深埋引水隧洞超高滲透壓力條件下堵水灌漿技術(shù)研究

殷 國 權(quán)

(中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司,四川 成都 611130)

深埋引水隧洞超高滲透壓力條件下堵水灌漿技術(shù)研究

殷 國 權(quán)

(中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司,四川 成都 611130)

錦屏二級水電站引水隧洞以其長度大、埋藏深、地下水條件復(fù)雜等特點(diǎn)，在國內(nèi)具有代表性。本文以錦屏二級東端1號、2號引水隧洞發(fā)現(xiàn)的30個(gè)出水洞段地下水處理工程為依托，探索深埋引水隧洞超高滲透壓力條件下堵水灌漿技術(shù)。

深埋;引水隧洞;超高;滲透壓力;堵水灌漿;技術(shù)

1 工程概況

錦屏二級水電站引水隧洞是迄今為止我國建設(shè)的綜合規(guī)模最大、地質(zhì)條件最為復(fù)雜的深埋大型地下洞室群工程，共有7條隧洞穿越錦屏山，總長度達(dá)120 km。隧洞沿線上覆巖體最大埋深約2 525 m，地應(yīng)力高，施工期顯現(xiàn)出強(qiáng)烈的高應(yīng)力特點(diǎn)。同時(shí)工程區(qū)又地處碳酸鹽巖類地層，溶蝕裂隙發(fā)育，地下水豐富，外水壓力高，實(shí)測最大外水壓力達(dá)到10.2 MPa，工程建設(shè)難度極大。

深埋引水隧洞超高滲透壓力條件下堵水灌漿技術(shù)研究,就是為解決復(fù)雜地質(zhì)條件下的超高壓堵水灌漿技術(shù)難題，選擇合適的堵水灌漿材料，確定合理的堵水灌漿施工工序和工藝，從而確定引水隧洞襯砌和高壓防滲固結(jié)灌漿順利實(shí)施。

2 隧洞涌水的分類及應(yīng)對策略

根據(jù)錦屏工程引水隧洞戰(zhàn)線長、地下水滲透壓力高等特點(diǎn)，目前現(xiàn)有對股狀出水的分類方法對錦屏工程不適用，難以較好的反映隧洞涌水特點(diǎn)，對錦屏工程隧洞股狀涌水按照流量、洞段延米進(jìn)行了劃分，更有利于制定“什么條件下封堵、什么條件下封堵+引排”的應(yīng)對策略。

2.1 涌水治理的點(diǎn)、面劃分

隧洞涌水按涌水狀態(tài)分為：干燥；滲水(沿裂隙或孔隙浸出的滲水和雨?duì)畹嗡?；線狀涌水(線流)；簾幕式涌水(沿某一緩傾斜的結(jié)構(gòu)面斷層、裂隙、節(jié)理呈簾幕狀的涌水)；股狀涌水(股流)。

股狀涌水按涌水量大小分為：小股狀涌水小于100 m3/d；中等股狀涌水200～1 000 m3/d；大股狀涌水1 000～10 000 m3/d；特大股狀涌水大于10 000 m3/d。

在錦屏二級水電站東端1號、2號引水隧洞實(shí)際施工中，對股狀涌水采用如下分類方式：小流量，出水量3～20 L/s(30 m洞段)；中流量,出水量20～100 L/s(30 m洞段)；次大流量,出水量100～300 L/s(30 m洞段)；大流量,出水量300～500 L/s(30 m洞段)；集中出水點(diǎn),出水量大于500 L/s(30 m洞段)。

2.2 地下涌水的治理應(yīng)對策略

東端1號、2號引水隧洞共30個(gè)出水洞段，不同涌水采用的應(yīng)對策略見表1。

表1 涌水的治理應(yīng)對策略

對于小于500 L/s(30 m洞段)出水洞段采用完全封堵的思路，對于大于500 L/s(30 m洞段)出水洞段采用封堵+引排的思路。本論文重點(diǎn)介紹超高滲透壓力條件下堵水灌漿技術(shù)。

3 水泥-ch聚丙烯酰胺雙液材料

靜水一般指含水地層中的水；動(dòng)水是指地下承壓水被釋放后，通過堵水施工動(dòng)水也可以變?yōu)殪o水。相對而言，動(dòng)水灌漿難度更大，材料原則不合適,浪費(fèi)較大。對靜水、動(dòng)水灌漿材料進(jìn)行研究，有助于灌漿材料的調(diào)研及選型。

目前,堵水常用漿液有兩大類，即：懸濁型與溶液型。懸濁型成本相對較低，基本上采用水泥漿液為主液;溶液型成本相對較高，基本為化學(xué)漿液。在實(shí)際施工中通過合理配置控制其施工成本。

