錦屏二級(jí)水電站引水隧洞大流量地下水導(dǎo)排施工技術(shù)

鐘久安 李喬斌 馮藝 陳敏 臧鵬

摘要：大流量地下水是影響引水隧道施工的重要因素，以錦屏二級(jí)水電站3號(hào)引水隧洞9+472樁號(hào)位置的集中涌水點(diǎn)為例，介紹了地下水永久導(dǎo)排處理措施，并對(duì)導(dǎo)排水效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：通過(guò)堵水灌漿、臨時(shí)排水等措施對(duì)地下水進(jìn)行導(dǎo)排處理后，錦屏二級(jí)水電站引水隧洞的永久結(jié)構(gòu)物未受影響。導(dǎo)排施工降低了外水壓力，減小了地下水對(duì)引水隧洞永久結(jié)構(gòu)物運(yùn)行影響。

關(guān)鍵詞：引水隧洞； 地下水； 導(dǎo)排； 錦屏二級(jí)水電站

中圖法分類號(hào)：TV554

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S2.010

文章編號(hào)：1006-0081（2023）S2-0035-04

0 引 言

在水利水電工程建設(shè)中，常會(huì)出現(xiàn)洞線長(zhǎng)、洞徑大的引水隧洞。錦屏二級(jí)水電站引水隧洞穿越錦屏山脈，隧洞群總長(zhǎng)約118 km；滇中引水工程中的昆玉隧洞、香爐山隧洞，工程綜合規(guī)模、建設(shè)難度均居世界前列［1］。此類引水隧洞由于距離較長(zhǎng)，施工中需要穿越各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)，經(jīng)常會(huì)遇到地下水，可能出現(xiàn)涌水問(wèn)題，不僅影響工期，還影響洞內(nèi)交通。錦屏二級(jí)水電站地下涌水大都從巖體結(jié)構(gòu)面、溶蝕破碎帶及斷層、管道與溶洞中噴出［2-3］。滇中引水工程昆明段工程區(qū)內(nèi)存在各種規(guī)模的溶孔、溶隙、溶洞和暗河管道。地下水本身自成循環(huán)體系，施工可能造成地下水或地表水的原有循環(huán)系統(tǒng)被破壞。解決涌水問(wèn)題不僅可保證工程順利實(shí)施，還可保證工程周邊地下水環(huán)境不受影響。

引水隧洞中遇到大流量地下水，處理方式主要有封堵和導(dǎo)排。其中，導(dǎo)排分為臨時(shí)導(dǎo)排和永久導(dǎo)排。臨時(shí)導(dǎo)排通常是地下水永久封堵的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，該措施不但要滿足工程施工要求，還應(yīng)在施工完成后可以直接拆除而不影響其他工程措施。永久導(dǎo)排是經(jīng)綜合考慮后確定的永久排放地下水的方式，不但要滿足導(dǎo)排水的能力，還要在工程壽命周期內(nèi)正常運(yùn)行。深埋長(zhǎng)大引水隧洞地下水揭露后表現(xiàn)出流量大、壓力高、穩(wěn)定持續(xù)等特點(diǎn)。地下水對(duì)隧洞開(kāi)挖、襯砌和灌漿的影響較大。因此，地下涌水需要按照穩(wěn)定涌水、間歇涌水、強(qiáng)涌水和弱涌水進(jìn)行有序處理，按照要求完成有效封堵。其中，臨時(shí)導(dǎo)水是為了完成最終的封堵，而永久導(dǎo)排式是設(shè)計(jì)者從隧洞整體長(zhǎng)期運(yùn)行的角度出發(fā)，提出對(duì)某些集中出水點(diǎn)進(jìn)行永久引排。這能夠降低山體地下水位線與隧洞外水壓力，避免地下水從其他部位擊穿涌出，確保引水隧洞長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。本文以錦屏二級(jí)水電站3號(hào)引水隧洞9+472樁號(hào)位置的集中涌水點(diǎn)導(dǎo)排為例，探討如何快速完成地下水的永久導(dǎo)排。

