大斷面泄洪洞突泥涌水防治技術研究*

張良平，雷 文，婁彩紅，薛新華

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611700； 2.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065)

0 引言

突泥涌水是指地下工程施工中遇到暗河、溶洞、承壓水等不良地質情況發生較大

規模的涌水、涌泥事故，一般以水、淤泥、泥沙為載體迅速突出，是地下洞室工程施工特別嚴重的地質災害之一，一般地質條件下不易發生，但由于其具有較強的隱蔽性和不可預見性，極易造成嚴重的經濟損失，甚至造成人員傷亡。近年來，隨著我國地下工程建設的快速發展，突泥涌水這一地質災害常有發生，這給安全順利施工造成較大威脅[1-10]。為此，許多學者在突泥涌水的風險評估及防治手段等方面進行了研究。例如，劉欽等[11]從地質學角度分析了龍潭隧道F2斷層處突泥涌水機理，得出產生突泥涌水的必要條件，提出一系列工程措施以完成該工程施工；袁永才等[12]基于對突泥涌水災害源地質和地球物理場前兆信息的研究，建立了突泥涌水災害綜合前兆信息判識體系，并將其應用于尚家灣隧道，效果良好；李朝陽等[13]以雙豐隧道為基礎，選取被侵入圍巖的透水性、接觸帶巖體基本質量指標、接觸帶巖體風化程度等7個指標對侵入接觸型隧道突泥涌水危險性進行評估，建立變權理論與靶心貼近度法相結合的優化評估模型等。

結合大崗山水電站泄洪洞施工期出現突泥涌水的工程實例，首先通過現場物探檢測及室內力學性能試驗對該工程的地質條件進行分析，之后進行風險分析，最后相對應地提出突泥涌水的防治手段，可為類似的水電站泄洪洞突泥涌水防治提供參考。

1 工程概況

大崗山水電站是大渡河干流水電規劃的第十四級電站，電站壩址位于瀘定—石棉段的大渡河中游，占全流域面積的81%。大崗山水電站最大壩高210m，最大水頭178m，最小水頭156.8m，額定水頭160m，發電引用流量1 834m3/s。

大崗山水電站泄洪洞由進水口、洞身段、出口段與下游防護工程組成。泄洪洞長度為1 077.50m，縱坡i為0.103 9。開挖斷面寬16m、高21m，開挖斷面面積接近335m2，為特大斷面洞室。泄洪洞進水口堰頂高程1 110.000m，引渠段底高程1 100.000m，塔頂高程1 135.000m，塔體尺寸為38.5m×27.0m×20.0m(長×寬×高)。堰面曲線下游在高程1 106.770m處與30°斜坡相接，斜坡后接半徑為50.0m的反弧，后接無壓泄洪洞，起點底高程為1 098.320m。無壓隧洞段縱坡i為0.103 9。無壓洞凈空斷面尺寸為(14.00～16.00)m×(18.00～20.00)m(寬×高)。泄洪洞出口底高程為990.000m。

2 工程地質條件分析

2.1 進口區

進口明渠段長80m，其中0+040—0+000為閘室段。在進口區閘室段0+014—0+036發育β147(f127)巖脈破碎帶，寬約13m，均屬Ⅲ2～Ⅴ1類巖體。

2.2 洞身段

泄洪洞洞身段為新鮮花崗巖，局部出露輝綠巖脈，其中前段為肉紅色中粒正長花崗巖，后段為灰白色、微紅色中粒黑云二長花崗巖。裂隙密集帶、斷層、巖脈破碎帶為Ⅳ，Ⅴ類圍巖，在0+025，0+040，0+704—0+715，1+000—1+022等處可能遇f129，f131，β139，β104(f98)等巖脈破碎帶及斷層，其走向與洞向斜交，需采取相應支護處理措施。主要工程地質問題有以下幾個方面：①泄洪洞進出口洞段置于風化、卸荷巖體中，圍巖以Ⅳ類圍巖為主，成洞條件較差，需采取相應的支護措施；②花崗巖巖體中除上述f129，f131，β139，β104(f98)等巖脈破碎帶及斷層外，尚隨機發育有輝綠巖巖脈破碎帶及斷層，施工中應及時支護；③泄洪洞過大崗山山脊洞段洞室深埋、巖體完整有發生巖爆的可能，應注意防治；④斷層破碎帶及其影響帶、輝綠巖脈破碎帶、裂隙密集帶等含水一般較豐富，常有囊狀水存在，施工中有可能發生涌水突泥地質災害，應加強排水及支護措施。

