水电站引水隧洞施工及缺陷处理方法

水电站引水隧洞施工及缺陷处理方法摘要：随着时代经济的不断发展，世界对中小型引水发电工程的投入不断增加，先后已建成一大批引水隧洞。一些隧洞在施工完成后存在着渗水、裂缝等质量缺陷，后期处理难度大、耗时长、成本高。本文从尼泊尔上马相迪A水电站引水隧洞工程施工实际情况出发，吸取国内外引水隧洞缺陷处理的先进经验，总结隧洞缺陷类型，分析缺陷产生原因，提出预防和处理措施。关键词：水电站；引水隧洞；缺陷修复引言在岩溶地区进行隧洞施工，需充分考虑岩溶地下水带来的不利影响。在无法精确预测岩溶水的情况下，施工过程中可能出现的突涌水会给现场作业增加难度和不安全因素。溶洞空腔、溶蚀管道及溶蚀裂隙等之间的渗流水会显著降低周边围岩的强度，使围岩整体性变差，导致既有隧洞支护结构的稳定性和可靠性下降。由于岩溶水会对隧洞结构产生一定的腐蚀作用，还将影响支护体系的耐久性。1、工程概况尼泊尔上马相迪A水电站是中国电建集团在尼泊尔做的首个BOOT项目，也是响应国家"走出去〃和"一带一路〃战略实施的项目。水电站位于尼泊尔西部GANDAKI地区马相迪河的上游河段，充分的利用了尼泊尔北部喜马拉雅山脉南麓落差大和水利资源丰富的特点，由东向西开挖了引水发电的隧洞，是一座以发电为主的径流引水式枢纽工程，坝址位于纳雅迪支流和马相迪河交汇点下游约100m处，坝址以上的河道长约82.3km，坝址流域面积2740km2。厂址位于坝址下游约5km处，距KhudiKhola支流与马相迪河交汇点上游约300m。水电站的正常蓄水位902.25m、装机容量50MW。工程采用低坝挡水、长隧洞引水的开发方式。枢纽主要建筑物由泄水闸坝、引水系统、发电厂房和开关站等组成。引水系统位于左岸，由引水渠、沉砂池、暗涵进水闸、暗涵段、引水隧洞、调压井及高压引水道等组成（见图1）。（1）引水渠底板高程896.0m，首部设有2孔单宽6m的拦污栅和引水渠检修闸，引水渠矩形断面宽8m，尾部并排设有1孔沉沙池工作闸、1孔引水渠工作闸。（2）沉砂池采用漏斗式，斗室内径50m，室底为锥形，漏斗底部中央设直径为1m的排沙底孔。（3）暗涵进水闸布置在引水渠末端，孔口尺寸5.6mx5.6m，底高程892.5m°（4）进水闸后接暗涵段，长123.51m，过流断面尺寸5.6mx5.6m°（5）引水隧洞布置在河道左岸，全长4981.259m，开挖断面为圆形，由砂卵石洞段、岩石洞段组成：①砂卵石洞段（引0+94〜0+342）248m，开挖断面为7.2*7.2m城门洞形，采用全断面钢筋砼衬砌，衬砌厚度为80cm，混凝土标号C25。按照6〜12m分段施工，分段间设伸缩缝，缝内填充沥青木板，设铜止水和橡用胶止水各一道。②岩石洞段（引0+342〜5+075.259）4733.259m，开挖断面马蹄形，直径6.6m，底部宽度3.6m。IV、V类围岩洞段设计为圆形全断面钢筋砼衬砌，衬砌厚度50cm，混凝土标号C25；其它围岩洞段底板浇筑C15素砼铺底，厚度15cm。IV、V围岩占约40%。③共设3条施工支洞，分别布置在0#：0+920、1#：3+060、2#：4+987桩号处。0#支洞及1#支洞，施工完成后回填。2#支洞设有交通廊道和进人孔，作为放空检查通道，永久保留。