錦屏二級水電站東端1號、2號引水隧洞地下水源豐富，地應(yīng)力高，在堵水灌漿中對純水泥漿、水泥砂漿、化學(xué)漿液、水泥水玻璃漿液均進(jìn)行了應(yīng)用研究。在堵水灌漿方面，各自的應(yīng)用范圍均有一定的局限性，在施工中反復(fù)更換灌漿材料，工藝復(fù)雜，增加工序較多。針對這樣的施工難題，研制應(yīng)用范圍更廣的堵水灌漿材料有利于錦屏二級大出水面域的治理。

ch聚丙烯酰胺堵水灌漿專用材料是一種環(huán)保復(fù)合型灌漿添加劑，黏度低，滲透性能好，與水泥漿液有極好的親和力，具有良好的封堵性，灌漿的操作時(shí)間和固化時(shí)間可以通過摻入量任意調(diào)整，是一種很好的環(huán)保型灌漿材料添加劑。

水泥-ch聚丙烯酰胺雙液材料是以水泥漿液和ch聚丙烯酰胺按一定比例混合配制成的漿液。這種漿液不僅具有水泥漿的優(yōu)點(diǎn)，而且兼有化學(xué)漿液的一些特點(diǎn)。它的凝膠時(shí)間可以從幾秒鐘到幾十分鐘任意調(diào)節(jié)，灌后結(jié)石率可達(dá)100%，可灌性比純水泥漿明顯提高。

根據(jù)水泥-ch聚丙烯酰胺雙液材料特性，在本工程地下水處理中，對線狀流水、裂隙水或外水壓力不大的灌漿孔，通過調(diào)節(jié)水泥-ch聚丙烯酰胺雙液材料凝結(jié)時(shí)間，控制漿液的擴(kuò)散半徑，可達(dá)到快速封堵裂隙通道，截?cái)嗨髟搭^的目的。雙液配合比、漿液性能參數(shù)見表2。

表2 雙液配合比、漿液性能參數(shù)

實(shí)施效果：錦屏二級水電站東端1號、2號引水隧洞堵水灌漿9.2萬m，出水洞段根據(jù)出水情況不同選擇了不同配比的水泥-ch聚丙烯酰胺雙液灌漿材料，完成后均達(dá)到防滲固結(jié)灌漿質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，每30 m洞段滲漏量遠(yuǎn)小于3.0 L/s。

4 堵水灌漿技術(shù)

錦屏二級水電站東端1號、2號引水隧洞工程涌水形態(tài)多樣，集中出水點(diǎn)較多，為了盡量減少漿液的浪費(fèi)，堵水漿液設(shè)計(jì)可泵送時(shí)間越來越短，對灌漿設(shè)備提出了更高的要求。

工程區(qū)域內(nèi)地下水具有較好的關(guān)聯(lián)性，出水位置也會(huì)相互串聯(lián)，在對出水點(diǎn)完成點(diǎn)、面劃分后，根據(jù)水文情況及堵水施工原則，選擇合理的施工程序及工藝，確保堵水施工一次性達(dá)到封堵效果。

4.1 堵水灌漿專用輔助設(shè)備

4.1.1 一種具有排水功能的可拆卸雙液孔內(nèi)混合器

針對高壓大流量出水堵水灌漿的特點(diǎn)，研制了一種具有排水功能的可拆卸雙液孔內(nèi)混合器。通過添加劑配合純水泥漿基液在孔內(nèi)進(jìn)行混合，達(dá)到快速封堵的目的。它可以通過射漿管實(shí)現(xiàn)漿液在孔內(nèi)混合，保證雙液在孔內(nèi)混合后快速實(shí)現(xiàn)膠凝，避免攪拌泵送造成堵塞管道的問題。結(jié)構(gòu)原理見圖1。

工作原理：主出水孔鉆孔完成后，下設(shè)堵水專用孔內(nèi)混合器，混合器上下部分可以通過連接法蘭拆裝，可以先安裝下部模袋，實(shí)施堵水灌漿時(shí)，安裝上部結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)設(shè)置四根排水管，主要針對流量壓力較大的出水孔安裝時(shí)泄壓。純水泥漿液和添加劑分別通過純水泥漿液進(jìn)漿管和添加劑進(jìn)漿管進(jìn)入孔內(nèi)，在孔內(nèi)混合后快速膠凝。待凝完成后，可以拆除上部結(jié)構(gòu)重復(fù)利用。

4.1.2 一種內(nèi)外雙層模袋阻水止?jié){裝置

針對大口徑主出水孔、歸流孔(下傾孔)封堵困難的問題，研制了一種內(nèi)外雙層模袋阻水止?jié){裝置，可以滿足孔徑Φ219 mm以上的出水孔施工。結(jié)構(gòu)原理見圖2。

