涔天河水庫工程引水發電洞內水外滲探查及處理

詹雙橋，鄭 洪，楊志明

（湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南 長沙410007）

1 工程概況

涔天河水庫擴建工程位于湖南省永州市江華瑤族自治縣境內的湘江支流瀟水上游峽谷出口處，下距江華縣城12 km。涔天河水庫系瀟水流域開發的第一個梯級，為瀟水流域開發的龍頭水庫，控制流域面積2 466 km2。

涔天河水庫擴建工程是具有灌溉、防洪、下游補水和發電，兼顧航運等綜合利用效益的Ⅰ等大（Ⅰ）型水利水電工程。水庫正常蓄水位為313 m，總庫容15.1億m3，設計灌溉面積擴大到111.5萬畝，電站裝機容量200 MW。樞紐建筑物主要包括攔河壩、泄洪隧洞、放空隧洞、引水發電系統和灌溉渠首（隧洞）等。攔河大壩為1級建筑物，設計洪水標準500年一遇，校核洪水標準10 000年一遇。

水庫正常蓄水位313.0 m，設計洪水位317.76 m，校核洪水位320.27 m。

2 引水發電洞總體布置

引水發電洞布置在右岸山體內，進口位于大壩右壩頭與1#泄洪洞之間，緊挨老壩右壩頭布置，隧洞總長499.3 m。進口段與泄洪洞平行布置，至樁號0+060.262，平面向左轉彎44.6°，軸線轉彎半徑R=50 m，至樁號0+274.223處豎向下彎，下彎段終點樁號0+339.376，高壓隧洞段與機組中心線呈60°夾角。

引水隧洞由混凝土襯砌平洞段、混凝土襯砌斜洞段、鋼板混凝土襯砌高壓平洞段等組成。隧洞沿線為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖，K0=2～70 MPa/cm，斷層、軟弱夾層等結構發育。引水發電洞洞徑9.5 m，進口底板高程256.5 m，下平洞中心線高程215 m，考慮停機水錘壓力，設計最大工作水頭140 m。

3 滲壓監測情況

自2017年6月底至2018年8月底正常蓄水位驗收前，引水發電洞共經歷4次充水——放空——充水過程，充水放空期間庫水位維持在282 m左右運行。發電洞充水前后襯砌外滲壓計監測數據反映以下現象：

1）閘門井下游漸變段洞頂滲壓計P1測值基本與庫水位持平，且不隨隧洞充水、放空而變化。

2）上平洞及斜洞段滲壓計P2～P7測值隨洞身充水、放空漲落，隧洞充水，滲壓計測值與庫水位作用水頭基本持平，隧洞放空，滲壓計測值恢復至充水前水平。

3）鋼襯段兩支滲壓計P8、P9測值隨著隧洞充水放空有少許變化，量值很小，且時間有滯后現象。

4 滲壓異常原因分析

1）滲壓與引水洞充放水相關原因分析。滲壓計P3～P7及地下水位監測孔OP9～OP11監測數據均表明，襯砌外水壓力變化與引水發電洞充水相關，多次充放水驗證，基本可以判定內水外滲現象存在。內水外滲的可能原因主要有以下幾個方面：

①洞身襯砌存在尚未發現的滲水通道。引水洞放空后多次進洞檢查發現，洞身襯砌存在裂縫滲水、施工縫滲水、灌漿孔洞滲水等現象，雖然已發現的混凝土缺陷已經處理完成，但不排除一些尚未發現的襯砌混凝土缺陷的存在，而且本工程混凝土所用水泥水化熱較高，混凝土干縮裂縫比較多。

②襯砌分段止水可能部分失效。引水洞上平洞襯砌采用鋼模臺車澆筑，每段襯砌長度9 m；斜洞段襯砌采用滿堂腳手架、普通模板澆筑，分上彎段、斜洞段和下彎段三段。襯砌厚度0.6～1.0m，各段襯砌之間設置銅片止水，止水片位于襯砌中部。洞內、特別是斜洞段施工條件較差，襯砌為薄壁結構，可能存在止水片周邊混凝土澆筑不密實、止水片安裝偏差的現象。

上述可能的襯砌質量缺陷均有可能形成滲漏通道，進而導致內水外滲。

2）滲壓僅與庫水位相關原因分析。引水發電洞進口閘門井下游滲壓計P1測值基本與庫水位持平，且不隨引水洞放空和充水變化，進口洞段山體內新增的兩個地下水位觀測孔測得地下水位與庫水位基本平齊，兩組監測數據均反映進口洞段襯砌外地下水與庫水位已經連通。分析原因認為，進口閘門豎井下游洞段洞身圍巖為Ⅲ類，洞頂及左側臨庫上覆巖體較單薄，閘門豎井和洞身在此處交叉，豎井采用自下而上全斷面爆破開挖導致圍巖松動、破碎，庫水位上升，對山體地下水進行補給，導致進口段山體地下水位與庫水位持平。

