引水隧洞滲水處理方法及裝置的研究與應(yīng)用

戚 紹 禮， 韓 坤

(中國水利水電第七工程局有限公司第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

固增水電站系木里河干流河段“一庫六級”開發(fā)方案中的第五級，位于四川省木里縣固增鄉(xiāng)，為低閘引水式電站。引水隧洞工程長約11.06 km，縱坡i=2.086 9‰，馬蹄形襯砌斷面為6.1 m×7.8 m，Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類圍巖段襯砌厚度分別為0.3 m、0.4 m和0.6 m。隧洞沿線支溝較為發(fā)育，從上至下規(guī)模較大的沖溝有洼開溝、撒洼溝，溝內(nèi)為常年性流水，洪水期流量較大。隧洞區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，發(fā)育4條大斷層：基洼斷層、撒洼斷層、索根斷層和曼念吉崗斷層[2]。

引水隧洞襯砌混凝土施工完成后，在圍巖中形成封閉的環(huán)形結(jié)構(gòu)，地下水滲流通道被截斷并在襯砌混凝土周圍聚積，形成較高的外水壓力[3]并直接作用在襯砌混凝土上，增大了襯砌混凝土的荷載。若襯砌混凝土存在滲水通道，一旦引水隧洞充水運(yùn)行，洞內(nèi)水流將通過滲水通道外滲至圍巖中，在長時間的滲流作用下圍巖將被局部掏空，從而進(jìn)一步增大了襯砌混凝土的荷載，嚴(yán)重時會引發(fā)山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。因此，如何降低外水壓力和處理襯砌混凝土滲水通道十分重要。

根據(jù)固增水電站引水隧洞工程施工經(jīng)驗(yàn)，提出了“引、堵、排”結(jié)合的觀點(diǎn)，并為“排”研究出單向排水裝置以保證滲水點(diǎn)得到妥善處理。該裝置的研發(fā)對水工隧洞工程的發(fā)展具有重要意義。

2 滲水處理措施

固增水電站引水隧洞針對富水洞段采用的是“先引、后堵、再排”的思路進(jìn)行施工。

2.1 滲水“先引”

為保證富水洞段襯砌混凝土的施工質(zhì)量，在襯砌混凝土澆筑前，先將地下水引至襯砌結(jié)構(gòu)線外，具體做法如下：

(1)對于集中的地下水，在出水部位沿滲流方向打泄水孔，利用無縫鋼管制作花管，花管安裝時，外露0.1 m，在距孔口0.6 m范圍內(nèi)使用錨固劑填充固定。若滲水點(diǎn)位于底板，需將花管管口高出底板高程0.1 m；若滲水點(diǎn)位于邊頂拱，則使用無縫鋼管與花管連接，將無縫鋼管沿環(huán)向襯砌鋼筋鋪設(shè)至矮邊墻，并與矮邊墻內(nèi)預(yù)埋的“L”型排水鋼管相接。

(2)對于分散的地下水，采用防水布+軟式透水管的組合方式對滲水部位進(jìn)行封閉集中排水處理。在滲水部位的下方矮邊墻沿洞軸線方向安裝縱向軟式透水管，沿洞壁安裝環(huán)向軟式透水管，環(huán)向軟式透水管作為支管與縱向軟式透水管采用T型連接。當(dāng)縱向軟式透水管布置至無水洞段時，將其端頭與矮邊墻內(nèi)提前預(yù)埋的“L”型軟式透水管相接。使用φ8 mm@1 m×1 m，L=0.4 m，深入基巖0.2 m，外露部分做成圓環(huán)的錨筋對軟式透水管進(jìn)行錨固。

防水布鋪設(shè)前，將鋪設(shè)區(qū)內(nèi)的錨桿頭平整切除，同時將鋪設(shè)區(qū)內(nèi)尖銳的凸起噴射混凝土敲除以保證防水布不被刺破。防水布的長度按滲水部位長加接縫長裁斷(拼接長度≥0.1 m)，先利用水泥釘安裝滲水部位上方或拱頂?shù)姆浪迹缓髮⒎浪枷蛳聜?cè)或隧洞兩側(cè)展開，并從上至下依次固定防水布，最后用水泥釘將這一幅防水布的水平接縫連上并固定在噴射混凝土表面。采用相同的方法進(jìn)行第二幅防水布的固定，兩幅防水布之間的環(huán)向接縫用水泥釘連接，并將其固定在噴射混凝土表面。兩幅防水布的水平接縫應(yīng)相互錯開，防水布需放正，使每幅防水布的水平接縫與洞軸線平行，最終形成一個完整的隔水層。

2.2 滲水“后堵”