（6） 调压井采用阻抗式，总高度为70.10m，阻抗孔直径为3.2m，大井直径10m。（7） 高压引水道全长254.661m，由上平洞段、竖井段、下平洞段、岔管段及压力支管段组成。设有3#施工支洞，施工完成后回填。图1上马相迪A水电站引水系统平面布置图2、 地质条件上马相迪A水电站引水隧洞穿过的主要地层岩性有：冲积砂卵石夹漂石（alQ）、大理岩（Ma）、云母石英片岩（Scmq）、云母片岩（Scm）、石英岩夹层（Qu）等。岩层一般为中厚层〜互层状，云母片岩多呈薄层〜互层状，片理极其发育。岩层产状一般为NW280〜355°、NEZ15〜30°,整体倾向上游。引水隧洞地质构造主要以节理、片理、断层发育为主。节理主要发育有4组，一般呈闭合〜微张状态，局部张开3〜10cm，充填全强风化软质岩夹层、岩屑、片状岩、高岭土等。主要发育的断层有87条，多以顺层向缓倾角剪切断层为主，断层宽度一般0.1〜1.0m，最宽约2.5m，主要充填全强风化软质岩夹层、碎块岩、断层泥、岩屑、挤压片状岩等。隧洞围岩一般为弱〜微风化，沿岩性接触带、断层破碎带或裂隙密集带等隧洞围岩呈全〜强风化。隧洞地下水类型以基岩裂隙水为主，以潜水为主，局部略具承压性。隧洞地下水活动较为活跃，特别是在冲沟、断层破碎带等部位更为活跃。3、 开挖方法3.1、 主要开挖方法引水隧洞开挖断面面积35.2m2,属中小型断面开挖，开挖方法选择为手风钻造孔，毫秒延期导爆管雷管微差起爆，周边孔采用光面爆破，装载机出渣，自卸汽车运输。考虑到出渣设备的使用需要，底板宽度须保证5m左右。所以引水洞开挖分两层进行，第1次开挖顶部5.4m，预留的底板厚度1.2m，每个作业段在第1层全部挖完后，进行第2层的预留底板开挖。每隔200m左右设置一个错车道，用于施工车辆错车和掉头。3.2、 不良地质洞段开挖处理引水隧洞区穿过6条断层，IV〜V类围岩占33%，对于不良地质洞施工除采用一般施工工艺及方法外，配合采取如下措施：（1）超前地质探测：在开挖过程中，加强地质跟踪及预测，利用钻深孔超前探明围岩性状及岩溶、地下水和涌泥情况，以便调整采取恰当的施工程序及措施，确保围岩稳定。（2）超前排水:根据地质探测地下涌水情况，地下水丰富的地方在开挖后立即钻排水孔集中排水，如果短距离超前排水效果不佳时，进行超前排水孔布置，长度在15~20m之间。（3） 超前支护：洞身V类围岩段及断层破碎带、软弱结构面地段开挖前，拟采用超前锚杆支护、超前小导管注浆等措施，以增强围岩自稳能力，确保施工安全。（4） 开挖钻爆：开挖钻爆按照"早探测、预锚固、短进尺、弱爆破、强支护、少扰动、快封闭、勤量测〃的原则施工。开挖前，做好地质预报，必要时超前探测隧洞走向前方的地质情况，根据具体采取超前锚杆、超前灌浆等预先锚固措施。在钻孔爆破时严格控制循环进尺与最大单响药量，进行爆破效果分析，确定合理爆破参数。（5）一次支护：按照"勤量测、快封闭〃的原则施工。每排炮钻爆后暂不出渣，经安全处理、平渣后，立即施作一次支护，采用砂浆锚杆、挂网喷混凝土、钢支撑加强支护等手段，限制围岩变形过大。（6）安全监测措施：爆破后及时埋设施工期临时监测点，并进行观测，三倍洞径距离以内每排炮后测量一次，十倍洞径距离以后，视变形速率情况，可拉开量测时间间隔。