地下洞室超大流量、高水壓集中出水點引排技術研究

殷國權

(中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，四川成都 611130)

地下洞室超大流量、高水壓集中出水點引排技術研究

殷國權

(中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，四川成都 611130)

“多、長、大、深”是未來隧道技術發展的總趨勢。隨著隧道長度增大，埋深增加，將不可避免地出現與之有關的高壓、大流量涌水等施工地質災害問題。以錦屏二級水電站東端2號引水隧洞發現的5+925、10+472兩個集中出水點為依托，探索了地下洞室超大流量、高水壓集中出水點引排技術。

地下洞室;超大流量;高水壓;集中出水點;引排技術;錦屏二級水電站

1 工程概述

錦屏二級水電站主要由4條長約16．7km的引水隧洞構成，隧洞之間的中心間距為60m，一般埋深1500～2000m，最大埋深約2525m。錦屏二級水電站東端1號、2號引水隧洞施工過程中揭露流量大于500L/s的集中出水點5個，其中東端2號引水隧洞5+925汛期最大出水量為4．8m3/s，東端2號引水隧洞10+472最大出水壓力為0．65MPa(出水量為682L/s)。因此，對超大流量、高壓力集中出水點的治理的成敗就決定了隧洞運行期間的結構安全。

2 突涌水點地下水處理專用沉箱技術

(1)技術背景。

東端2號引水隧洞5+925突涌水點在“8．30”群發性地質災害后，出水量長期穩定保持在4．8m3/s左右。2012年11月下旬，通過2號引水隧洞斷面實測出水流量約為3．9m3/s，2012年12月初約為3．6m3/s，2013年1月中旬約為2．4 m3/s。隨著季節的變化，5+925突涌水點的流量也隨之變化，說明該部位的出水受降雨補給明顯。

錦屏“8．30”特大暴雨地質災害后，對突涌水點的處理有了新的認識，在封堵了地下水的通道后，增大了山體承載力，可能會影響到隧洞結構的安全。經綜合考慮后，將5+925突涌水點處理的指導思想轉變為“堵水與控排相結合”。因此，如何實現可控排放成為該項研究的主旨。

在此背景下，通過現場勘察、理論分析和試驗研究等方法，探索出了適合突涌水點地下水處理技術，最終研究并開發了“突涌水點地下水處理專用沉箱”，實現了地下水的導排，降低了地下水的揚壓力，確保了引水隧洞結構安全。

(2)技術構思。

集思廣議，開發了突涌水點堵排水專用設備沉箱，該沉箱的設計思路為:

①沉箱的設計應滿足隧洞實際斷面尺寸的要求，安裝后其頂部應確保在結構混凝土以下，從而可以保證墊層混凝土、結構混凝土的澆筑。

②能使突涌水點、帶狀出水全部匯集到沉箱內，實現控制排放。

③構造應簡單、合理，能有效承受各種荷載，能夠在空間有限的引水隧洞內順利完成吊裝。

④能夠作為單獨結構獨立、永久運行。

(3)主要技術內容。

筆者以錦屏二級水電站突涌水點堵排水專用沉箱的研究開發與應用為例，詳細介紹了該沉箱的結構設計及優點(類似工程可根據突涌水點的分布、形態、壓力、流量設計沉箱的形狀、尺寸、引水鋼管的尺寸)。

①沉箱的結構。

沉箱由箱體和蓋板組成，結構為12．5m× 2．5m×1．5m(長×寬×高)，箱體長邊和寬邊采用材質為Q2345B、d=10mm的鋼板，四個邊沿采用材質為Q2345B，d=20mm的鋼板加工制造。箱體內部采用材質為Q235B的H型鋼、14型工字鋼、18#a型槽鋼(厚型)進行焊接加固支撐。頂部蓋板采用材質為Q235B，d=20mm的鋼板，分四塊與沉箱連接，采用螺栓與沉箱周邊混凝土上的預埋件連接，并在其之間設置橡膠止水。在沉箱面向上游的長邊和寬邊各焊接2根DN700引水鋼管。具體結構見圖1。

②沉箱的功能。

圖1 鋼結構沉箱設計圖

a、將突涌水點、帶狀出水全部匯集到沉箱內。

b、將沉箱面向上游的長邊和寬邊焊接的4根DN700引水鋼管與在溝槽內安裝的4根DN700引水鋼管對接，使匯集至沉箱內的水實現導排。

c、沉箱安裝完成后，箱體兼做模板的功能施工墊層混凝土;蓋板安裝完成后，結構混凝土可以順利實施。

d、沉箱作為永久結構，可以實現地下水的導排，從而降低地下水的揚壓力，確保引水隧洞的結構安全。

③沉箱的吊裝。

由于沉箱構件單重大、長度大且受現場施工條件限制，沉箱吊裝半徑較大，具有工期短、難度大、危險性高等特點。為保證沉箱吊裝的順利實施，沉箱在制造廠內按兩段進行制造，現場分兩次完成吊裝，專業人員對沉箱兩段結合處進行焊接，并確保沉箱安裝的焊接質量。