經(jīng)過前期對地下水的引排處理，襯砌混凝土的質(zhì)量得到了較高程度的保證，但仍有局部施工縫存在輕微滲水現(xiàn)象。針對這一問題，固增項(xiàng)目采用封堵灌漿的方式對其進(jìn)行處理，具體做法如下：

封堵灌漿在回填灌漿7 d后進(jìn)行，灌漿方式采用“孔口卡塞、孔口循環(huán)”灌漿，封堵灌漿采用全孔一次性循環(huán)灌漿法施工。灌漿選用水灰比為3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1五個比級的水泥漿液，灌注時由稀至濃逐級變換。變換原則為：當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少或注入率不變而壓力持續(xù)升高時，不得改變水灰比；當(dāng)某級漿液注入量已達(dá)300 L以上或灌注時間已達(dá)30 min,而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，應(yīng)采用濃一級的水灰比；當(dāng)注入率大于30 L/min時，可根據(jù)具體情況越級變濃[4]。

封堵灌漿壓力：T0+000.000～T3+500.000無水段灌漿壓力為0.7 MPa，富水段灌漿壓力為0.9 MPa；T3+500.000～T11+060.119段灌漿壓力為1 MPa。

封堵灌漿采用置換和壓力灌漿封孔法封孔，即全孔灌漿完成后，先采用灌漿管將孔內(nèi)余漿置換成水灰比為0.5∶1的濃漿，然后繼續(xù)使用該濃漿進(jìn)行純壓式灌漿封孔，封孔灌漿壓力為該孔最大灌漿壓力。待孔內(nèi)水泥漿液凝固后，對灌漿孔空余部位使用預(yù)縮砂漿封填密實(shí)，孔口壓抹平整[5]。

涌水孔灌漿結(jié)束時的壓力為設(shè)計(jì)灌漿壓力和涌水壓力之和，灌漿結(jié)束后采取屏漿措施，屏漿時間不小于1 h，待凝時間不小于48 h。

現(xiàn)場灌漿結(jié)果表現(xiàn)為：輕微滲水部位的滲水通道已被完全封死，但一部分前期集中引排的排水管路經(jīng)過多次灌漿仍排水通暢。

2.3 滲水“再排”

經(jīng)相關(guān)人員商討分析后認(rèn)為：襯砌混凝土澆筑完成后，外水壓力增大，加之前期的引排水管路匯集多處滲水點(diǎn)，因此，這部分排水管的水量和水壓均明顯增大；同時，一些滲水點(diǎn)的滲水通道發(fā)育，灌漿量極大，無法將滲水通道灌滿封死。針對這些無法用“堵”解決的問題，項(xiàng)目部采取了“排”的方案，具體做法如下：

根據(jù)現(xiàn)場排水孔孔徑、出水量大小和出水壓力，采購了H12W型止回閥并定制了與止回閥直徑相同的不銹鋼鋼管(鋼管一端帶有螺紋)。

對于前期襯砌混凝土內(nèi)未預(yù)埋排水管的滲水部位，選用水鉆進(jìn)行造孔，孔徑大小根據(jù)現(xiàn)場滲水量決定。

在排水孔兩側(cè)沿洞軸線方向?qū)ΨQ鑿一道槽，以保證環(huán)向襯砌鋼筋外露。將生料帶纏繞在不銹鋼鋼管螺紋端，并將不銹鋼鋼管與止回閥連接處擰緊，在止回閥外部對稱焊接兩根鋼筋。將止回閥放入排水孔內(nèi)，所焊接的兩根鋼筋與槽內(nèi)外露的環(huán)向襯砌鋼筋焊接牢固。止回閥固定牢靠后，將涂塑水帶的一端套入逆止閥出口端并用防水膠帶纏緊，將涂塑水帶的另一端放在安裝工作面范圍外，以創(chuàng)造干的施工環(huán)境。

最后，在不銹鋼鋼管與孔壁間使用GB柔性填料填充，在止回閥與孔壁間使用堵漏王填充，對所鑿刻的溝槽使用預(yù)縮砂漿填充，在止回閥管口四周涂刷2 mm厚的環(huán)氧膠泥，待環(huán)氧膠泥干凝后取下涂塑水帶即完成安裝。止回閥排水管見圖1。

圖1 止回閥排水管示意圖

3 單向排水裝置的研究

在使用GB柔性填料對止回閥排水管與孔壁間的空隙進(jìn)行填充時，由于有壓滲水會從空隙間噴出，同時，止回閥外徑比排水鋼管外徑大，填充難度較大，填充效果較差?，F(xiàn)場實(shí)施情況表明止回閥排水管不僅安裝過程較為復(fù)雜，而且對襯砌混凝土造成了破壞。針對這兩個問題，技術(shù)人員設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、安裝方便快捷并可對襯砌混凝土進(jìn)行無損安裝的單向排水裝置。該單向排水裝置結(jié)構(gòu)見圖2。