2.3 出口區

3 現場物探檢測

3.1 檢測方法與儀器設備

在泄洪洞施工過程中，由于地質條件復雜多變，且根據招標地質條件分析，泄洪洞洞身段存在2種不同類別的花崗巖，同時存在不同程度的風化和蝕變現場，巖脈、斷層破碎帶密集分布，因此需采取一定措施對圍巖地質條件進行量化測試，同時尋求一種快速、簡便的現場檢測方法，為調整開挖方法和支護參數提供及時指導。在對比測試過程中，綜合使用以下幾種方法。

1) 單孔聲波檢測 檢測過程中采用的聲波檢測設備為RS-ST01C型智能巖石聲波檢測儀和RS-SD30型單孔一發雙收換能器。單孔聲波在無金屬套管、有水耦合的鉆孔中檢測；探頭采用一發雙收裝置，發射與2個接收換能器距離分別為30，50cm。從孔底向孔口檢測，移動步距0.2m。

2) 表面聲波檢測 采用的聲波檢測設備為RS-ST01C型智能巖石聲波檢測儀和RS-P40平面換能器，主要在較平整的巖面上進行，檢測點距5～20cm。

3) 地震波速測試 在較平整的巖面上進行，使用TOPBOX型振動自記儀和速度傳感器。測試中使用錘擊作為震源，測點間距為0.4～1.0m，檢測采樣頻率為50K(采樣間隔20μs)。

4) 穿透聲波檢測 主要針對在邊坡和地下廠房取得的巖塊樣本。穿透聲波檢測中采用的聲波檢測設備為RS-ST01C型智能巖石聲波檢測儀和RS-P40平面換能器。穿透聲波在取得的巖塊樣本上進行檢測。

3.2 檢測結果

1) 單孔聲波檢測 從檢測結果看，各孔波速值隨深度變化較小，但0+200處各孔聲波孔波速平均值均在2 000m/s以下，2組聲波檢測的波速平均值分別為1 748，1 793m/s，相對于一般花崗巖而言，該部位波速值明顯偏低，說明巖石相對疏松偏軟。

2) 表面聲波檢測 在單孔聲波檢測孔附近進行了表面聲波檢測，表面聲波檢測反映的巖體聲波波速平均值為1 513，1 741m/s。0+150樁號表面聲波檢測反映的該部位巖體聲波波速平均值為3 958m/s。

3) 地震波波速測試 針對出口段附近部位巖體，進行了地震波波速測試，測試過程中，測距為0.4～1.0m，共進行5次測試。地震波波速測試反映的該部位巖體波速平均值為2 048m/s。

4) 巖樣穿透聲波檢測 針對0+190—0+220部位，在4個場次爆破后的石碴中選取4個典型巖樣，進行了穿透聲波檢測，檢測過程中，針對每個巖樣分別進行5次測讀。穿透聲波檢測反映所檢測巖樣代表巖體聲波波速分布在1 904～2 203m/s，平均 值為2 009m/s。針對出口段附近部位，在爆破后的石碴中選取3個典型巖樣，進行了穿透聲波檢測，檢測過程中，針對每個巖樣分別進行5次測讀。穿透聲波檢測反映該部位巖體聲波波速分布在1 682～2 358m/s，平均值為2 052m/s。從0+310處爆下的石碴中選取4個典型巖樣，進行穿透聲波檢測，檢測過程中，針對每個巖樣分別進行5次測讀。穿透聲波檢測反映該部位巖體聲波波速分布在2 789～4 776m/s，4個巖樣中1個巖樣的波速值為2 789m/s，其余3個巖樣的波速值均在4 000m/s以上。4個巖樣的波速平均值為3 902m/s。

4 室內力學性能試驗

大崗山水電站泄洪洞工程開挖施工過程中，通過現場聲波檢測發現，泄洪洞工程存在局部外觀看似比較完整的巖體聲波波速值卻出現明顯偏低現象。因此，在泄洪洞不同洞段分別取2組巖樣進行室內巖石力學試驗比較，試驗成果如圖1所示。