通过勤量测，及时反馈信息，指导开挖支护施工，确保成洞稳定和施工安全。（7）混凝土跟进衬砌:通过变形观测，如发现局部围岩变形速率陡增，采取一次支护措施后尚不能满足稳定要求时，立即进行混凝土衬砌施工。4、 缺陷成因分析4.1、地质条件节理断裂现象在岩体中分布很普遍，由于断裂构造破坏了岩体的连续完整性，对隧洞基岩稳定和渗漏都有很大影响，而且常起控制作用。断裂构造一般分为裂隙和断层两种，即无明显位移的岩体裂缝称裂隙，有明显相对位移的岩体裂缝称断层。影响裂隙稳定性的因素是风化，尤其在水的作用下更如此。相互交错的节理裂隙软弱结构面组合构成了不稳定岩体，在山坡水流的不断浸蚀下，极易导致隧洞垮塌。4.2、 设计因素前期设计报告中所描述的地质条件往往与实际施工过程中遇到的情况存在较大的差异，实际地质条件可能出现局部围岩突变。在隧洞施工过程中未能对围岩地质条件突变从设计角度及时提出变更方案和处理措施，未能及时采取加强支护及截排水措施。4.3、 施工因素隧洞顶部山坡经常存在山间洼地，有地表径流汇集。施工开挖过程中在发现渗水量加大时，特别是降雨时渗水量增大的现象，往往不能引起足够的重视，没有及时采取导排措施，任水流通过节理裂隙下渗至隧洞，使岩石节理裂隙进一步软弱、泥化，使得围岩稳定性进一步降低，最终导致塌方。塌方体未能及时清理，随着地表水流的持续浸蚀，塌方继续发展，甚至可能发生"冒顶”。人工钻孔爆破装药量不规范操作、未采取正确的开挖支护方法等，也可导致隧洞塌方。5、缺陷修复方法5.1、 淤泥及堆积物处理方法引水隧洞底部沿线一般均分布有淤泥及堆积物在隧洞底部零散分布，大的堆积物分布区前面容易形成深水区。处理时将隧洞底部淤泥及堆积物清除出洞外，并用清水冲洗干净，对底板缺陷进行修复。隧洞投入运行以后，放空检查时还应注意治理固体物质来源点。5.2、 蜂窝缺陷处理方法蜂窝缺陷主要出现在腰线以下位置，其原因可能为：（1）未按照操作规程浇注混凝土或者未按照配合比进行拌合，致使混凝土离析；（2）在振捣棒振捣过程中存在振捣不密实或漏振的现象，从而使混凝土拌合不均匀；（3）模板接触不密实导致水泥浆流失，造成严重漏浆。处理方法有：（1）用彩笔画出缺陷范围，用无齿锯沿缺陷周围线锯成燕尾槽式反坡，锯深5mm沟槽；（2）用铁锤配合手钎凿除蜂窝内混凝土渣至密实面，用吹风机或风枪清洗干净，擦干水膜；（3）涂刷水泥浆底层；（4）抹压高一级的预缩细石混凝土。5.3、 底板衬砌混凝土缺陷修复方法底板主要缺陷主要为表面磨损、露筋及凹坑三类。对此类缺陷一般采用恢复原状或局部加强处理方法：（1）在进行修补施工前，彻底清除基面上已损坏、松动和胶结不良的表层混凝土、油污及杂质，并以高压水冲洗干净，并保持干燥。（2）修补区有钢筋出露并锈蚀时，提前进行除锈处理。（3）对于底板钢筋已断裂或严重锈蚀的，采用重新植筋的方法进行修复。（4）对于没有露筋且修补深度V5cm的部位，在混凝土表面用环氧树脂涂刷2〜3层，以此形成0.1〜0.2mm的增强保护层。（5）对于露筋且修补深度5cm〜10cm的凹坑，将混凝土基面凿毛2〜3cm，露出钢筋，使用C30W6F100细石混凝土填充，表面预留2cm用环氧砂浆修补。