1—排水鋼管；2—金屬膨脹件；3—第一鎖座；4—第一橡膠膨脹件；5—第一金屬墊圈；6—第二橡膠膨脹件；7—第二金屬墊圈；8—壓緊套管；9—凸起；10—密封圈；11—閥瓣；12—閥體；13—定位件；14—彈簧；15—閥軸；16—第二鎖座；17—活動扳手圖2 單向排水裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該單向排水裝置主要由金屬膨脹結(jié)構(gòu)、橡膠膨脹結(jié)構(gòu)、止回結(jié)構(gòu)和排水鋼管四大部分組成，可以將排水鋼管牢牢地固定在排水孔內(nèi)，同時阻止內(nèi)水外滲至圍巖中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)排水管的快速安裝并起到單向排水的作用。

如圖2所示，其主要結(jié)構(gòu)包括排水鋼管、止回結(jié)構(gòu)、金屬膨脹件、第一橡膠膨脹件、第二橡膠膨脹件、壓緊套管、活動扳手。止回結(jié)構(gòu)由閥體、閥瓣、閥軸、第一鎖座、第二鎖座、密封圈、彈簧、定位件組成，其中閥體兩端設(shè)有外螺紋與排水管螺紋連接。止回結(jié)構(gòu)可根據(jù)不同的出水壓力要求進(jìn)行更換，當(dāng)外水壓力高于止回結(jié)構(gòu)中彈簧彈力+內(nèi)水壓力時，外水能順利流入洞內(nèi)；當(dāng)內(nèi)水壓力+彈簧彈力大于外水壓力時，閥瓣與密封圈抵死，內(nèi)水將無法通過排水鋼管外滲。

排水鋼管的一端管徑漸變擴(kuò)大與金屬膨脹件滑動連接，金屬膨脹件一端分成若干瓣，每瓣表面設(shè)有若干齒狀凸起。排水鋼管的另一端與壓緊套管螺紋連接，壓緊套管一端設(shè)有若干凸起，可與活動扳手上的若干凹陷嚙合，進(jìn)而通過活動扳手旋轉(zhuǎn)壓緊套管使其下壓。

在壓緊套管與金屬膨脹件間設(shè)計(jì)有第一橡膠膨脹件和第二橡膠膨脹件，橡膠膨脹件與排水鋼管滑動連接，橡膠膨脹件兩端設(shè)有金屬墊圈，橡膠膨脹件的數(shù)量可進(jìn)行增減。

4 單向排水裝置的應(yīng)用

根據(jù)外水壓力大小和壓力要求選擇相應(yīng)壓力的止回結(jié)構(gòu)，根據(jù)排水孔孔深選擇相應(yīng)個數(shù)的橡膠膨脹件(最后一個橡膠膨脹件距孔口至少5 cm)。根據(jù)排水孔孔徑大小選擇相應(yīng)管徑的單向排水裝置。

將單向排水裝置塞入排水孔內(nèi)，使用活動扳手旋動壓緊套管，驅(qū)動金屬墊圈下壓，使橡膠膨脹件膨脹并與孔壁相抵，此時外水將無法從該裝置四周流入洞內(nèi)，同時內(nèi)水也無法從該裝置四周外滲至圍巖中。

使用活動扳手旋動壓緊套管，在橡膠膨脹件膨脹的同時，排水鋼管管徑漸變擴(kuò)大端向外移動，金屬膨脹件被張開并與孔壁相抵，金屬膨脹件四周的齒狀凸起咬緊孔壁，使該裝置牢牢固定在排水孔孔內(nèi)。

單向排水裝置固定完成后，在壓緊套管與孔壁間使用堵漏王進(jìn)行填充，最后在管口四周涂刷2 mm厚的環(huán)氧膠泥。

5 結(jié) 語

針對引水隧洞襯砌混凝土的滲水，可以分別從混凝土澆筑的前、中、后期進(jìn)行控制。前期通過引水提高襯砌混凝土的質(zhì)量，中期通過灌漿封堵襯砌混凝土中的滲水通道，后期可以通過單向排水裝置進(jìn)行引排，降低外水壓力并防止內(nèi)水外滲。

單向排水裝置的研發(fā)不僅減少了灌漿設(shè)備及人員的投入，降低了灌漿成本，而且可以降低外水壓力，保證襯砌混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時縮短了滲水處理的工期。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，安裝方便、快捷。該技術(shù)實(shí)用性較強(qiáng)，具有可推廣性，所取得的經(jīng)驗(yàn)可為類似工程提供借鑒。