錦屏二級水電站引水隧洞圍巖固結(jié)灌漿設計與實踐

何 江，陳念輝，潘益斌

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 310014）

1 工程概況

錦屏二級水電站利用雅礱江150 km 長的大河彎，截彎取直，開挖隧洞集中水頭引水發(fā)電。電站最大水頭321 m，額定水頭288 m，共安裝8 臺混流式水輪發(fā)電機組，單機容量600 MW，總裝機容量4800 MW，是雅礱江上水頭最高、裝機規(guī)模最大的水電站。工程引水系統(tǒng)采用4洞8機布置，4條引水隧洞、兩條輔助洞和一條施工排水洞平行布置，自西向東橫穿跨越近南北向展布的錦屏山。單條引水隧洞平均洞線長度約16.7 km，隧洞開挖直徑14.4～12.4 m，隧洞中心距60 m，底坡3.65‰，隧洞承受的最大內(nèi)水壓力約0.81 MPa。隧洞沿線上覆巖體一般埋深1500～2000 m，最大埋深約為2525 m，全洞平均埋深約1610 m，其中埋深大于1500 m的洞段長度占全洞長度的75%左右，最大初始地應力超過70 MPa；錦屏二級引水隧洞具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點，為超深埋長隧洞特大型地下水電工程。

引水隧洞沿線穿越的主要地層為三疊系中統(tǒng)大理巖，碳酸鹽巖占70%～80%，穿越地層地下水豐富，而且埋深大、地應力高；因此，引水隧洞沿線圍巖開挖響應特征主要表現(xiàn)為：①東西兩端各約1.5 km 靠岸坡洞段范圍，巖溶相對發(fā)育，出現(xiàn)廳堂式大型溶腔、溶洞，并存在數(shù)十處直徑或?qū)挾却笥?.5 m的中小型溶洞與溶蝕寬縫；②大理巖溶蝕裂隙發(fā)育，富水性強、地下水豐沛，開挖揭露的地下水表現(xiàn)出水量大、水壓高、隨機性強、排泄時間長、衰減緩慢的特點；③引水隧洞埋深大、地應力高、圍巖強度應力比低（70%以上的洞段小于2），導致隧洞沿線圍巖表層開挖引起的高地應力卸荷松弛破壞普遍且嚴重，破碎松弛深度一般在1～3 m范圍；④隧洞沿線地質(zhì)條件復雜，開挖揭露出的一些斷層破碎帶與綠泥石片巖軟巖洞段等地質(zhì)缺陷區(qū)域。

錦屏二級水電站裝機規(guī)模巨大、工程等級高、引水隧洞洞線長、工程地質(zhì)條件復雜，中部地下水較發(fā)育、外水壓力較高，引水隧洞末端近岸坡段巖溶相對發(fā)育，地下水位低，內(nèi)水外滲風險較大。另外，由于引水系統(tǒng)規(guī)模巨大、引水隧洞洞線長，機組負荷變化過程中水道系統(tǒng)壓力波動周期長、衰減較慢，引水隧洞將承受由16.7 km 長隧洞特征帶來的頻繁水力波動荷載。為了保證引水隧洞結(jié)構穩(wěn)定安全、防止末端內(nèi)水外滲和中部洞段高外壓力的水力滲透破壞，針對引水隧洞現(xiàn)場開挖揭露實際地質(zhì)條件，科學合理的固結(jié)灌漿設計顯得尤為重要。

2 引水隧洞固結(jié)灌漿設計

錦屏二級水電站引水隧洞結(jié)構設計遵循圍巖是隧洞主要的承載與防滲結(jié)構的設計思想，即把引水隧洞圍巖作為承載及防滲的主體，利用噴錨支護體系及時提供圍壓，達到圍巖～支護體系的聯(lián)合承載效果。引水隧洞固結(jié)灌漿主要目的是加固引水隧洞周邊圍巖，提高圍巖的承載力和抗?jié)B能力，以確保引水隧洞的圍巖穩(wěn)定及滲透穩(wěn)定。灌漿加固圈是保證圍巖保持永久穩(wěn)定，并與支護體系和混凝土襯砌共同承受圍巖壓力和外水壓力的重要結(jié)構。

