坪头水电站引水隧洞施工支洞封堵体的设计与思考

陈亚琴，刘 超，樊菊平

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

坪头水电站工程主要建筑物由首部闸坝枢纽、引水系统、厂区枢纽等组成。 整个引水系统布置在美姑河河道左岸，主要由进水口、引水隧洞、调压室、压力管道等部分组成。引水隧洞全长12.7km，进水口底板高程895.00m，至调压室处底板高程降为850.00m，纵坡降为3.5‰。隧洞垂直埋深40～570m，水平埋深140～1 000m；围岩类别在深埋段以Ⅲ～Ⅳ类为主，在浅埋段的石膏夹层及软弱的页岩分布段以Ⅳ～Ⅴ类为主；隧洞承受水头32～77m。引水隧洞布设7条施工支洞，并按照规范要求进行封堵设计。工程启动验收后，对隧洞进行充水，隧洞充水之后不同程度出现渗水问题，后期对渗水问题进行分析处理。本文对坪头水电站施工支洞封堵后渗水原因进行深入的分析，提出了封堵体的设计必须满足稳定和防渗双重功能的意见，采取了延长封堵段的处理方案；同时对施工支洞的封堵设计及施工提出了看法。

2 施工支洞的布置及封堵设计

2.1 施工支洞的布置

根据实际施工需要及隧洞运行管理、检修方便，在电站引水隧洞洞线上布置了7条施工支洞。所有施工支洞均采用钢筋混凝土封堵，其中，在2-3号、4号施工支洞设手推式钢闸门作为隧洞对外永久检修交通通道。各施工支洞参数见表1。

2.2 施工支洞封堵体设计

根据DL/T5195-2004《水工隧洞设计规范》中封堵体设计章节进行施工支洞封堵设计。柱状体封堵抗滑稳定按照下式进行计算：

作用效应函数S(·)=∑PR

抗力函数R(·)=fR∑WR+CRAR

式中 ∑PR——滑动面上封堵承受的全部切向

作用之和，kN；

∑WR——滑动面上封堵全部法向作用之和，向下为正，kN；

fR——混凝土与围岩的摩擦系数；

CR——混凝土与围岩的粘结力，kPa；

AR——除顶拱部位外，封堵体与围岩接触面的面积，m2。

表1 各施工支洞参数 m

根据上述计算成果，施工支洞的封堵设计情况见表2。

表2 施工支洞的封堵设计情况

为增加封堵体混凝土与围岩之间的衔接，封堵体全断面设置锚杆。

各支洞封堵体设计(包括封堵长度、灌浆参数、锚杆布置)完全符合规范要求，保证正常运行似乎应该没有问题，但是隧洞试充水后恰恰在支洞洞壁及其封堵体出现了不同程度的渗水。

3 充水后各支洞渗水情况及原因分析

坪头水电站从2011年5月中旬开始水库蓄水及向隧洞充水，之后的一个月时间，现场专门安排对引水系统进行稳压观察，引水隧洞、压力管道沿线的所有沟渠、边坡均未发现渗水痕迹及其它异常情况，只是各支洞有不同程度的渗水出露，其中1号、2号、2-3号、3号施工支洞渗水量很少，小于或等于3L/s，对边坡及工程本身不构成危害，不需要处理；5号、6号施工支洞处于隧洞钢衬段，没有渗水现象，不需要处理；4号支洞渗水量较大，约为30L/s，需要进行分析处理。各施工支洞渗水情况分析见表3。

由表3可以看出，支洞渗水量大小与水头并不完全成正比关系，而与靠近主洞施工支洞的围岩类别、裂隙发育情况、与其对应主洞的衬砌型式密切相关。靠近主洞位置的施工支洞围岩类别低且裂隙、断层较发育，且相应主洞钢筋混凝土衬砌段短而喷锚段长的话，则其渗流量较大。以下重点分析4号施工支洞情况。

4号施工支洞与主洞及其裂隙、断层的相对关系平切图见图1。

4号支洞与主洞交接部位发育多组断层，其中f12-3将主洞与支洞贯穿， f12-3断层三壁贯通，带内由劈理化的片状岩、碎裂岩、角砾岩、糜棱岩和夹泥组成，带内物质较破碎，嵌合不甚紧密，裂面普遍锈染，潮湿。断层发育，且对应主洞洞段为喷锚衬护，有一定水头压力的水即会沿着结构面渗出，在4号施工支洞内的结构面出露处以及封堵体施工缝缝面处观察到较大的有压水出露。

