引水隧洞工程突水治理方案研究

吴潞源

（福建省华舜水利水电工程有限公司，福建 三明 365500）

0 引言

引水隧洞是水电工程的重要组成部分，但由于引水隧洞在建设过程中总是面临“构造复杂、地质环境多变、灾害频发”等问题。大量的研究表明，目前已建的引水隧洞工程所发生的突水、突泥、涌水等工程事故八成以上是由于对地质构造认识不清、运用的施工处置措施不当所造成的。频发的突水、突泥、涌水等工程灾害不仅威胁引水隧洞施工人员的安全，也在后续施工及安全运营上造成了很大的麻烦。因此，研究实际引水隧洞工程的突水现象以及处置措施具有十分重要的现实意义[1]。

1 工程概况

南平市供水第二水源工程由拦河大坝枢纽工程，引水隧洞及管道系统组成。五星桥水库为该工程的主要组成部分，坝址位于照溪流域中上游的五星桥处，坝址以上控制流域面积68.7km2。坝型为细石砼砌石双曲拱坝，最大坝高49.7m，坝顶弧长227.18m，总库容2328 万m3。坝底高程140.8m，起拱高程142.5m，坝顶高程190.5m，防浪墙高程191.7m，拱冠梁处坝顶厚3.0m，坝底厚15.2m，水库正常水位、设计水位、校核水位高程为190.0m，溢流段设在坝顶中部，溢流堰顶高程185.5m，堰面采用WES 曲线，挑流消能，堰顶设4 孔露顶式平面钢闸门，每孔净宽8.0m，闸门尺寸为8.8m×5.8m（宽×高）。启闭房楼面高程198.2m，屋面高程201.7m，总高度11.2m，启闭房楼面各安装一台双吊点固定式卷扬机。坝顶与坝肩埋设观测设施。

南平市供水第二水源引水工程C2 标石佛山洞口，在2011 年1 月16 日的洞挖掘进中，遇到严重的突水，当天的突水量>8000m3/h，涌出的大量地下水冲毁了出碴轨道和通风管路，并且灌满了下游隧洞。由于这次突水事故，C2 标石佛山洞口被迫停工。经过近一个月的观察，突水水量相比事故当天有所减小，但水量从1 月27 日后一直稳定在3000m3/h。经专家商议后采用对“突水”位置进行衬砌处理，衬砌处理完后，直至2012 年6 月23 日才真正对突水位置进行关水，关水后每天对水位进行监测，但监测结果并不乐观，水位呈每日上涨趋势，到7 月6 日水位已涨到与关水前位置接近，进洞观察发现突水处理位置已爆裂，水从裂隙中喷出。后经二次处置才达到良好的治理效果，文章重点对二次堵水的技术方案进行探讨[2-3]。

2 突水现象分析

根据设计勘察资料，结合两个区段相对复杂的地质条件，施工过程加强重视这两个区段的超前地质预报工作。具体地质情况如下：

2.1 地质勘察总体情况

据测试结果，区域岩体应力场以自重应力场为主导。周边钻孔岩石重度约为26.5 kN/m3。在236～287m 测深范围内最大水平主应力σh为9.2～12.8MPa，最小水平主应力σh为6.4～9.1MPa，铅直应力σz为11.5～13.1MPa。总体上，应力特征表现为竖直方向地应力大于水平方向地应力。南平市供水第二水源引水隧洞工程的围岩岩性主要是质地较硬的石英砂岩，岩体所承受的地应力可归为中等水平。隧洞施工区段的侧应力系数范围在0.80～1.03 之间。只有少数点位测得的侧压力系数>1.0，其余点位测得的数据均在0.8～1.0 之间，由此可见隧洞施工区段内的应力场的竖向自重应力超过水平方向的地应力，主应力方向介于N70°E～N76°E 之间。

从安全考虑，设计最大涌水量采用古德曼经验式进行估算，得到的数值约为隧洞施工区段由破碎断层控制，兼有地层之间的不整合接触，并且受到岩层倾向接触带影响，地下水发育，可能出现突水、突泥[4]。

