锦屏二级水电站引水隧洞大流量地下水导排施工技术

钟久安 李乔斌 冯艺 陈敏 臧鹏

摘要：大流量地下水是影响引水隧道施工的重要因素，以锦屏二级水电站3号引水隧洞9+472桩号位置的集中涌水点为例，介绍了地下水永久导排处理措施，并对导排水效果进行了评价。结果表明：通过堵水灌浆、临时排水等措施对地下水进行导排处理后，锦屏二级水电站引水隧洞的永久结构物未受影响。导排施工降低了外水压力，减小了地下水对引水隧洞永久结构物运行影响。

关键词：引水隧洞； 地下水； 导排； 锦屏二级水电站

中图法分类号：TV554

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S2.010

文章编号：1006-0081（2023）S2-0035-04

0 引 言

在水利水电工程建设中，常会出现洞线长、洞径大的引水隧洞。锦屏二级水电站引水隧洞穿越锦屏山脉，隧洞群总长约118 km；滇中引水工程中的昆玉隧洞、香炉山隧洞，工程综合规模、建设难度均居世界前列［1］。此类引水隧洞由于距离较长，施工中需要穿越各种地质结构，经常会遇到地下水，可能出现涌水问题，不仅影响工期，还影响洞内交通。锦屏二级水电站地下涌水大都从岩体结构面、溶蚀破碎带及断层、管道与溶洞中喷出［2-3］。滇中引水工程昆明段工程区内存在各种规模的溶孔、溶隙、溶洞和暗河管道。地下水本身自成循环体系，施工可能造成地下水或地表水的原有循环系统被破坏。解决涌水问题不仅可保证工程顺利实施，还可保证工程周边地下水环境不受影响。

引水隧洞中遇到大流量地下水，处理方式主要有封堵和导排。其中，导排分为临时导排和永久导排。临时导排通常是地下水永久封堵的一个重要环节，该措施不但要满足工程施工要求，还应在施工完成后可以直接拆除而不影响其他工程措施。永久导排是经综合考虑后确定的永久排放地下水的方式，不但要满足导排水的能力，还要在工程寿命周期内正常运行。深埋长大引水隧洞地下水揭露后表现出流量大、压力高、稳定持续等特点。地下水对隧洞开挖、衬砌和灌浆的影响较大。因此，地下涌水需要按照稳定涌水、间歇涌水、强涌水和弱涌水进行有序处理，按照要求完成有效封堵。其中，临时导水是为了完成最终的封堵，而永久导排式是设计者从隧洞整体长期运行的角度出发，提出对某些集中出水点进行永久引排。这能够降低山体地下水位线与隧洞外水压力，避免地下水从其他部位击穿涌出，确保引水隧洞长期稳定运行。本文以锦屏二级水电站3号引水隧洞9+472桩号位置的集中涌水点导排为例，探讨如何快速完成地下水的永久导排。

1 导排水施工难点

1.1 大流量地下水

大流量地下水给引水隧洞施工带来很多困难。利用封堵和导排对其处理具有一定难度，主要难点在于在治理地下水的同时，还要考虑地下水的流放通道以及交通转换等问题。锦屏二级水电站引水隧洞的单点集中涌水点流量达3.6 m3/s，云南宣威万家口子水电站排水洞100 m长洞段合计涌水量7 m3/s。

1.2 外水压力大

大流量地下水涌水通常会伴随一定的压力，同时外水压力促进了大流量涌水的流出。外水压力大将导致涌水治理过程中钻孔、灌浆、围堰搭设、引排设施设置等环节的难度增加，进而导致工程量大、工期长。滇中引水工程香炉山隧洞存在高外水压力洞段累计长29.94 km，占总长47.83%，最大外水压力在12 MPa以上，锦屏二级水电站引水隧洞最高渗水压力达到6 MPa。

1.3 工期长

单点大流量涌水处施工难度大，导致单点施工工期较长，对洞内交通影响较大［4-5］，甚至会影响工程施工期的关键线路。

1.4 临时设施布置难度大

一般出现地下水出水点集中这一情况的地质条件普遍较差，加之地下涌水的不断冲刷，工程临时设施设置的工作难度增加，包括工程便道、设备平台、施工围堰、排水预埋管等的布置。