5 外部驗證及加強排水減壓處理

1）新增地下水位監測孔驗證。為了進一步驗證襯砌外滲壓計反映情況的真實性，在引水發電洞下游洞段頂部山體增設3個地下水位觀測孔，其中OP9位于上平洞末端，孔底高程269 m，OP10位于下彎段，孔底高程233 m，OP11位于洞軸線與1#滑坡體之間，孔底高程269 m。新增地下水位觀測孔見圖1。

圖1 地下水位觀測孔布置圖

2018年9月22至10月31日再次對引水發電洞放空充水，新增地下水位孔監測數據也反映與引水洞放空充水相關，監測數據見圖2。

圖2 地下水位觀測孔水位變化過程曲線圖

2018年9月22至10月31日這次放空充水過程，滲壓計和地下水位監測孔兩組監測數據反映出幾乎相同的現象及變化趨勢，隧洞充水，測值升高，隧洞放空，測值下降。兩組監測數據變化基本可以判斷引水洞充水后存在內水外滲并抬高圍巖地下水位的現象。

2）排水減壓洞延長加強排水。將2#排水減壓洞平行引水洞軸線向上游延伸，提高排水洞排水減壓效果，排水洞延長段與主洞之間圍巖厚度10 m，排水洞向上游延伸布置見圖3。加強兩個排水洞排水流量監測，如出現陡然增大現象，立即關閉引水發電洞進口檢修門、放空引水洞，采取有效措施對洞身襯砌進行檢修堵漏處理。

圖3 引水發電洞下游排水洞布置圖

平行主洞的2#排水洞延長段向上游掘進約35 m至發電洞上平洞末端對應位置時，排水洞右側壁上巖石裂隙發育部位出現明顯涌水，且有緩慢增大趨勢，引水發電洞放空，涌水量明顯減小直至為零，期間2#排水洞出口量水堰實測最大流量達13.67 L/s。排水洞涌水量進一步印證了發電洞存在內水外滲現象。

6 洞內探查及封堵處理

由于引水發電洞內水外滲現象經過多次洞內檢查處理均未得到緩解，2020年3月，項目業主引進第三方再次對引水發電洞內水外滲進行探查處理。

6.1 洞內探查

1）洞內探查要求。由于引水發電洞通氣孔尺寸僅1 m×2 m，施工吊籃及檢查設備無法經通氣孔進入引水發電洞，且有近70 m高，僅靠爬梯上下，存在一定安全風險；為了保證進洞探查方案順利實施，需從引水發電洞進口EL324平臺豎井進入發電洞洞內，利用疊梁門擋水，疊梁門門頂高程為EL287.5，需降低庫水位，保證疊梁門達到擋水條件?？紤]本次檢修時間緊、任務重、臨近汛期庫水位變化較快等因素，建議本次檢修將上述兩個通道都利用起來，分層取水門下游閘門井作為設備及人員進出主要通道，通氣孔可作為人員進出備用通道。

2）探查方法：

①無人機探查。為初步探查大的滲漏點，由于引水發電洞凈高9.5 m，擬采用無人機攝像探查，在OHP9、OHP11及2#排水洞洞內兩個觀測孔注水后采用無人機在發電洞洞內對上平洞末端及斜洞段進行攝像探查，若發現紅色或集中出水位置，即為滲漏通道，及時做好記錄。②鉆孔取芯及壓水試驗。針對引水發電洞內探查后發現的滲水部位、表面缺陷部位，及地質雷達掃描后發現的壁后有空腔的部位，進行鉆孔取芯檢查，孔徑為50 mm，孔深穿過混凝土，部分進入壁后巖層，取芯后觀察芯樣是否密實完整,并進行壓水試驗，摸清透水情況。③表觀人工探查。為更清楚地對表觀進行探查，先采用30 MPa高壓水槍對洞壁附著物進行清洗，直至出露混凝土面。上平洞人工探查采用移動式腳手架工作平臺進行。上彎段及斜洞段人工探查采用浮排，從水位高程在EL258.25開始，先對EL258.25高程以上3.0 m部位探查后，再設置2.0 m為一個探查區段，通過電站廠房控制尾水放水速度，分區段探查，直至降低水位到EL252.25。④地質雷達探查。在引水發電洞上平洞布置4條地質雷達線進行掃描檢測，根據現場實際情況將4條地質雷達線分別布置在左右拱腰、左右邊墻，在斜洞段根據施工冷縫情況，沿軸向及環向布置地質雷達線。⑤注水連通試驗。通過多次充放水時監測情況表明，下游地下水位觀測孔與引水發電洞充放水高度相關，故本次擬采用連通試驗的方法進行，在引水發電洞放水完成后，在OHP9、OHP11及2#排水洞滲水處分別采用1臺SH高壓水泵持續注水（若注水量無法滿足要求需適時增加水泵），水中增加胭脂紅食用色素，人為抬高下游上覆山體地下水位，在發電洞放水期間造成外水內滲現象。

