深埋引水隧洞超高渗透压力条件下堵水灌浆技术研究

殷 国 权

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司,四川 成都 611130)

深埋引水隧洞超高渗透压力条件下堵水灌浆技术研究

殷 国 权

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司,四川 成都 611130)

锦屏二级水电站引水隧洞以其长度大、埋藏深、地下水条件复杂等特点，在国内具有代表性。本文以锦屏二级东端1号、2号引水隧洞发现的30个出水洞段地下水处理工程为依托，探索深埋引水隧洞超高渗透压力条件下堵水灌浆技术。

深埋;引水隧洞;超高;渗透压力;堵水灌浆;技术

1 工程概况

锦屏二级水电站引水隧洞是迄今为止我国建设的综合规模最大、地质条件最为复杂的深埋大型地下洞室群工程，共有7条隧洞穿越锦屏山，总长度达120 km。隧洞沿线上覆岩体最大埋深约2 525 m，地应力高，施工期显现出强烈的高应力特点。同时工程区又地处碳酸盐岩类地层，溶蚀裂隙发育，地下水丰富，外水压力高，实测最大外水压力达到10.2 MPa，工程建设难度极大。

深埋引水隧洞超高渗透压力条件下堵水灌浆技术研究,就是为解决复杂地质条件下的超高压堵水灌浆技术难题，选择合适的堵水灌浆材料，确定合理的堵水灌浆施工工序和工艺，从而确定引水隧洞衬砌和高压防渗固结灌浆顺利实施。

2 隧洞涌水的分类及应对策略

根据锦屏工程引水隧洞战线长、地下水渗透压力高等特点，目前现有对股状出水的分类方法对锦屏工程不适用，难以较好的反映隧洞涌水特点，对锦屏工程隧洞股状涌水按照流量、洞段延米进行了划分，更有利于制定“什么条件下封堵、什么条件下封堵+引排”的应对策略。

2.1 涌水治理的点、面划分

隧洞涌水按涌水状态分为：干燥；渗水(沿裂隙或孔隙浸出的渗水和雨状滴水)；线状涌水(线流)；帘幕式涌水(沿某一缓倾斜的结构面断层、裂隙、节理呈帘幕状的涌水)；股状涌水(股流)。

股状涌水按涌水量大小分为：小股状涌水小于100 m3/d；中等股状涌水200～1 000 m3/d；大股状涌水1 000～10 000 m3/d；特大股状涌水大于10 000 m3/d。

在锦屏二级水电站东端1号、2号引水隧洞实际施工中，对股状涌水采用如下分类方式：小流量，出水量3～20 L/s(30 m洞段)；中流量,出水量20～100 L/s(30 m洞段)；次大流量,出水量100～300 L/s(30 m洞段)；大流量,出水量300～500 L/s(30 m洞段)；集中出水点,出水量大于500 L/s(30 m洞段)。

2.2 地下涌水的治理应对策略

东端1号、2号引水隧洞共30个出水洞段，不同涌水采用的应对策略见表1。

表1 涌水的治理应对策略

对于小于500 L/s(30 m洞段)出水洞段采用完全封堵的思路，对于大于500 L/s(30 m洞段)出水洞段采用封堵+引排的思路。本论文重点介绍超高渗透压力条件下堵水灌浆技术。

3 水泥-ch聚丙烯酰胺双液材料

静水一般指含水地层中的水；动水是指地下承压水被释放后，通过堵水施工动水也可以变为静水。相对而言，动水灌浆难度更大，材料原则不合适,浪费较大。对静水、动水灌浆材料进行研究，有助于灌浆材料的调研及选型。

目前,堵水常用浆液有两大类，即：悬浊型与溶液型。悬浊型成本相对较低，基本上采用水泥浆液为主液;溶液型成本相对较高，基本为化学浆液。在实际施工中通过合理配置控制其施工成本。

锦屏二级水电站东端1号、2号引水隧洞地下水源丰富，地应力高，在堵水灌浆中对纯水泥浆、水泥砂浆、化学浆液、水泥水玻璃浆液均进行了应用研究。在堵水灌浆方面，各自的应用范围均有一定的局限性，在施工中反复更换灌浆材料，工艺复杂，增加工序较多。针对这样的施工难题，研制应用范围更广的堵水灌浆材料有利于锦屏二级大出水面域的治理。

ch聚丙烯酰胺堵水灌浆专用材料是一种环保复合型灌浆添加剂，黏度低，渗透性能好，与水泥浆液有极好的亲和力，具有良好的封堵性，灌浆的操作时间和固化时间可以通过掺入量任意调整，是一种很好的环保型灌浆材料添加剂。

水泥-ch聚丙烯酰胺双液材料是以水泥浆液和ch聚丙烯酰胺按一定比例混合配制成的浆液。这种浆液不仅具有水泥浆的优点，而且兼有化学浆液的一些特点。它的凝胶时间可以从几秒钟到几十分钟任意调节，灌后结石率可达100%，可灌性比纯水泥浆明显提高。

根据水泥-ch聚丙烯酰胺双液材料特性，在本工程地下水处理中，对线状流水、裂隙水或外水压力不大的灌浆孔，通过调节水泥-ch聚丙烯酰胺双液材料凝结时间，控制浆液的扩散半径，可达到快速封堵裂隙通道，截断水流源头的目的。双液配合比、浆液性能参数见表2。

表2 双液配合比、浆液性能参数

实施效果：锦屏二级水电站东端1号、2号引水隧洞堵水灌浆9.2万m，出水洞段根据出水情况不同选择了不同配比的水泥-ch聚丙烯酰胺双液灌浆材料，完成后均达到防渗固结灌浆质量标准，每30 m洞段渗漏量远小于3.0 L/s。