2 导排水实施过程

针对锦屏二级水电站3号引水隧洞9+472桩号集中涌水点，导排施工主要程序为：堵水灌浆 → 临时排水 → 导水钢管安装槽及交叉口水仓施工 → 导水钢管安装 → 交叉口水仓制作 → 临时排水 （排水转换）→ 涌水点水仓开挖 → 涌水点水仓制作 → 钢盖板安装 →抗抬锚杆施工 → 工字钢安装 → 盖重混凝土施工。涌水点导排布置示意见图1。

2.1 堵水灌浆

堵水灌浆以将地下水集中至底板集中出水点处为主要目的。堵水灌浆的施工顺序为：从顶拱到底板、从两端向涌水点。堵水灌浆主要沿隧洞径向布置，通过灌浆将涌水点周边股状、散状水进行封堵。

2.2 临时排水

本次导排进行了两次临时排水。第一次临时排水是为了确保涌水点上游处的交叉口水仓制作、导水钢管安装槽开挖和导水钢管安装等工序能够干地作业。在交叉口水仓下游侧、涌水点上游侧设置围堰，将涌水沿引水隧洞引排至引水隧洞下游。第二次临时排水是为了进行涌水点水仓开挖和制作，在涌水点下游侧布置围堰，将涌水导向上游并沿着施工完成的交叉口水仓和导排钢管自流至施工排水洞。

2.3 導水钢管安装

导水钢管布置在安装槽内，安装槽充分利用现场横通道设计为倒梯形槽。导水钢管采用螺旋钢管法兰连接并间隔布置。钢管顶高程低于路经其他位置底板，钢管底高程高于施工排水洞底高程，保证水流由高到低。排水钢管尾端安装闸阀、压力表、流量计等监测设施。

导水钢管安装时安装槽底部先进行整平垫层，再采用工字钢制作钢管支撑架。钢管安装完毕后，采用C25W8混凝土（与引水隧洞结构混凝土标号一致）进行覆盖即可。

2.4 导水仓制作

导水仓位于引水隧洞（涌水点）附近底板，其上部还有引水隧洞的混凝土衬砌部分。由于导水仓是连接涌水点和导水钢管的构筑物，因此成为了本次导排水施工的关键。导水仓分为两期进行浇注，一期为交叉口水仓，一期为涌水点水仓。

2.4.1 交叉口水仓

交叉口水仓开挖同导水钢管安装槽开挖一并完成，待导水钢管安装完成后开始制作。制作过程为：放样→开挖→基础清理及验收→钢筋制安→混凝土模板安装→安装预埋件→混凝土浇筑。交叉口水仓制作时安装的预埋件主要有：钢盖板定位角钢及附件（孔口管、锚爪）、预留抽水钢管、临时导水钢管。

2.4.2 涌水点水仓

涌水点水仓制作是本次导水施工的关键，该水仓从开挖到制作均受到涌水点地下水的影响。钢板混凝土围堰用钢板制作模板，模板顶高出水面一定距离。后用袋装膨润土铺垫一定的厚度，再填筑C25混凝土至顶部。制作过程为：放样→开挖→钢板混凝土围堰制作→基础清理及验收→钢筋制安→混凝土模板安装→安装预埋件→混凝土浇筑。

由于拆除的工作量大及拆除时可能会对水仓薄壁混凝土产生影响，故施工完成后可不拆除钢板混凝土围堰。通过增设锚筋等方式与周边围岩和结构进行有效连接，可防止其在运行过程中出现倾倒。

2.5 钢盖板安装

结合现场施工条件与施工要求，钢盖板采用了“场外制作加工、场内拼装安装”的模式进行制作安装。钢盖板加工在场外须完成的工作有钢板裁切、钻设抗抬锚杆孔与防腐，场内完成的工作有钢盖板拼装、加固与止水制作。安装顺序为从上游向下游分块依次进行，安装完成后对钢盖板接触缝进行焊接。

钢盖板采用钢板和加肋工字钢制成。加肋工字钢垂直于水仓中线方向为通长布置，顺水流方向为短根焊接，工字钢贴钢板侧翼板与钢板紧密焊接。钢板上对应定位角钢开孔位置开设钻孔。

2.6 抗抬锚杆

为了减弱后期地下水增大时对钢盖板和引水隧洞衬砌结构的冲击，以及让水仓混凝土与基岩充分连接，同时也为了使水仓结构和其上部加强结构能够充分连接，在水仓周边设置3圈抗抬锚杆。其中内圈为盖板边沿预留钻孔位置，另外2圈位于水仓混凝土上。待抗抬锚杆施工完毕后，将钢板边沿与定位角钢接触缝进行满焊。