1 導(dǎo)排水施工難點(diǎn)

1.1 大流量地下水

大流量地下水給引水隧洞施工帶來(lái)很多困難。利用封堵和導(dǎo)排對(duì)其處理具有一定難度，主要難點(diǎn)在于在治理地下水的同時(shí)，還要考慮地下水的流放通道以及交通轉(zhuǎn)換等問(wèn)題。錦屏二級(jí)水電站引水隧洞的單點(diǎn)集中涌水點(diǎn)流量達(dá)3.6 m3/s，云南宣威萬(wàn)家口子水電站排水洞100 m長(zhǎng)洞段合計(jì)涌水量7 m3/s。

1.2 外水壓力大

大流量地下水涌水通常會(huì)伴隨一定的壓力，同時(shí)外水壓力促進(jìn)了大流量涌水的流出。外水壓力大將導(dǎo)致涌水治理過(guò)程中鉆孔、灌漿、圍堰搭設(shè)、引排設(shè)施設(shè)置等環(huán)節(jié)的難度增加，進(jìn)而導(dǎo)致工程量大、工期長(zhǎng)。滇中引水工程香爐山隧洞存在高外水壓力洞段累計(jì)長(zhǎng)29.94 km，占總長(zhǎng)47.83%，最大外水壓力在12 MPa以上，錦屏二級(jí)水電站引水隧洞最高滲水壓力達(dá)到6 MPa。

1.3 工期長(zhǎng)

單點(diǎn)大流量涌水處施工難度大，導(dǎo)致單點(diǎn)施工工期較長(zhǎng)，對(duì)洞內(nèi)交通影響較大［4-5］，甚至?xí)绊懝こ淌┕て诘年P(guān)鍵線路。

1.4 臨時(shí)設(shè)施布置難度大

一般出現(xiàn)地下水出水點(diǎn)集中這一情況的地質(zhì)條件普遍較差，加之地下涌水的不斷沖刷，工程臨時(shí)設(shè)施設(shè)置的工作難度增加，包括工程便道、設(shè)備平臺(tái)、施工圍堰、排水預(yù)埋管等的布置。

2 導(dǎo)排水實(shí)施過(guò)程

針對(duì)錦屏二級(jí)水電站3號(hào)引水隧洞9+472樁號(hào)集中涌水點(diǎn)，導(dǎo)排施工主要程序?yàn)椋憾滤酀{ → 臨時(shí)排水 → 導(dǎo)水鋼管安裝槽及交叉口水倉(cāng)施工 → 導(dǎo)水鋼管安裝 → 交叉口水倉(cāng)制作 → 臨時(shí)排水 （排水轉(zhuǎn)換）→ 涌水點(diǎn)水倉(cāng)開(kāi)挖 → 涌水點(diǎn)水倉(cāng)制作 → 鋼蓋板安裝 →抗抬錨桿施工 → 工字鋼安裝 → 蓋重混凝土施工。涌水點(diǎn)導(dǎo)排布置示意見(jiàn)圖1。

2.1 堵水灌漿

堵水灌漿以將地下水集中至底板集中出水點(diǎn)處為主要目的。堵水灌漿的施工順序?yàn)椋簭捻敼暗降装濉膬啥讼蛴克c(diǎn)。堵水灌漿主要沿隧洞徑向布置，通過(guò)灌漿將涌水點(diǎn)周邊股狀、散狀水進(jìn)行封堵。