为保证处理质量，先清除基面松裂混凝土残体，以高压水冲洗干净，并保持干燥。为保持良好的粘结力，环氧砂浆修补前，修补基面先涂刷一层不超过1mm厚的环氧基液，力求基液涂刷薄且均匀，消除涂层中的气泡，并在用手触摸不粘手并能拔丝时（约30min）再填补环氧砂浆。环氧砂浆修补时，将砂浆摊铺均匀，每层厚度不超过1〜1.5cm，共2层，用铁镘反复压抹，使表面翻出浆液，气泡必须刺破压紧。环氧砂浆修补分多次进行，来回刮和挤压，将气泡孔内的气体排出，保证填充密实，待材料完成收缩后，再进行一次涂刷处理，表面收光。环氧砂浆力学控制指标：抗压强度＞30MPa；与混凝土粘结强度＞1.2MPa，其余相关要求（材料采购、施工技术要求及安全防护等）应满足《DL/T5193—2004环氧树脂砂浆技术规程》有关规定。5.4、 裂缝部位缺陷修复方法裂缝处理根据裂缝规模采取不同的处理措施：（1）对于裂缝深度＜1/10混凝土厚度，裂宽V0.3哑的细微表面裂缝，此类裂缝可不予处理。（2）对于裂缝深度在1/10〜1/2混凝土厚度之间的浅层裂缝，首先清除混凝土表面的杂物，而后利用低粘度环氧树脂进行充填压实。（3）对于裂宽〉0.3哑的纵深和贯通式裂缝。沿裂缝凿成燕尾槽，在槽内每隔0.5m钻以灌浆孔，孔深为衬砌混凝土厚度的1/2〜1/3，一般不少于150哑，孔径038mm，骑缝埋入灌浆管010—020，灌浆管与燕尾槽用丙乳砂浆埋牢、封闭，养生3天后进行灌浆处置。用专业手压泵灌入溶性聚氨酯LW+HW混合液。5.5、 渗水部位缺陷修复方法现场若有点状或面状渗水、集中渗水现象，针对不同部位渗水的压力、渗流量大小等情况分别处理。（1）轻微渗漏采用直接堵漏法，可用于渗压水头小于1m，漏水孔较小的情况，用环氧砂浆对破损混凝土进行修补。（2）有压力或流量较大的点状或面状渗水，在渗漏处50cm范围内深入基岩钻孔4.5米，每处不少于4孔，对称布置，用水泥浆进行固结灌浆，灌浆压力为0.8MPa。待浆液达到龄期后，撤除灌浆管，用环氧砂浆对破损混凝土进行修补。5.6、 塌方冒顶的处理方案隧洞塌方冒顶的事故处理方法一般有：（1）地表距隧洞不深，采用清除塌方并加固洞壁的方法。具体做法是从上至下将塌方清至稳定的坡度，至基岩，然后边清塌方边锚固破碎的岩石，直至隧洞底部。但若地表距隧洞过深、清理工程量大、不经济。（2）修改洞线。在能避开塌方因素，且修改洞线的工程量与处理塌洞工程量比不是太大的情况下，宜修改洞线。其好处是避开危险作业面，有利于人身安全；但工程量较大，水头损失也会加大。（3）采用对塌方边掘进边加固，最后衬砌的方法。该方法的缺点是施工难度大、有危险、进度慢。（4）管棚超前支护法，预埋超前管棚做顶板及侧壁支撑，起临时超前支护作用，防止土层坍塌和地表下沉，以保证掘进与后续支护工艺安全运作。管棚法通常将刚性支护和柔性支护结合使用，刚性支护通常具有足够大的刚性和断面尺寸，能承受强大的松动地压，常采用高强钢架紧贴围岩进行支护。柔性支护结构既能及时进行支护，限制围岩过大变形而出现的松动，又能允许围岩出现一定的变形，锚喷支护方式是主要的柔性支护类型。喷混凝土层柔性大且与围岩紧密粘结，因此喷层主要是受压或受剪切，它比受挠破坏的传统支护更能发挥混凝土的承载能力。此方法施工