條件分析，防范措施應(yīng)關(guān)注6個(gè)方面。

4)針對(duì)施工過程中可能出現(xiàn)的突泥涌水等特殊情況，開展封堵和治理技術(shù)研究，從封堵、回填等方面開展有針對(duì)性的治理技術(shù)研究，總結(jié)得到一套有效的突泥涌水封堵技術(shù)方案，主要包括超前鉆孔排水和超前小導(dǎo)管注漿法堵水、止水等。