2.2 臨時(shí)排水

本次導(dǎo)排進(jìn)行了兩次臨時(shí)排水。第一次臨時(shí)排水是為了確保涌水點(diǎn)上游處的交叉口水倉(cāng)制作、導(dǎo)水鋼管安裝槽開(kāi)挖和導(dǎo)水鋼管安裝等工序能夠干地作業(yè)。在交叉口水倉(cāng)下游側(cè)、涌水點(diǎn)上游側(cè)設(shè)置圍堰，將涌水沿引水隧洞引排至引水隧洞下游。第二次臨時(shí)排水是為了進(jìn)行涌水點(diǎn)水倉(cāng)開(kāi)挖和制作，在涌水點(diǎn)下游側(cè)布置圍堰，將涌水導(dǎo)向上游并沿著施工完成的交叉口水倉(cāng)和導(dǎo)排鋼管自流至施工排水洞。

2.3 導(dǎo)水鋼管安裝

導(dǎo)水鋼管布置在安裝槽內(nèi)，安裝槽充分利用現(xiàn)場(chǎng)橫通道設(shè)計(jì)為倒梯形槽。導(dǎo)水鋼管采用螺旋鋼管法蘭連接并間隔布置。鋼管頂高程低于路經(jīng)其他位置底板，鋼管底高程高于施工排水洞底高程，保證水流由高到低。排水鋼管尾端安裝閘閥、壓力表、流量計(jì)等監(jiān)測(cè)設(shè)施。

導(dǎo)水鋼管安裝時(shí)安裝槽底部先進(jìn)行整平墊層，再采用工字鋼制作鋼管支撐架。鋼管安裝完畢后，采用C25W8混凝土（與引水隧洞結(jié)構(gòu)混凝土標(biāo)號(hào)一致）進(jìn)行覆蓋即可。

2.4 導(dǎo)水倉(cāng)制作

導(dǎo)水倉(cāng)位于引水隧洞（涌水點(diǎn)）附近底板，其上部還有引水隧洞的混凝土襯砌部分。由于導(dǎo)水倉(cāng)是連接涌水點(diǎn)和導(dǎo)水鋼管的構(gòu)筑物，因此成為了本次導(dǎo)排水施工的關(guān)鍵。導(dǎo)水倉(cāng)分為兩期進(jìn)行澆注，一期為交叉口水倉(cāng)，一期為涌水點(diǎn)水倉(cāng)。

2.4.1 交叉口水倉(cāng)

交叉口水倉(cāng)開(kāi)挖同導(dǎo)水鋼管安裝槽開(kāi)挖一并完成，待導(dǎo)水鋼管安裝完成后開(kāi)始制作。制作過(guò)程為：放樣→開(kāi)挖→基礎(chǔ)清理及驗(yàn)收→鋼筋制安→混凝土模板安裝→安裝預(yù)埋件→混凝土澆筑。交叉口水倉(cāng)制作時(shí)安裝的預(yù)埋件主要有：鋼蓋板定位角鋼及附件（孔口管、錨爪）、預(yù)留抽水鋼管、臨時(shí)導(dǎo)水鋼管。

2.4.2 涌水點(diǎn)水倉(cāng)

涌水點(diǎn)水倉(cāng)制作是本次導(dǎo)水施工的關(guān)鍵，該水倉(cāng)從開(kāi)挖到制作均受到涌水點(diǎn)地下水的影響。鋼板混凝土圍堰用鋼板制作模板，模板頂高出水面一定距離。后用袋裝膨潤(rùn)土鋪墊一定的厚度，再填筑C25混凝土至頂部。制作過(guò)程為：放樣→開(kāi)挖→鋼板混凝土圍堰制作→基礎(chǔ)清理及驗(yàn)收→鋼筋制安→混凝土模板安裝→安裝預(yù)埋件→混凝土澆筑。

由于拆除的工作量大及拆除時(shí)可能會(huì)對(duì)水倉(cāng)薄壁混凝土產(chǎn)生影響，故施工完成后可不拆除鋼板混凝土圍堰。通過(guò)增設(shè)錨筋等方式與周邊圍巖和結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效連接，可防止其在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)傾倒。