4 4号支洞渗水处理方案选择

发现4号支洞渗水后，对隧洞进行部分放空至4号支洞下游400m，开启4号支洞检修闸门进洞观察主洞情况，发现主洞完好，看不见明显的集中渗漏通道。根据分析结果，提出两种处理方案：方案一是主洞内处理方案，即在主洞内进行补强或新增固结灌浆；方案二为支洞内处理方案，即在支洞内延长封堵段，封闭f12-3断层的出口。

图1 4号施工支洞860m高程地质平切图

支洞编号(桩号)封堵段长度/m水头/m围岩类别支洞裂隙发育主洞衬砌型式渗水总量/L·s-1渗水组成/L·s-1砼与岩壁缝隙封堵段施工缝围岩裂隙2号(K3+914)2033III类/未发现裂隙渗水(1) 向上游20mC型、55mB型、40mC(一)型、50mB(二)型;(2) 向下游20mC型、31mB(一)型、64mC(一)型、71mB(一)型30.6(20%)2.4(80%)0(0%)2-3号(K5+323)2038III类/40m及120m处各发育一组裂隙并渗水(1) 向上游20mC型、203mB或B(一)型;(2) 向下游20mC型,47mB(二)型、15mB型、75mC(一)型1.41(70%)0(0%)0.4(30%)3号(K6+993)2543III类/65m及140m处各发育一组裂隙并渗水(1) 向上游20mC型、81mC(一)型;(2) 向下游20mC型,86mB(二)型0.40(0%)0.25(60%)0.15(40%)4号(K9+673)30+5053IV类/上游发育数条小断层,下游靠近规模较大的断层(1) 向上游21mD(一)型、36mC型、216mB(一)型、20mC型、45mC(一)型;(2) 向下游20mD(一)型,18mC型、42mD(二)型、49mC型、292mB型、47mC(一)型302(7%)9(30%)19(63%)

注：B型为喷锚衬砌；B(一)型为加强型喷锚衬砌，不布设固结灌浆；B(二)型为加强型喷锚衬砌，同时布设固结灌浆；C、C(一)型为40cm厚钢筋混凝土衬砌，同时布设固结灌浆；D(一)、D(二)型为50cm厚钢筋混凝土衬砌，同时布设固结灌浆。

方案一施工范围大、占用直线工期长、费用高，达到的预期效果不一定明显。方案二可达到两个目的：(1)将渗水引向完整岩石，快速在有效埋深内形成阻水效应，同时依靠完整岩石和延长的混凝土封堵段截住渗流，可使其不再在支洞内出露；(2)通过延长渗径降低渗流对破碎围岩体产生的破坏力。经过比选，采用方案二作为实施方案，即在支洞内延长封堵段50m封闭f12-3断层的出口的方案，并对延长段的封堵段进行了预埋管回填灌浆。

处理完成后再次对隧洞进行充水，渗水量出露明显减少。实践表明，适度延长封堵段的方案是必要的、可行的。

5 对施工支洞封堵体设计的思考

坪头水电站各支洞的封堵设计虽满足了规范要求，后来的实践也表明封堵体本身也完好无损，但是，在支洞内却有渗水出露。因此，对具体工程需进行具体的封堵设计，有必要进一步思考引水隧洞施工支洞封堵体设计及施工要求。

笔者认为合理的、完善的封堵设计，应该满足以下几条：

(1) 封堵体本身稳定性满足要求，不被内水推移；

(2) 封堵体和岩壁之间不会有渗水出露；

(3) 封堵体施工缝或结构缝(若有的话)不会发生渗水出露；

(4) 不存在未被封堵的支洞壁有明显的渗漏出露点。

归纳起来，支洞封堵体必须满足稳定和防渗的双重功能。为此，设计和施工需满足如下要求：

(1)封堵长度。除了至少满足规范规定的稳定所需的长度外，还应根据支洞内发育裂隙和主洞内发育裂隙的连通性、主洞对应的衬砌型式等因素来确定是否增加封堵长度，以达到防渗的目的。

(2)灌浆。固结灌浆不一定必须实施，可以根据水头、支洞岩性、围岩类别调整或取消；回填灌浆则必须实施，且必须达到规范要求，建议尽量采用微膨胀混凝土。

(3)锚杆。可以根据水头、支洞岩性、围岩类别调整或取消锚杆。

[1] 成都勘测设计研究院.DL/T 5195-2004《水工隧洞设计规范》[S].北京：中国电力出版社，2004.

[2] 甘文喜.水工隧洞堵头设计探讨[J].人民长江，2001，32(5).

[3] DLPT 5144-2001《水工混凝土施工规范》[S].北京：中国电力出版社，2002.

[4] 陈芝焕.水工隧洞封堵体设计与施工[J].云南水力发电，2009,25(1).

[5] 《四川省凉山州美姑河坪头水电站隧洞充水及首台机组启动验收设计报告》[R].成都：中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，2011.