錦屏二級引水隧洞洞線超長，沿線穿越地質(zhì)條件復雜多變，不同巖性開挖過程中的力學響應特征、力學特性差別較大，如巖溶相對發(fā)育、內(nèi)水壓力大于外水壓力的引水隧洞末端與外水壓力遠高于內(nèi)水壓力的引水隧洞中部的差別，以及硬質(zhì)大理巖與軟質(zhì)綠泥石片巖等的差別。為了保證引水隧洞結(jié)構穩(wěn)定安全、防止岸坡洞段內(nèi)水外滲和中部洞段高外水內(nèi)滲的水力滲透破壞，根據(jù)開挖過程中揭露的實際地質(zhì)情況和工程承載與防滲的需要，將錦屏二級引水隧洞固結(jié)灌漿細分為如下4大類：

（1）A 型灌漿。應用于主出水帶區(qū)域洞段的高壓防滲固結(jié)灌漿，包括無蓋重的深層高壓防滲固結(jié)灌漿及有蓋重的表層固結(jié)灌漿。

（2）B型灌漿。應用于出水帶影響區(qū)，以及開挖期間出水、后期干涸洞段的高壓防滲固結(jié)灌漿，基本為有蓋重固結(jié)灌漿。

（3）C 型灌漿。應用于常規(guī)破碎圍巖及巖溶發(fā)育洞段的常規(guī)固結(jié)灌漿，包括巖溶洞段的裸巖固結(jié)灌漿及襯砌后的固結(jié)灌漿（綠泥石片巖洞段的灌漿也劃歸此類）。

（4）D 型灌漿。應用于引水隧洞沿線高地應力下表層松弛破壞的淺層固結(jié)灌漿，基本為有蓋重固結(jié)灌漿。

2.1 高壓防滲固結(jié)灌漿設計

水工隧洞高壓防滲固結(jié)灌漿目的是加固隧洞圍巖、封閉隧洞周邊巖體裂隙，提高隧洞圍巖的整體性和抗變形能力，增強圍巖抗?jié)B能力和長期穩(wěn)定滲透比降，引水隧洞防滲灌漿加固圈是隧洞圍巖承載和防滲阻水的主要結(jié)構，也是控制滲漏量的重要結(jié)構。

錦屏二級水電站引水隧洞橫穿錦屏山，埋深大，揭露地下水流量大、壓力較高，據(jù)統(tǒng)計，4條引水隧洞施工期共揭露流量大于50L/s 涌水點42 個，其中流量大于1 m3/s的涌水點達6個。前期勘察實測外水壓力高達8 MPa，若依靠常規(guī)的鋼筋混凝土襯砌承載巨大的外水壓力是不可能的，通過灌漿加固周邊圍巖使其成為承載和防滲阻水的主要結(jié)構，是本工程隧洞防滲結(jié)構設計的主要思想。為此，集中出水洞段通過高壓防滲固結(jié)灌漿形成一定厚度的有效防滲灌漿圈，以降低圍巖的滲透系數(shù)，實現(xiàn)承載和阻水的設計目的。因此，集中涌水帶及其影響范圍，在混凝土襯砌前，結(jié)合堵水灌漿進行10～15 m深孔無蓋重防滲灌漿，將地下水推至安全距離之外，確保后續(xù)混凝土和灌漿順利施工，同時形成一定厚度的防滲灌漿圈；混凝土襯砌后，再進行6.0 m防滲固結(jié)灌漿，以有效加強隧洞周邊相對淺層圍巖（1 倍隧洞半徑）的灌漿質(zhì)量，實現(xiàn)襯砌混凝土與灌漿圈內(nèi)圍巖的聯(lián)合承載，確保設計目標的實現(xiàn)。

依據(jù)上述灌漿設計原則，實施過程中將高壓防滲固結(jié)灌漿分為A、B兩種類型，對于主出水帶且灌漿施工時地下水出露的洞段采用A 型防滲固結(jié)灌漿，灌漿孔入巖深度6.0 m（局部區(qū)域根據(jù)現(xiàn)場實際情況加深至12 m），排距3.0 m，每排16孔，根據(jù)涌水段實際地下水發(fā)育情況，局部洞段可加密灌漿孔，排距2 m，每排20孔。對于出水帶及外圍影響區(qū)，且灌漿施工時已基本干枯的洞段采用B型防滲固結(jié)灌漿，灌漿孔入巖深6.0 m，排距3 m，每排16孔。