6.2 主要探查成果

采用30 MPa高壓水槍對洞壁進行沖洗后，進行表觀檢測，通過初步表觀檢查，發現滲水點（包括未完全封堵的原灌漿孔）12處；滲水環向施工縫13處（樁號0+76至樁號0+208），上平洞滲水裂縫24處，斜洞段施工冷縫20處，滲水結構縫1處，混凝土蜂窩孔洞5處。

在引水發電洞上平洞末端及斜洞段（EL220以上）滲水裂縫、滲水結構縫處鉆孔取芯，共完成49個孔，發現部分襯砌混凝土壁后鉆孔巖芯破碎或部分壁后存在空腔。

通過對地質雷達數據采集、處理及分析發現：檢測段內混凝土襯砌所在的巖層部分輕微破碎、破碎或嚴重破碎；檢測段內發現有部位襯砌混凝土內部疏松不密實。檢測段內發現有部位混凝土襯砌與所處巖層脫空等現象。

6.3 洞內封堵處理

針對探查發現的滲水（漏水）通道，提出如下處理措施及要求：

1）結構縫漏水：

①采用柔性堵漏材料（如HW水溶性聚氨酯、堵水膠等）灌漿封堵漏水結構縫，分別鉆斜孔至止水片內側縫面和在止水片外側鉆騎縫孔灌漿；②止水片周邊襯砌混凝土澆筑不密實部位采用環氧類材料灌漿封堵；③漏水結構縫灌漿封堵后，沿縫周黏貼20 cm寬的胎基布，表面涂刷30 cm寬、3 mm厚聚脲條帶封閉。

2）襯砌混凝土澆筑不密實（含施工縫）滲水：

①針對襯砌混凝土澆筑不密實部位，采取鉆孔并用環氧類材料（如低粘度、高滲透性環氧樹脂漿液等）灌漿封堵；②襯砌缺陷灌漿封堵后，表面涂刷2 mm厚聚脲封閉，具體范圍根據滲水點分布及灌漿范圍確定。

3）灌漿孔洞封堵不密實滲水。處理措施與“2）襯砌混凝土澆筑不密實（含施工縫）滲水”相同。

4）襯砌貫穿裂縫滲水：

①在貫穿裂縫（寬度大于0.2 mm）兩側鉆斜孔，采用環氧類材料灌漿封堵；②裂縫灌漿封堵后，沿表面涂刷10 cm寬、2 mm厚聚脲封閉。

5）混凝土蜂窩、孔洞修復。對洞內混凝土蜂窩、孔洞修復處理，采用環氧砂漿進行修補。對需要修補的部位鑿成一定的深度，對已銹蝕的鋼筋除銹后，并重新植筋；基面周邊應垂直表面切除。對較深的部位，應采用分次分層回填處理的方法進行施工，層與層之間采用界面劑涂刷后再回填環氧砂漿。

6）襯砌混凝土壁后處理。由于前期對混凝土明顯滲水部位施工縫灌漿處理過程中，為了保證灌漿效果，在對施工縫處理前，采用聚氨酯灌漿材料對滲水進行封堵，發現部分位置吸漿量大，研究確定在灌入聚氨酯達到20 kg/孔后仍無壓力時，改灌水泥-水玻璃雙液漿進行充填。

7 處理效果

本次洞內封堵處理完成后，在2020年4月14日對發電洞進行充水，充水前2#排水洞流量0.82 L/s，充水后流量1.51 L/s（包含地下水及降雨影響），增幅0.69 L/s；處理前最大流量達13.67 L/s，平均流量10.48 L/s，減小幅度達85.6%，減小明顯。

近2個月運行期庫水位上漲至EL303 m時，在遇長時間強降雨情況下，2#排水洞流量2.23 L/s；同比2019年庫水位EL303 m時，2#排水洞流量10.64 L/s，本次處理后減小幅度達79.0%，監測結果表明，處理后的效果達到了預期要求。