2.2 突水区段地质预报

对突水段掌子面前方预开挖段（150 m 范围）进行地震波探测以及超前地质综合分析预报，分析内容包括声波波速以及反射情况，从结果来看掌子面前方150 范围内的纵波以及横波波速来看，两者都在总体升高的趋势下呈现出一定的高低起伏变化，由纵横波速得到的掌子面前方岩体的泊松比约为0.32～0.34，总体比较稳定，纵波波速均值为4132m·s-1，横波波速约为2930 m·s-1。纵波在传至前方结构面或断层等不连续面会发生反射现象，根据反射波可以判定不连续面与水平及竖直方向的夹角分别为59°和38°。可以预报在突水段掌子面前方预开挖段150 m 范围以内的岩体岩性主要为中风化砂岩，岩石的硬度较大、强度中等。前方岩体结构面及裂隙比较发育，呈现较破碎到较完整地状态，稳定性比较差，如不采取支护措施容易发生坍塌等工程事故。突水段掌子面前方预开挖段150 m范围以内地下水发育。

鉴于地质预报解析的地下水情况，还对工程区段开展了红外线超前探水预报。该方法的基本原理是，在掌子面前方预开挖段20m 范围内存在含水构造或溶洞时，灾害源产生的红外异常场，必然会涉及到临近异常场的隧道已经开挖的部分，因而在隧道开挖部分的边墙上能提前发现灾害源产生的红外异常场（也称灾害场）。从掌子面红外探测数据表可以明显看出，场强横向最大差值、纵向最大差值、整个掌子面最大差值均在3～9 之间，数值跳跃性变化不大。由此推断掌子面前方围岩含水量较大，且分布相对较均匀[5]。

3 突水治理施工技术方案

3.1 钻孔工艺

钻孔施工分3 个单元：①第1 单元布孔20 个，孔号为A1#～A20#，孔深5 m；②第2 单元布孔240个，孔编号为Ba1#（B 简称单元二，a 简称为第一环），孔深8 m；③第3 单元布孔128 个，孔编号为Ca1#(B 简称单元三，a 简称为第一环)，孔深8m。

针对现场情况，首先进行泄水及混凝土面与岩层接缝周边加固处理，布孔示意图，见图1，根据现场情况布置20 个孔，每个孔深5m，灌浆加固深4.5m，灌浆阻塞深0.5m。

图1 布孔示意图

第2 单元，在引水隧道浇有混凝土面布1～15排孔，每一环1～16 个孔，共计240 个，孔深均为8m。对砼面周边的岩石进行加固。每孔灌浆阻塞深1m；其中灌浆段位置：2～8 m。

第3 单元沿隧道洞碧的四周平均布置钻孔16个，孔位分布示意图，见图2。8 环共计128 个孔，孔深8 m；灌浆分排，分I、II 序施工。

图2 孔位分布示意图

3.2 施工流程

施工流程主要分为造孔、安装孔内装置以及灌浆3 个步骤。

本次突水处治过程中所用的钻孔设备为水平钻机和洛阳钻。水平钻石经过改装的，配备有直径73mm 的钻杆、直径90mm 的潜孔锤以及相配套的金刚石钻头。洛阳钻配套Φ30、Φ110 管等钻头。在钻孔过程中一旦出现较大返水量，可能会遇到突泥或者大涌水，或有严重塌孔问题，则立即停止钻孔进行灌浆。紧急措施原理示意图，见图3。如果发生大量涌水突泥是，则应绑扎、加工直径为25mm 的防护钢筋笼，钢筋笼需采用响应的锚杆进行固紧，孔口采用封孔模填塞。钻孔完成并拔出钻头后，将钻杆插入钻孔以充当灌浆管路。