4 堵水灌浆技术

锦屏二级水电站东端1号、2号引水隧洞工程涌水形态多样，集中出水点较多，为了尽量减少浆液的浪费，堵水浆液设计可泵送时间越来越短，对灌浆设备提出了更高的要求。

工程区域内地下水具有较好的关联性，出水位置也会相互串联，在对出水点完成点、面划分后，根据水文情况及堵水施工原则，选择合理的施工程序及工艺，确保堵水施工一次性达到封堵效果。

4.1 堵水灌浆专用辅助设备

4.1.1 一种具有排水功能的可拆卸双液孔内混合器

针对高压大流量出水堵水灌浆的特点，研制了一种具有排水功能的可拆卸双液孔内混合器。通过添加剂配合纯水泥浆基液在孔内进行混合，达到快速封堵的目的。它可以通过射浆管实现浆液在孔内混合，保证双液在孔内混合后快速实现胶凝，避免搅拌泵送造成堵塞管道的问题。结构原理见图1。

工作原理：主出水孔钻孔完成后，下设堵水专用孔内混合器，混合器上下部分可以通过连接法兰拆装，可以先安装下部模袋，实施堵水灌浆时，安装上部结构。上部结构设置四根排水管，主要针对流量压力较大的出水孔安装时泄压。纯水泥浆液和添加剂分别通过纯水泥浆液进浆管和添加剂进浆管进入孔内，在孔内混合后快速胶凝。待凝完成后，可以拆除上部结构重复利用。

4.1.2 一种内外双层模袋阻水止浆装置

针对大口径主出水孔、归流孔(下倾孔)封堵困难的问题，研制了一种内外双层模袋阻水止浆装置，可以满足孔径Φ219 mm以上的出水孔施工。结构原理见图2。

工作原理：在覆盖层、岩溶地段等工程地质条件较差的部位揭露集中出水点或者出水带时，钻孔通常采用跟管钻进技术，在成孔后取出跟管，安装外置模袋，主要起护壁和孔口管的作用。进行堵水灌浆时，安装内置模袋形成子模袋，根据出水情况，子模袋可以选择孔内混合型和孔口混合型，子模袋主要是起到减小孔径，便于进行堵水灌浆的实施。

注：1.纯水泥浆进浆管;2.添加剂进浆管;3.第一组排水管;4.第二组排水管;5.连接法兰;6.模袋注浆管;7.外管;8.模袋

注：1.纯水泥浆进浆管;2.添加剂进浆管;3.子模袋外管;4.排水管;5.子模袋注浆管;6.外模袋钢管;7.外模袋注浆管;8.内膜袋 钢管;9.外模袋;10.内模袋

图2 一种内外双层模袋阻水止浆装置结构原理

4.1.3 一种设置皮碗的模袋阻水止浆装置

针对大口径主出水孔、归流孔(仰孔)封堵困难的问题，自行研制了一种设置皮碗的模袋阻水止浆装置，可以满足孔径Φ108 mm以上的出水孔施工。在仰孔施工时可以增加逆向阻力，起到固定模袋的作用。结构原理见图3。

注:1.阻水像胶皮碗；2.模袋;3.阻水像胶垫；4.模袋注浆管；5.外管;6.注浆管

工作原理：在隧洞边顶拱揭露较大出水，采用仰孔施工时，模袋的安装难度较大。皮碗型堵水灌浆模袋通过阻水皮碗使汇集至内管，在水的推力和自重形成反作用力，起到固定膜袋的作用。皮碗型堵水灌浆模袋阻水橡胶垫起到改变模袋外缘高压出水的方向，减少对安装人员的直接伤害，阻水橡胶垫外侧可设置转盘，便于安装人员操作。

4.2 堵水灌浆施工工艺

堵水灌浆工艺主要为纯水泥浆液模袋塞纯压式灌浆法、水泥-ch聚丙烯酰胺模袋塞孔内混合直接灌注法、膏状可控浆液灌浆、水泥砂浆填充灌浆、化学灌浆。主要灌浆工艺见表3。

表3 堵水灌浆主要灌浆工艺

5 社会效益

研制的新型堵水灌浆材料、堵水灌浆专用辅助设备，总结的堵水灌浆施工工艺对已完成的锦屏二级水电站有较好的适用性。新型堵水灌浆材料适应不同涌水类型的堵水灌浆，且成本适宜。堵水灌浆专用辅助设备解决了不同口径出水孔的封堵问题。总结堵水灌浆施工工艺，对超高渗透压力条件下出水点的治理效果较好。随着西部大开发战略的不断推进，在高压、富水区修建深埋长大隧道都不同程度地遇到涌水现象，锦屏工程堵水灌浆技术可以为类似长大隧洞施工提供丰富的经验和有力的施工技术支持。

6 结 语

锦屏工程在集中出水点的治理方面，对于小于500 L/s(30 m洞段)出水洞段采用完全封堵的思路，对于大于500 L/s(30 m洞段)出水洞段采用“封堵+引排”的思路，经过锦屏二级水电站东端1号、2号引水隧洞一年来安全运行的验证，效果良好。锦屏工程高渗透压力条件下堵水灌浆技术可以为类似工程借鉴和引用，有较高的参考价值。锦屏二级水电站高水压、长隧道隧道突涌水点地下水处理技术研究将推动这一技术领域的科学技术向前发展。

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[4] 席光勇,深埋特长隧道(洞)施工涌水处理技术研究[D].成都：西南交通大学,2005.

2016-11-30

殷国权 (1978-)，男，四川成都人，高级工程师，从事水力水电工程管理工作。

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