2.5 鋼蓋板安裝

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件與施工要求，鋼蓋板采用了“場(chǎng)外制作加工、場(chǎng)內(nèi)拼裝安裝”的模式進(jìn)行制作安裝。鋼蓋板加工在場(chǎng)外須完成的工作有鋼板裁切、鉆設(shè)抗抬錨桿孔與防腐，場(chǎng)內(nèi)完成的工作有鋼蓋板拼裝、加固與止水制作。安裝順序?yàn)閺纳嫌蜗蛳掠畏謮K依次進(jìn)行，安裝完成后對(duì)鋼蓋板接觸縫進(jìn)行焊接。

鋼蓋板采用鋼板和加肋工字鋼制成。加肋工字鋼垂直于水倉(cāng)中線方向?yàn)橥ㄩL(zhǎng)布置，順?biāo)鞣较驗(yàn)槎谈附?，工字鋼貼鋼板側(cè)翼板與鋼板緊密焊接。鋼板上對(duì)應(yīng)定位角鋼開(kāi)孔位置開(kāi)設(shè)鉆孔。

2.6 抗抬錨桿

為了減弱后期地下水增大時(shí)對(duì)鋼蓋板和引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的沖擊，以及讓水倉(cāng)混凝土與基巖充分連接，同時(shí)也為了使水倉(cāng)結(jié)構(gòu)和其上部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)能夠充分連接，在水倉(cāng)周邊設(shè)置3圈抗抬錨桿。其中內(nèi)圈為蓋板邊沿預(yù)留鉆孔位置，另外2圈位于水倉(cāng)混凝土上。待抗抬錨桿施工完畢后，將鋼板邊沿與定位角鋼接觸縫進(jìn)行滿焊。

2.7 工字鋼安裝及蓋重混凝土

為了使鋼蓋板分擔(dān)上部襯砌混凝土重量，在鋼蓋板上方垂直洞軸線方向布置工字鋼。該工字鋼與外圈抗抬錨桿用槽鋼相互焊接。另外在工字鋼上橫縱向布置兩層鋼筋，以形成網(wǎng)狀加固。蓋重混凝土采用C25W8混凝土澆筑，澆筑頂高程為設(shè)計(jì)引水隧洞底板開(kāi)挖高程。

3 導(dǎo)排水處理效果

3.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

引排處理的效果主要通過(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)：① 通過(guò)引排處理后，現(xiàn)場(chǎng)能夠在干地作業(yè)的情況下順利實(shí)施引水隧洞結(jié)構(gòu)混凝土襯砌作業(yè)；② 襯砌完成后，引水隧洞進(jìn)行系統(tǒng)固結(jié)灌漿（水倉(cāng)周邊范圍不予布置鉆孔），通過(guò)地下水揭露情況，能夠揭示前期堵水灌漿等工作完成情況和反映地下水集中排放情況；③ 通過(guò)對(duì)地下水集中排放，降低了其長(zhǎng)期在山體內(nèi)積蓄后的外水壓力，減少了外水壓力對(duì)引水隧洞圍巖及襯砌混凝土的影響；④ 為了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)地下水涌出點(diǎn)施工期和隧洞運(yùn)行期的實(shí)時(shí)情況，在合適位置安裝了滲壓計(jì)、流量計(jì)、壓力計(jì)和鋼板應(yīng)力計(jì)。

3.2 效果評(píng)價(jià)

錦屏二級(jí)水電站引水隧洞地下水永久引排處理后實(shí)際效果如下：

（1） 形成干地作業(yè)條件，順利完成混凝土初襯砌，固結(jié)灌漿時(shí)未發(fā)現(xiàn)地下水，地下水導(dǎo)排情況良好。

（2） 涌水點(diǎn)處的滲壓計(jì)顯示自引水隧洞充水實(shí)驗(yàn)后壓力有所升高，原因是引水隧洞水位上升對(duì)其產(chǎn)生了滲壓影響。