④沉箱的運行。

沉箱作為單獨結構埋設在引水隧洞內，可以獨立永久運行。

本項研究成果解決了引水隧洞突涌水點堵排水的技術問題，為工程的順利進行起到了重要的保障作用，大大降低了地下水的應力破壞，保證了引水隧洞的結構安全。

3 集中出水點逆止閥引排施工技術

(1)技術背景。

東端2號引水隧洞10+472左側邊墻大面積出水，呈散狀出水，沿洞壁滲流。鉆孔揭示地下水活動強烈，所形成的溶蝕溝槽明顯，局部有夾(黃)泥現象，各散水出水點之間具有極好的連通性;表面巖層松散破碎，鉆孔經常出現卡鉆，塌孔等現象，主要出水深度約為5．5～7m。2012年11月1日測得的出水總量為110L/s。隨著其余出水點的逐步封堵及東端2號引水隧洞10+457～10+487段出水區域外深層封閉固結灌漿的完成，地下水出水流量及壓力變大，2012年12月14日測得的出水總量為682L/s。

鑒于地下水治理的理念還處于發展階段，在采用完全堵水對隧洞結構安全及周邊環境有不利影響時，面對超高壓力及大流量涌水，如何保證引水隧洞的結構安全是本工程的一大施工難題。

在此背景下，我們研究了一套“集中出水點逆止閥引排施工技術”，保證了引水隧洞的結構安全，確保了內水不外滲。

(2)主要技術內容。

對主要2個出水孔進行了永久引排，按照出水總量682L/s計算，需采用2根φ273模袋，其管內流速約為5．9m/s。待噴護砂漿達到設計強度后，針對2個較大的出水引排孔，采用φ273無縫鋼管與引排孔模袋閘閥連接，將地下水沿噴護砂漿層引至底板預留集水坑內，在出口處安裝φ273逆止閥，該逆止閥出口高于底板混凝土襯砌面5cm。在施工過程中，始終保持其余引排孔地下水處于排放狀態，從而避免了因地下水壓力過大而破壞表面巖層和噴護砂漿層。為保證東端2號引水隧洞的長期安全運行，10+472出水區域采用雙層鋼筋進行混凝土澆筑。系統混凝土澆筑完成后，用鋼筋焊接固定引排管及逆止閥，使逆止閥出口垂直向上，出口高于底板混凝土面5cm，確保回填時逆止閥和引排管不會移位。逆止閥安裝位置見圖2。

圖2 逆止閥安裝位置示意圖

逆止閥引排結構原理見圖3。

集中出水點逆止閥引排工作原理:在引水隧洞單點出水量大于500L/s、壓力大于0．5MPa時，直接封堵可能會對隧洞的結構安全造成威脅。集中出水點逆止閥引排技術就是將大型堵水膜袋與逆止閥的功能并用，在引水隧洞充水發電期直接將出水排進隧洞內。由于逆止閥的作用，隧洞過流水不會再外滲到出水孔內。

4 社會效益

針對錦屏二級水電站研發出的將集中出水點引排的工藝，保證了隧洞的安全，從隧洞運行一年多時間的實際情況看，運行效果良好。隨著西部大開發戰略的不斷推進，在高壓、富水區修建深埋長大隧道都將不同程度地遇到涌水現象。錦屏工程超大流量、高水壓集中出水點引排技術可為類似長大隧洞施工提供豐富的經驗和有力的施工技術支持，特別是對于正在規劃中的雅魯藏布江大河灣的水電站具有較高的參考價值。

圖3 逆止閥引排結構原理圖

5 結語

隨著地下工程建設與環境保護要互相協調新理念的發展，以堵為主，堵排結合的隧道(洞)施工涌水處理原則已占主導地位。錦屏工程在對集中出水點的治理方面取得了重大進展，對于大于500L/s/30m出水洞段采用封堵+引排的思路，經過錦屏二級水電站東端1號、2號引水隧洞一年多時間安全運行的驗證，效果良好。錦屏工程引排水中采用的鋼結構沉箱技術、逆止閥引排技術可為類似工程借鑒和引用，具有較高的參考價值。

［1］ 陳豪雄，殷 杰．隧道工程(M)．北京:人民交通出版社，1995．

［2］ 覃仁輝，王成．隧道工程(第三版)［M］．重慶:重慶大學出版社，2011．

［3］ 汪雪英，蔡仲銀，熊建清．長大深埋隧洞工程施工技術研究［M］．鄭州:黃河水利出版社，2009．

［4］ 席光勇．深埋特長隧道(洞)施工涌水處理技術研究［D］．西南交通大學研究生學位論文．2005．1．

TV52;TV554

B

1001-2184(2015)01-0083-03

殷國權(1978-)，男，四川成都人，副總經理兼項目經理，高級工程師，學士，從事水電工程施工技術與管理工作．

(責任編輯:李燕輝)

2014-12-10