图3 紧急措施原理示意图

造孔完成后进行孔内装置的安装。孔浅层灌浆孔的孔内装置，孔浅层灌浆孔的孔内装置，见图4。

图4 孔浅层灌浆孔的孔内装置

待孔内预埋装置安装完毕后，进行灌浆工序。灌浆治水一般可分为2 个步骤：①根据施工方案的要求，对注浆工作面上深度为5.0m 的20 个浅孔开展浅部的灌浆堵水，这一步骤的目的是可以为接下来的高压灌浆做好准备；②根据施工方案的内容在引水隧洞的洞壁布设多排深孔（深度约8.0m），钻孔的数目总共为387 个，采用高压泵送的方式对突水段进行控制性灌浆。在灌浆过程中，按分排分序（先I 后II 序）原则进行堵水灌浆加固，I、II序孔至孔深5m 全部结束后，在一单元与二单元位置上采用泄压封堵法进行施工。

需要注意的是，灌浆过程中应保持灌浆压力值（以高压泵上安装的压力表为依据）约为5.0～12.0MPa。浆液一般需要在符合质量要求的情况下使用，一般为商业制浆站依据固定的配合比采用专用的搅拌器加工而成。水泥灌浆需达到结束标准后方可停止灌浆。结束的标准一般是根据施工方案的预定注入量以及浆液的初凝时间等确定，在达到结束标准后应继续约3min 方可结束注浆。

3.3 灌浆工艺

为了保证灌浆过程中达到并保持相应的注浆压力，应采用专用的注浆泵，宜选用直径为30mm 或48mm 注浆管位移，此外还需要采用水泥浆液髙速搅拌机、手动双控液压泵以及控制液专用泵等作为辅助注浆机械。

注浆之前应将预埋注浆管等装置。钻孔的注浆顺序也决定这堵水方案的成败，因此注浆时应按照钻孔的排号以及序号有序地进行，同时应采用堵漏工艺进行堵水，解决引水隧洞突水的问题。不仅封堵突水位置的岩体裂隙，同时封堵突水位置附近的涌水通道，降低涌水量，确保引水隧洞施工过程的安全性。注浆压力保持在5.0～12.0MPa 左右，具体大小应根据施工现场的地质情况、出水量、灌浆条件等进行调整。

4 堵水效果

在第2 次实施钻孔灌浆堵水的方案之前，施工区段的隧洞侧壁的岩体裂隙出水明显，涌水量大。在钻孔施工过程中发现，灌浆的钻孔取代了原先岩体裂隙出水口成为主要的出水位置。尤其是其中的I 序号孔，水流急促可推断内为承压水，倘若不进行工程处置，则势必会发生大规模的涌水造成隧洞坍塌等灾害，威胁整个隧洞的施工安全。在孔内及岩体裂隙内灌浆施工完成后，随着孔内浆液的凝结，钻孔位置及裂隙位置涌水量有明显的减少、减缓趋势，在孔内浆液完全凝结之后，仅有少量的水流出。施工前后的涌水量变化显著，由施工前的3000m3/h降低到约52m3/h，达到了良好的堵水效果，为引水隧洞的后续施工提供了安全保障。可见，采用钻孔灌浆的堵水措施对南平市供水第二水源引水隧洞工程突水灾害的治理效果非常显著。

5 结论

文章主要介绍了南平市供水第二水源工程由拦河大坝枢纽工程引水隧洞工程突水现象及处置方案。针对区域岩体应力场以自重应力场为主导以及前方围岩含水量丰富且分布相对较均匀的实际情况，采用了钻孔灌浆的处置方案，结果表明钻孔灌浆是治理引水隧洞突水、降低围岩透水性的良好方案，它能够有效控制突水段的用水量，确保引水隧洞后续施工的安全性。此外，钻孔灌浆作为治理隧洞突水灾害还受控于其他的地质因素及隧洞赋存条件，具有一定适用局限性。对于其他工程，应根据具体的地质条件、构造特征、水文因素等因地制宜，采取其他具有针对性的治理方案，达到治理水害的目的。