（3） 流量計(jì)和壓力計(jì)安裝在導(dǎo)水鋼管出口處。由于目前導(dǎo)水鋼管出口處閥門為全開(kāi)狀態(tài)，故壓力計(jì)未測(cè)出讀數(shù)；而流量計(jì)讀數(shù)顯示該處地下水流量為2.2～2.8 m3/s，說(shuō)明該處地下水受到錦屏山山體地下水補(bǔ)給，水源充足，且一定程度上受錦屏山地區(qū)枯汛期降雨影響。

（4） 在鋼蓋板加肋工字鋼上安裝3處鋼板應(yīng)力計(jì)，目前該3處應(yīng)力計(jì)讀數(shù)無(wú)變化。

通過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行后，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，該處地下水導(dǎo)排后對(duì)引水隧洞的永久結(jié)構(gòu)物無(wú)影響，說(shuō)明本次導(dǎo)排施工降低了外水壓力，減小了地下水對(duì)引水隧洞永久結(jié)構(gòu)物運(yùn)行影響。

4 結(jié)語(yǔ)與建議

本文以錦屏二級(jí)水電站為例，介紹了引水隧洞施工中導(dǎo)排大流量地下水的措施，并驗(yàn)證了排水效果，提出以下建議：

（1） 大流量地下水導(dǎo)排施工需要因地制宜，充分利用好引水隧洞或其他隧洞內(nèi)的橫向通道、排水通道等輔助設(shè)施，因此，在施工前首先需確立排水的可行性。

（2） 導(dǎo)排設(shè)計(jì)和施工時(shí)，所有設(shè)施以不侵占引水隧洞設(shè)計(jì)開(kāi)挖斷面為首要原則。

（3） 適時(shí)測(cè)量地下水流量，獲得長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以便根據(jù)流量、導(dǎo)排高差確定導(dǎo)排管路參數(shù)。

（4） 條件允許時(shí)，盡可能在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置強(qiáng)制抽排設(shè)施，為其他工序創(chuàng)造良好的施工條件，同時(shí)降低永久設(shè)施施工的難度并確保施工質(zhì)量。

（5） 在堵水灌漿階段，應(yīng)采取集中地下水的思路，對(duì)主出水點(diǎn)周邊的水點(diǎn)必須封堵，防止在有壓導(dǎo)排的情況下地下水不可控。

（6） 在導(dǎo)排階段，涌水點(diǎn)水倉(cāng)施工是關(guān)鍵，蓋板安裝是重點(diǎn)。若在有水條件下進(jìn)行鋼蓋板施工時(shí)，應(yīng)仔細(xì)考慮臨時(shí)排水措施，將施工蓋板時(shí)的水壓力降到最低。

（7） 導(dǎo)排施工完成后，須采用固結(jié)灌漿的方式對(duì)水倉(cāng)周邊的基巖進(jìn)行加固。固結(jié)灌漿施工過(guò)程中應(yīng)注意控制參數(shù)，避免再對(duì)引排設(shè)施造成影響。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 陳玉輝，趙玉杰，李毅.錦屏二級(jí)水電站3號(hào)引水隧洞溶洞探洞地下水處理［J］.水利水電技術(shù)，2012，43（5）：78-79.

［2］ 黃丹.錦屏二級(jí)引水隧洞大理巖破裂特性和尺寸效應(yīng)研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2016.

［3］ 周春宏，甘小泉.錦屏二級(jí)水電站引水隧洞施工管理［J］.科技通報(bào)，2015，31（7）：33-36.

［4］ 張春生，周垂一，劉寧.錦屏二級(jí)水電站深埋特大引水隧洞關(guān)鍵技術(shù)［J］.隧道建設(shè)（中英文），2017，37（11）：1492-1499.

［5］ 王繼敏，曾雄輝，揭秉輝.錦屏二級(jí)水電站引水系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題［J］.水力發(fā)電，2013，39（4）：47-50.