关于水利工程输水隧洞施工期排水控制要点的探讨

陈 平，冯 笑

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 问题的提出

水利工程输水隧洞是水利枢纽中的重要组成部分，隧洞线路必须与水利枢纽的建设任务相适应，并须根据地形、工程地质和水文地质、水文等条件选定，所处的地理环境相当复杂[1]。在隧洞施工过程中，由于受水压力、地应力、软岩、涌砂及涌水等不利工程地质条件影响[2]，施工期排水显得尤为重要，施工期排水控制是否合理，直接影响隧洞施工质量、进度、安全和成本。

2 水利工程输水隧洞特点

2.1 线路较长

在水利工程建设过程中，为降低水头损失和保障输水线路安全，通过输水隧洞实现长距离或跨流域调水的目的，水利工程输水隧洞一般线路较长，如松阳县黄南水库工程输水隧洞长约10 km，新昌县钦寸水库输水隧洞长约29 km[3]，引汉济渭工程输水隧洞长约98 km[4]，为满足通风、施工用电安全和出渣等需要，一般3～5 km 设置1 个施工支洞，沿线设置施工支洞较多。

2.2 断面较小

水利工程输水隧洞以输水为目的，一般为有压隧洞，通过输水流量和隧洞施工需要确定隧洞断面尺寸，较为常见的开挖断面尺寸为：3.6 m×3.6 m～6.0 m×6.0 m。

2.3 施工期排水量大

水利工程隧洞施工期排水量来自于施工用水和地下水，洞内施工用水主要为施工机械用水，水量较小；地下水主要包括孔隙水、岩溶水、裂隙水，水量较大[2]。由于输水隧洞通常会经过裂隙水或岩溶水富集区，裂隙水一般埋藏较浅，水头高，隐蔽性强，涌水量往往较大，从而导致施工期排水量较大。

2.4 环境保护要求高

水利工程输水隧洞通常从水源地取水，将水引至另外一个水源地。在隧洞首部新建水库或者取水工程，末端新建蓄水建筑物，或利用现有水库进行调蓄。输水隧洞施工范围会涉及一级或者二级水源保护区，一旦发生水源污染事件，影响范围较大，对施工期排水环境保护要求较高。

3 水工隧洞施工排水控制要点

3.1 合理控制隧洞纵坡

输水隧洞过流能力按照管流进行计算，在工程设计阶段与施工组织设计充分结合，考虑施工作业面的分布情况合理调整隧洞纵坡，便于施工排水，尽量使施工作业排水坡度为顺坡，通过自流排水降低排水难度。输水隧洞进口段过流能力由进出口水头差、断面尺寸和沿线水头损失确定，在不影响输水隧洞过水能力的前提下，尽量采用平坡；施工支洞段，一般情况下施工支洞上游作业面是顺坡，能够自流排水，施工支洞下游作业面为反坡，需要进行动力提升排水，在保证输水隧洞过流能力和输水隧洞洞顶沿线有一定正压力的前提下（一般要求相对压强水头不宜小于2.00 m 水柱），考虑对施工支洞下游隧洞纵坡进行调整，尽量采用平坡或顺坡。

3.2 准确估算排水量

隧洞排水量受水文地质条件影响较大，国内外对排水量的计算进行了大量研究。目前计算隧洞排水量的方法有渗流场分析法和简化竖井模型法，渗流场分析法比较繁杂，不便于设计应用；简化竖井模型法根据地下水动力学理论，以无限含水层中的竖井为例进行理论分析，同时考虑隧洞所处的地下水头很高，水流为稳定流，由竖井推导得出的结论对隧洞完全适用[7]。在隧洞工程施工前，需根据现场情况做好相应准备工作，对隧洞现场的情况特点进行有效分析，对地质及水文特点等进行全面勘查，充分利用地质钻孔和探洞资料，对隧洞排水量进行初步估算。一方面，对本地区以往工程或在建隧洞工程进行调查，提高排水量估算的准确性；另一方面，可以通过地形条件判断隧洞最可能出水点的位置，如经过河流段或沟谷段，有针对性地开展地勘工作，为估算排水量提供依据。

3.3 健全洞内排水系统

输水隧洞洞内排水系统是洞内排水的核心部分，一般情况下输水隧洞主洞通过自流或水泵提水将水引至施工支洞集水坑，通过多级水泵提水将水排至洞外，洞内排水典型平面布置见图1，典型纵断面见图2。在规划洞内排水系统过程中，一方面根据出水点位置合理布置集水坑，同时对洞内排水沟进行硬化处理，减少洞内渗水的二次污染；另一方面，水泵选型充分考虑地下水和施工排水量总和，预留一定的盈余量，同时采用水泵自动启停系统，自动控制水泵工作，可大大降低施工用电量和人力资源的投入，降低施工排水成本，提高排水可靠性。