圖1 第1～4組應力-應變關系曲線

室內試驗成果表明：泄洪洞出口洞段取樣部位巖石的風干密度、縱波波速、抗壓強度、彈性模量、割線模量等物理力學指標明顯比進口洞段的要低，室內所測波速一般低于2 000m/s，與現場檢測值較吻合，說明泄洪洞工程局部巖體結構較疏松，巖體力學特性較差。

5 突泥涌水風險分析

按不同工程部位和檢測方法對泄洪洞巖體物探檢測結果進行統計可看出，不同檢測方法得到的同一工程部位的巖體聲波波速值具有很好的一致性。

從各工程部位的波速值對比可看出，不同區段的巖體質量存在很大差別。巖樣穿透聲波檢測的結果在一定程度上反映了完整巖體的聲波波速。例如，泄洪洞工程局部灰白色、微紅色中粒黑云二長花崗巖的完整巖體平均波速值在2 000m/s左右，而肉紅色中粒正長花崗巖完整巖體的平均波速值基本達到4 000m/s左右。單孔聲波、表面聲波和地震波波速檢測的結果反映出泄洪洞工程巖脈、破碎帶部位巖體波速值甚至<2 000m/s。

檢測結果表明，局部外觀上看似完整的巖石，其波速值很低，且局部裂隙、破碎帶和巖脈發育部位，巖體較疏松，其強度也偏低。

結合室內巖石力學檢測結果說明，對于同處于泄洪洞工程中不同部位的巖體，其物理力學性能差異性較大，洞身段不同部位，特別是近斷層、巖脈部位巖體力學性能變化極大，局部花崗巖巖體強度偏低，易風化，需采取一定針對性措施，以保證施工安全。

根據現場地質條件調查，結合現場物探檢測和室內巖石力學檢測分析，大崗山泄洪洞工程突泥涌水等類似地質災害主要存在以下2個方面的風險。

1) 泄洪洞局部巖石力學性能較差洞段易出現塌方風險

對于泄洪洞工程，后期開挖揭示情況表明，約80%洞段屬于IV，V類及以下類別巖石，該部分洞段由于巖體力學性能較差，同時局部裂隙發育，存在易風化等特點，在開挖過程中如果由于支護強度不夠，可能存在大面積塌方等風險。根據該工程現場地質條件調查分析，在泄洪洞內上、下游兩段，存在2種差別較大的花崗巖，部分看似巖體完整的洞段，其巖石的力學性能相當低，而局部由于斷層、裂隙帶分布密集，即便斷層兩側，巖體力學性質差異性也非常大，因此有必要針對泄洪洞工程采取一種簡便、快速的現場檢測方法，以迅速獲得判別巖石類別的量化數據，為選取合適的支護參數提供參考和依據。

根據幾種現場物探檢測方法的對比分析，巖樣穿透聲波方法具有快速、簡便的優勢，無須鉆孔，只需在爆碴中選取合適的巖樣，利用聲波檢測儀器，現場即可獲得巖體聲波數據，結合揭露巖體裂隙分布情況，可做出圍巖類別的初步判斷，為選取合適的支護參數和開挖方法提供參考。

2) 泄洪洞巖脈、破碎帶和斷層部位易出現突泥涌水風險

泄洪洞進口、出口及中部相關部位破碎帶和巖脈分布密集，同時大崗山地區雨水豐富，地下水易通過雨水得到補給，同時基巖裂隙水的存在使巖脈、破碎帶和斷層部位出現突泥涌水風險增大(見圖2)。

圖2 隧洞滲水情況

根據工程區域調研，在前期施工中，由于巖脈影響，隧洞頂拱部位出現過塌方情況。在塌方前采取了掛網噴混凝土支護，而在開挖爆破后，巖脈部位開始有小塊巖石掉落，后續整個塌方過程近似卸料過程，最后形成一個近乎完整的圓錐形(見圖3)，且塌方巖體非常破碎。

圖3 巖脈破碎帶部位塌方情況

由上述分析可看出，在泄洪洞巖脈、破碎帶、斷層等部位，塌方風險一直伴隨存在，如果由于地下水的影響，上述塌方便可能演變成洞內泥石流，因此針對突泥涌水風險的預防，應對斷層破碎帶、巖脈等部位重點考慮，注意觀察破碎帶填充物和地下水情況，即便地下水不發育部位，也應對巖石破碎程度重點關注，以防發生大型塌方。