灌漿壓力的選擇：引水隧洞施工階段由于地下水經(jīng)輔助洞、施工排水洞的長期排泄，錦屏山地下水位線大幅降低，引水隧洞施工期揭露的最大涌水壓力3～4 MPa，引水隧洞東、西兩端則更低。結(jié)合錦屏二級水電站地下水“以堵為主、堵排結(jié)合”的處理原則，西端引水隧洞防滲固結(jié)灌漿壓力取3.0 MPa，其他洞段除孔口段外統(tǒng)一取6.0 MPa。

2.2 常規(guī)破碎圍巖固結(jié)灌漿設計

2.2.1 C型固結(jié)灌漿

引水隧洞沿線局部洞段圍巖破碎，須通過高壓灌入的水泥漿液固結(jié)破碎巖塊，改善巖體的力學性能，提高其承載能力和圍巖的抗?jié)B性能。引水隧洞斷層破碎圍巖固結(jié)灌漿（劃歸為C型灌漿，灌漿孔全斷面發(fā)散布置）主要針對大理巖的Ⅳ類及以下圍巖洞段進行，灌漿孔入巖深度一般為6.0 m（不良地質(zhì)洞段灌漿孔深加深至12 m），灌漿孔間排距根據(jù)地質(zhì)情況確定為2.0～3.0 m，對稱布置，灌漿壓力3.0～6.0 MPa。

2.2.2 D型固結(jié)灌漿

引水隧洞穿越最大覆蓋厚度2525 m的錦屏山，大部分洞段埋深在1000 m以上，沿線最大地應力水平超過70 MPa。理論分析和現(xiàn)場開展的大量原型監(jiān)測顯示：

（1）現(xiàn)場實際情況表明，高地應力集中釋放的“巖爆”現(xiàn)象發(fā)生后，其周邊圍巖將持續(xù)出現(xiàn)破裂、松弛、剝落等破壞，圍巖的強度、承載力受到嚴重削弱，需進行有效的固結(jié)灌漿進行加固。

（2）高應力作用下，開挖后完整的圍巖由于系統(tǒng)支護不及時等局限性，巖體將不斷劣化，損傷區(qū)范圍也將向深部一定范圍擴展。

（3）長期處于高應力、高滲透壓環(huán)境下，部分錨桿系統(tǒng)可能面臨失效，加上錨桿支護時間滯后等問題，僅在施工期進行噴錨支護的圍巖體在運行期存在較大的安全風險，采用混凝土襯砌作為二次支護手段以保證引水隧洞圍巖長期穩(wěn)定、提高隧洞安全可靠度是非常必要的，而固結(jié)灌漿作為襯砌補強手段在這類地質(zhì)條件洞段顯得必不可少。

引水隧洞在高地應力洞段，須進行淺層固結(jié)灌漿加固（D 型固結(jié)灌漿），以加固洞壁表層已松弛巖體。灌漿孔入巖深度要求穿越松弛區(qū)，灌漿孔間排距滿足邊頂拱灌漿圈的形成，灌漿壓力在常規(guī)灌漿技術要求范圍內(nèi)盡量取上限，以提高灌漿補強質(zhì)量。根據(jù)現(xiàn)場實際檢測成果，引水隧洞沿線高地應力圍巖松弛深度一般為1～3 m，部分IV 類圍巖及埋深較大洞段松弛深度超過4.0 m。因此確定D 型固結(jié)灌漿孔深為3.0～6.0 m，間排距3.0 m，每排16 孔，灌漿壓力取3.0～6.0 MPa。

2.3 巖溶發(fā)育洞段的固結(jié)灌漿設計

錦屏二級水電站引水隧洞沿線多處于淺變質(zhì)大理巖中，圍巖屬強富水性可溶巖。雖然整體巖溶不發(fā)育，但近岸坡段巖溶較集中發(fā)育，并以豎直型巖溶裂隙通道為主，局部呈中、小規(guī)模溶洞，巖溶率相對較低。且?guī)r溶發(fā)育洞段多位于引水隧洞末端，毗鄰地下廠房及高壓管道，內(nèi)水壓力高，發(fā)生內(nèi)水外滲的后果嚴重，是錦屏二級水電站工程的重點防滲區(qū)域。因此，巖溶洞段的固結(jié)灌漿目的主要是防滲（內(nèi)水外滲）和補強（劃歸為C類灌漿）。考慮施工進度及結(jié)合巖溶處理原則，引水隧洞巖溶洞段固結(jié)灌漿分為兩步完成，第一步即在引水隧洞完成噴錨支護后進行圍巖深層低壓無蓋重裸巖固結(jié)灌漿，第二步在引水隧洞完成混凝土襯砌之后進行的淺層高壓有蓋重固結(jié)灌漿。