2.7 工字钢安装及盖重混凝土

为了使钢盖板分担上部衬砌混凝土重量，在钢盖板上方垂直洞轴线方向布置工字钢。该工字钢与外圈抗抬锚杆用槽钢相互焊接。另外在工字钢上横纵向布置两层钢筋，以形成网状加固。盖重混凝土采用C25W8混凝土浇筑，浇筑顶高程为设计引水隧洞底板开挖高程。

3 导排水处理效果

3.1 评价标准

引排处理的效果主要通过以下几个方面来进行评价：① 通过引排处理后，现场能够在干地作业的情况下顺利实施引水隧洞结构混凝土衬砌作业；② 衬砌完成后，引水隧洞进行系统固结灌浆（水仓周边范围不予布置钻孔），通过地下水揭露情况，能够揭示前期堵水灌浆等工作完成情况和反映地下水集中排放情况；③ 通过对地下水集中排放，降低了其长期在山体内积蓄后的外水压力，减少了外水压力对引水隧洞围岩及衬砌混凝土的影响；④ 为了长期监测地下水涌出点施工期和隧洞运行期的实时情况，在合适位置安装了渗压计、流量计、压力计和钢板应力计。

3.2 效果评价

锦屏二级水电站引水隧洞地下水永久引排处理后实际效果如下：

（1） 形成干地作业条件，顺利完成混凝土初衬砌，固结灌浆时未发现地下水，地下水导排情况良好。

（2） 涌水点处的渗压计显示自引水隧洞充水实验后压力有所升高，原因是引水隧洞水位上升对其产生了渗压影响。

（3） 流量计和压力计安装在导水钢管出口处。由于目前导水钢管出口处阀门为全开状态，故压力计未测出读数；而流量计读数显示该处地下水流量为2.2～2.8 m3/s，说明该处地下水受到锦屏山山体地下水补给，水源充足，且一定程度上受锦屏山地区枯汛期降雨影响。

（4） 在钢盖板加肋工字钢上安装3处钢板应力计，目前该3处应力计读数无变化。

通过一段时间的运行后，从监测数据可以看出，该处地下水导排后对引水隧洞的永久结构物无影响，说明本次导排施工降低了外水压力，减小了地下水对引水隧洞永久结构物运行影响。

4 结语与建议

本文以锦屏二级水电站为例，介绍了引水隧洞施工中导排大流量地下水的措施，并验证了排水效果，提出以下建议：

（1） 大流量地下水導排施工需要因地制宜，充分利用好引水隧洞或其他隧洞内的横向通道、排水通道等辅助设施，因此，在施工前首先需确立排水的可行性。

（2） 导排设计和施工时，所有设施以不侵占引水隧洞设计开挖断面为首要原则。

（3） 适时测量地下水流量，获得长期监测数据，以便根据流量、导排高差确定导排管路参数。

（4） 条件允许时，尽可能在现场设置强制抽排设施，为其他工序创造良好的施工条件，同时降低永久设施施工的难度并确保施工质量。

（5） 在堵水灌浆阶段，应采取集中地下水的思路，对主出水点周边的水点必须封堵，防止在有压导排的情况下地下水不可控。

（6） 在导排阶段，涌水点水仓施工是关键，盖板安装是重点。若在有水条件下进行钢盖板施工时，应仔细考虑临时排水措施，将施工盖板时的水压力降到最低。

（7） 导排施工完成后，须采用固结灌浆的方式对水仓周边的基岩进行加固。固结灌浆施工过程中应注意控制参数，避免再对引排设施造成影响。

参考文献：

［1］ 陈玉辉，赵玉杰，李毅.锦屏二级水电站3号引水隧洞溶洞探洞地下水处理［J］.水利水电技术，2012，43（5）：78-79.

［2］ 黄丹.锦屏二级引水隧洞大理岩破裂特性和尺寸效应研究［D］.武汉：华中科技大学，2016.

［3］ 周春宏，甘小泉.锦屏二级水电站引水隧洞施工管理［J］.科技通报，2015，31（7）：33-36.

［4］ 张春生，周垂一，刘宁.锦屏二级水电站深埋特大引水隧洞关键技术［J］.隧道建设（中英文），2017，37（11）：1492-1499.

［5］ 王继敏，曾雄辉，揭秉辉.锦屏二级水电站引水系统关键技术问题［J］.水力发电，2013，39（4）：47-50.