工作原理：在覆蓋層、巖溶地段等工程地質(zhì)條件較差的部位揭露集中出水點(diǎn)或者出水帶時(shí)，鉆孔通常采用跟管鉆進(jìn)技術(shù)，在成孔后取出跟管，安裝外置模袋，主要起護(hù)壁和孔口管的作用。進(jìn)行堵水灌漿時(shí)，安裝內(nèi)置模袋形成子模袋，根據(jù)出水情況，子模袋可以選擇孔內(nèi)混合型和孔口混合型，子模袋主要是起到減小孔徑，便于進(jìn)行堵水灌漿的實(shí)施。

注：1.純水泥漿進(jìn)漿管;2.添加劑進(jìn)漿管;3.第一組排水管;4.第二組排水管;5.連接法蘭;6.模袋注漿管;7.外管;8.模袋

注：1.純水泥漿進(jìn)漿管;2.添加劑進(jìn)漿管;3.子模袋外管;4.排水管;5.子模袋注漿管;6.外模袋鋼管;7.外模袋注漿管;8.內(nèi)膜袋 鋼管;9.外模袋;10.內(nèi)模袋

圖2 一種內(nèi)外雙層模袋阻水止?jié){裝置結(jié)構(gòu)原理

4.1.3 一種設(shè)置皮碗的模袋阻水止?jié){裝置

針對大口徑主出水孔、歸流孔(仰孔)封堵困難的問題，自行研制了一種設(shè)置皮碗的模袋阻水止?jié){裝置，可以滿足孔徑Φ108 mm以上的出水孔施工。在仰孔施工時(shí)可以增加逆向阻力，起到固定模袋的作用。結(jié)構(gòu)原理見圖3。

注:1.阻水像膠皮碗；2.模袋;3.阻水像膠墊；4.模袋注漿管；5.外管;6.注漿管

工作原理：在隧洞邊頂拱揭露較大出水，采用仰孔施工時(shí)，模袋的安裝難度較大。皮碗型堵水灌漿模袋通過阻水皮碗使匯集至內(nèi)管，在水的推力和自重形成反作用力，起到固定膜袋的作用。皮碗型堵水灌漿模袋阻水橡膠墊起到改變模袋外緣高壓出水的方向，減少對安裝人員的直接傷害，阻水橡膠墊外側(cè)可設(shè)置轉(zhuǎn)盤，便于安裝人員操作。

4.2 堵水灌漿施工工藝

堵水灌漿工藝主要為純水泥漿液模袋塞純壓式灌漿法、水泥-ch聚丙烯酰胺模袋塞孔內(nèi)混合直接灌注法、膏狀可控漿液灌漿、水泥砂漿填充灌漿、化學(xué)灌漿。主要灌漿工藝見表3。

表3 堵水灌漿主要灌漿工藝

5 社會(huì)效益

研制的新型堵水灌漿材料、堵水灌漿專用輔助設(shè)備，總結(jié)的堵水灌漿施工工藝對已完成的錦屏二級水電站有較好的適用性。新型堵水灌漿材料適應(yīng)不同涌水類型的堵水灌漿，且成本適宜。堵水灌漿專用輔助設(shè)備解決了不同口徑出水孔的封堵問題?？偨Y(jié)堵水灌漿施工工藝，對超高滲透壓力條件下出水點(diǎn)的治理效果較好。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，在高壓、富水區(qū)修建深埋長大隧道都不同程度地遇到涌水現(xiàn)象，錦屏工程堵水灌漿技術(shù)可以為類似長大隧洞施工提供豐富的經(jīng)驗(yàn)和有力的施工技術(shù)支持。

6 結(jié) 語

錦屏工程在集中出水點(diǎn)的治理方面，對于小于500 L/s(30 m洞段)出水洞段采用完全封堵的思路，對于大于500 L/s(30 m洞段)出水洞段采用“封堵+引排”的思路，經(jīng)過錦屏二級水電站東端1號、2號引水隧洞一年來安全運(yùn)行的驗(yàn)證，效果良好。錦屏工程高滲透壓力條件下堵水灌漿技術(shù)可以為類似工程借鑒和引用，有較高的參考價(jià)值。錦屏二級水電站高水壓、長隧道隧道突涌水點(diǎn)地下水處理技術(shù)研究將推動(dòng)這一技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)向前發(fā)展。

[1] 陳豪雄，殷 杰.隧道工程[M].北京:人民交通出版社,1995.

[2] 覃仁輝，王 成.隧道工程(第三版)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社,2011.

[3] 汪雪英，蔡仲銀,熊建清.長大深埋隧洞工程施工技術(shù)研究[M].黃河水利出版社,2009.

[4] 席光勇,深埋特長隧道(洞)施工涌水處理技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué),2005.

2016-11-30

殷國權(quán) (1978-)，男，四川成都人，高級工程師，從事水力水電工程管理工作。

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