裸巖灌漿是一種低壓充填型灌漿，在噴混凝土支護施工完成后進行。一方面可以滿足灌漿過程中的圍巖穩(wěn)定需要；另一方面可以利用噴層提供一定的蓋重，減少漏漿，減少浪費。灌漿材料可以根據(jù)巖溶空腔體積大小以及灌漿過程中的耗灰量不同分別考慮采用混凝土、細石混凝土、水泥砂漿以及純水泥漿。同時通過裸巖灌漿鉆孔可以揭露隧洞周邊的“潛伏”性溶洞，探明“潛伏”性溶洞的發(fā)育情況，以便在混凝土襯砌前制定專門的處理措施。灌漿加固深度宜按洞徑和水力滲透梯度要求確定，裸巖灌漿壓力則根據(jù)內(nèi)水壓力及圍巖條件綜合確定。根據(jù)規(guī)范要求，固結(jié)灌漿孔深入巖的深度不低于1倍隧洞半徑，灌漿壓力一般為1～2倍內(nèi)水壓力；同時按圍巖抗?jié)B透穩(wěn)定要求考慮，根據(jù)類似工程經(jīng)驗，需確保圍巖承受的水力梯度不超過5。綜合以上兩點要求，裸巖灌漿壓力取1.5～2.5 MPa，灌漿孔深度取12～20 m，表層0～4 m 段不進行裸巖固結(jié)灌漿。

對于隧洞沿線孔隙較大圍巖，襯砌前無蓋重裸巖灌漿吸漿量大，灌漿效果好，但由于裸巖灌漿壓力受邊界條件限制無法提高，灌漿密實度和可靠度不高，漿液擴散半徑有限，尤其是表層不具備良好的壓力灌漿條件。且裸巖灌漿僅針對巖溶集中發(fā)育洞段，因此為有效防止內(nèi)水外滲，混凝土襯砌后有必要進行有蓋重固灌漿加強處理。襯砌后固結(jié)灌漿排距2.0 m，每排20孔，孔深入巖6.0 m（約一倍隧洞半徑，與裸巖灌漿表層0～4 m 未灌漿段有一個2 m的搭接段）。考慮內(nèi)水壓力、灌漿質(zhì)量及耐久性等方面因素，東端近岸坡段（調(diào)壓室上游側(cè)約1.3 km范圍）及引水隧洞中部巖溶發(fā)育段襯砌后固結(jié)灌漿提高壓力至6.0 MPa，西端巖溶段襯后固結(jié)灌漿仍為3.0 MPa。

2.4 綠泥石片巖洞段灌漿設計

引水隧洞西端T1 地層綠泥石片巖主要出露在1號引水隧洞與2號引水隧洞。綠泥石片巖巖體強度低，具有遇水軟化特性；出露地層的埋深較高，一般在1550～1850 m 之間，在高地應力條件下顯現(xiàn)出典型的軟巖破壞特征。綠泥石片巖段施工期塌方、圍巖大變形、支護結(jié)構損壞等情況時有發(fā)生，其中1號、2號引水隧洞共發(fā)生大規(guī)模坍塌4次，單次坍塌方量為500～1000 m3。開挖支護后，經(jīng)實測有約一半的斷面最大變形超過了0.5 m，其中最大變形量約1.2 m。針對綠泥石片巖的大變形問題，現(xiàn)場采取了二次擴挖等工程處理措施。

綠泥石片巖大變形洞段巖性較為軟弱，淺部圍巖卸荷松弛，RQD 值較低，以及經(jīng)受施工期洞室開挖的施工擾動、長期變形和地下水侵蝕等影響后圍巖承載能力減弱，需要進行松動圈及深部圍巖的固結(jié)灌漿，以改善巖體的力學性能，減少流變變形，提高巖體自身承載能力和抗?jié)B性能，減少襯砌負荷。現(xiàn)場試驗成果表明:灌漿加固對圍巖質(zhì)量有一定的提高作用，波速提高大概在6%左右。根據(jù)現(xiàn)場灌漿試驗，9 m的灌漿深度能夠滿足設計要求，孔口0～3 m 是低波速集中區(qū)域，需要重點補充加固。綠泥石片巖固結(jié)灌漿分為三步：裸巖固結(jié)灌漿、襯后普通水泥灌漿和細水泥灌漿。