图1 输水隧洞排水典型平面布置图

图2 输水隧洞排水典型纵断面图

3.4 加强洞内突发涌水防治

涌水是松散破碎物质和高压水一起呈泥浆状突然涌入隧洞的现象，对地下工程危害最大，是隧洞施工中常见的工程地质灾害[3]。由于输水隧洞洞径较小，一旦突发涌水，会对隧洞施工造成极大困难，所以加强洞内突发涌水防治，对输水隧洞施工期排水尤为重要。首先，加强防水设计，结合隧洞施工过程中渗水及突发涌水的特点，以及相关防治要求开展防水设计工作，同时根据隧洞施工过程中渗水及突发涌水情况对设计成果进行动态调整；其次，改变传统施工工艺，传统工艺一般采用全断面光面爆破，从施工安全考虑可采用超前小导洞开挖工艺，尤其在穿越地质破碎带时，不仅可作为地质预探，同时经过夹水层时，因接触面周长短，可能出现的特大涌水量也会相应减少；最后，采用地质雷达超前预报技术，在接近大断层或河流及冲沟处等可能出现大面积渗水或涌水地段进行预报，提前采取防治措施。

3.5 采用合理的出渣方式

输水隧洞出渣包括无轨出渣和有轨出渣，无轨出渣以自卸汽车出渣为主，有轨出渣以电瓶车出渣为主。在输水隧洞施工中，由于隧洞断面相对较小，建议优先采用有轨方式出渣，最大限度地减少对洞内渗水的二次扰动，降低洞内排水的浑浊度，有轨出渣典型作业过程见图3。为保证出渣安全，有轨方式出渣对输水隧洞的纵坡要求较高，根据目前的施工经验，隧洞纵坡为-0.6%～0.6%。有轨出渣过程中必须严格控制轨道的安装高程，确保轨道不被渗水淹没，同时将轨道坡度控制在合理范围内，保证电瓶车运行安全。

图3 输水隧洞有轨出渣典型作业图

3.6 采取合理的污水处理工艺

隧洞施工中主要污染物包括洞室开挖时产生的悬浮状石粉、岩屑，支护、加固施工中使用胶凝材料中的碱性化合物（氢氧化物、硅酸系化合物等），机械设备使用产生的油污，乳化炸药中的乳化剂等石油类化合物，混凝土、加固浆液中的无机质、有机质外加剂等。各种污染物含量视隧洞地质条件、施工方法、支护方案、控制段距离等因素存在一定差异[5]。考虑输水隧洞排水环境保护要求较高，必须采取合适的污水处理方式，确保施工污水达标排放，典型的隧洞污水处理工艺包括沉砂、絮凝和沉淀等[6]（见图4）。其中沉砂池主要对废水中较粗的砂粒、土粒、密度大的悬浮物进行分离；絮凝池主要通过投加盐酸（HCL）、絮凝剂（PAC）或助凝剂（PAM）以及设置空气搅拌装置，去除部分SS 及COD；沉淀池是进一步去除絮凝后的污染物。

图4 输水隧洞污水处理典型工艺流程图

在污水处理过程中，必须根据污水水质和合理排水量确定沉砂池、絮凝池和沉淀池的数量和体积，一般设置3级沉砂池、1 个絮凝池、1 个沉淀池，同时对污水水质进行动态检测，对HCL、PAC 和PAM 用量进行适时调整，确保水质达标排放。如果污水成分较为复杂，排放标准要求较高，通过一般的污水处理工艺难以达到排放标准要求，可考虑采用一体化成套污水处理设备，提高污水处理的安全性和可靠度。

4 结 语

水利工程输水隧洞具有线路长、断面小、排水量大和环保要求高等典型特征，充分了解水利工程输水隧洞的特点，从合理控制隧洞纵坡、准确估算排水量、健全洞内排水系统、洞内突发涌水防治、采用合理的出渣方式、采取合理的污水处理工艺等环节入手，才能控制好施工期排水。水利工程输水隧洞施工期排水受多方面因素影响，如何更精确有效地做好施工期排水控制，在地下排水量估算方法、先进的污水处理工艺和污水处理设施等方面还有待进一步研究。