針對泄洪洞內存在的突泥涌水風險，結合地質條件分析，防范措施應關注6個方面。

6 防治技術

泄洪洞建筑物區洞身段多處存在巖脈破碎帶及斷層，局部發育有裂隙密集帶、斷層或巖脈破碎帶。斷層破碎帶及其影響帶、輝綠巖脈破碎帶、裂隙密集帶等含水一般較豐富，常有囊狀水存在，地下水豐富，施工中易發生突泥涌水地質災害。盡管隧洞施工突泥涌水為常見的地質災害，但多為公路、鐵路隧洞，施工斷面規模較本工程泄洪洞要小，防治難度相對較小。因此，為保證泄洪洞施工人員安全及施工順利進行，有必要針對突泥涌水采取有針對性措施。

針對地下洞室突泥涌水這一特殊的洞內“泥石流”，為避免發生重大人員傷亡和財產損失，重要在于防治，即預先采取治理措施，以免突泥涌水發生，導致嚴重后果，產生經濟損失，并影響施工進度。從超前排水、預注漿阻水和加固圍巖等方面開展研究，確定突泥涌水的防治技術和措施。

針對施工過程中可能出現的大涌水、突泥等特殊情況，開展封堵和治理技術研究，從封堵、回填等方面開展有針對性的治理技術研究，總結得到一套有效的突泥涌水封堵技術方案。

1) 超前鉆孔排水法 即采用專業地質鉆機進行鉆孔，利用成孔對巖層內的囊狀水進行自然順流排至掌子面，為便于操作及利于施工，一般鉆進深度為12m。鉆孔的孔位(孔底)應在水流上方，鉆孔時孔口必須有保護裝置，防止事故發生；鉆孔完成后應在孔口安裝一口徑與孔口同樣大的PVC管，以便集中排水，鉆孔出的水必須及時排至洞外，防止集中在掌子面浸泡洞室。

2) 輔助導坑排水法 即采用在掌子面部位超前開挖一導洞進行排水，輔助導洞的設置應接近正洞標高且低于正洞的底標高；輔助導洞應超前開挖掌子面 10m 以上，至少要超前2個施工工序；在采用輔助導洞排水法施工中，必須高度重視做好防排水工作，務必將涌水或裂隙水引至洞內設置的排水系統中。

3) 超前小導管注漿法堵水、止水 地下洞室開挖過程中針對可能出現突泥涌水時最常用的方法是超前小導管注漿法堵水、止水。此方法不僅能防治突泥涌水發生，且對洞室有較好的安全穩定作用。采用此方法時，應根據取芯情況準確判斷出前方地質狀況；在掌子面拱弧段按設計將小導管超前打入前方巖石內，利用小導管向前方的巖層進行灌漿，將前方的破碎帶、裂隙等不良地質狀況進行固結使其形成整體。

4) 承壓水排放和高壓水處理施工法 在地下洞室施工中，當發現開挖工作面前有承壓水時，在不影響圍巖穩定的情況下，可采用注漿前排水降壓，也可采用超前鉆孔、輔助坑道排水，但必須超前10～20m距離，最短不低于2倍掘進進尺。

7 結語

依托大崗山水電站泄洪洞施工項目，針對工程中出現的突泥涌水問題，進行了有效地質分析，對突泥涌水的綜合治理進行了探究，得出以下結論。

1)現場和室內物探檢測結果表明，對于泄洪洞工程，局部外觀上看似完整的巖石，其波速值很低，而且局部裂隙、破碎帶和巖脈發育部位，巖體較疏松，其強度也偏低。

2)結合室內巖石力學檢測結果說明，對于同處于泄洪洞工程中不同部位巖體，其物理力學性能差異性較大，洞身段不同部位，特別是近斷層、巖脈部位巖體力學性能變化極大，局部花崗巖巖體強度偏低，易風化，需采取一定針對性措施，以保證施工安全。

3)針對泄洪洞內存在的突泥涌水風險，結合地質條件分析，防范措施應關注6個方面。

4)針對施工過程中可能出現的突泥涌水等特殊情況，開展封堵和治理技術研究，從封堵、回填等方面開展有針對性的治理技術研究，總結得到一套有效的突泥涌水封堵技術方案，主要包括超前鉆孔排水和超前小導管注漿法堵水、止水等。