（1）裸巖固結(jié)灌漿。裸巖固結(jié)灌漿主要針對綠泥石片巖大塌方洞段，通過隧洞落底開挖前對上半斷面隧洞系統(tǒng)塌方空腔采用水泥漿液或混凝土進行回填，灌漿和回填范圍距離隧洞洞周不小于12 m，灌漿壓力1.5～2.0 MPa。

（2）普通水泥灌漿。隧洞襯砌后，通過高壓固結(jié)灌漿對引水隧洞承載范圍內(nèi)的巖體進行全斷面系統(tǒng)加固，提高圍巖的整體性、抗?jié)B性和抗變形能力。普通水泥固結(jié)灌漿孔深為9 m，灌漿壓力3～6 MPa。

（3）超細水泥灌漿。超細水泥灌漿在普通水泥灌漿完成并檢查合格的基礎上進行，對巖體內(nèi)的隱性裂隙和局部脫空死角進行補強加固，達到進一步提高圍巖承載、防滲和耐久性的目的，超細水泥灌漿孔深為4 m，灌漿壓力2～3 MPa。

3 固結(jié)灌漿質(zhì)量檢查及合格標準

錦屏二級引水隧洞固結(jié)灌漿質(zhì)量采用壓水檢查為主、聲波檢查為輔的雙重控制標準。壓水試驗采用單點法，檢查孔數(shù)量不少于灌漿孔總數(shù)的5%，聲波檢查孔數(shù)量不少于灌漿孔總數(shù)的2%。灌后檢查合格標準，根據(jù)引水隧洞不同部位防滲要求及重要程度的不同而有所區(qū)別。

對于A、B 類灌漿段，當灌漿壓力不大于3 MPa時，檢查孔壓水試驗壓力為1.0 MPa，85%以上試段的透水率不大于1.0 Lu，其余試段的透水率值不超過1.5 Lu，且分布不集中時為合格；當灌漿壓力大于3 MPa 時，檢查孔壓水試驗壓力為2.0 MPa，85%以上試段的透水率不大于3.0 Lu，其余試段的透水率值不超過4.5 Lu，且分布不集中時為合格。

對于C、D 型固結(jié)灌漿，壓水試驗壓力為均為1 MPa，85%以上試段的透水率不大于1.0 Lu，其余試段的透水率值不超過1.5 Lu，且分布不集中時為合格。

襯后固結(jié)灌漿灌后聲波檢查合格標準為85%的測試值不小于4500 m/s，小于4250 m/s 的測試值不超過3%，且分布不集中時為合格。

鑒于錦屏二級引水隧洞工程等級高、隧洞防滲要求嚴格，為確保灌漿質(zhì)量滿足設計要求，施工過程中除強化現(xiàn)場灌漿質(zhì)量過程管理和在監(jiān)理工程師監(jiān)督下進行灌后質(zhì)量檢查外，建設方還引進了獨立的第三方進行灌后質(zhì)量檢查。以先期投產(chǎn)的1號引水隧洞為例，1 號引水隧洞灌后第三方共抽檢1515 段壓水試驗，其中一次合格1507 段，一次合格率達99.5%，巖體質(zhì)量得到有效改善。

4 結(jié)語

錦屏二級水電站引水系統(tǒng)隧洞的整體設計思路是以圍巖作為承載及防滲的主體，混凝土襯砌起到減糙、與圍巖聯(lián)合承載及保護表層圍巖的作用，而灌漿圈是加固圍巖、提高圍巖承載能力的重要結(jié)構。從灌漿效果來看，錦屏二級水電站圍巖巖性為大理巖，有良好的可灌性，通過灌漿可有效地減小圍巖透水率、提高圍巖彈性抗力系數(shù)及波速。設計根據(jù)不同圍巖條件下的地質(zhì)缺陷問題，提出了不同類型的固結(jié)灌漿方式，有針對性的通過固結(jié)灌漿完成了各種圍巖條件下的缺陷處理，達到了較好的預期效果。以先期投產(chǎn)的1號引水隧洞為例，2012年10 月，1 號引水隧洞一次充水成功，16.7 km 的引水隧洞實測滲漏量僅18.58 L/s，小于設計允許滲漏量；同年底1 號引水隧洞正式投產(chǎn)運行，至今已安全運行近8個年頭。錦屏二級水電站引水隧洞圍巖固結(jié)灌漿的成功設計經(jīng)驗可供類似工程參考。