水電站引水隧洞施工及缺陷處理方法

水電站引水隧洞施工及缺陷處理方法摘要：隨著時(shí)代經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，世界對(duì)中小型引水發(fā)電工程的投入不斷增加，先后已建成一大批引水隧洞。一些隧洞在施工完成后存在著滲水、裂縫等質(zhì)量缺陷，后期處理難度大、耗時(shí)長(zhǎng)、成本高。本文從尼泊爾上馬相迪A水電站引水隧洞工程施工實(shí)際情況出發(fā)，吸取國(guó)內(nèi)外引水隧洞缺陷處理的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)隧洞缺陷類(lèi)型，分析缺陷產(chǎn)生原因，提出預(yù)防和處理措施。關(guān)鍵詞：水電站；引水隧洞；缺陷修復(fù)引言在巖溶地區(qū)進(jìn)行隧洞施工，需充分考慮巖溶地下水帶來(lái)的不利影響。在無(wú)法精確預(yù)測(cè)巖溶水的情況下，施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的突涌水會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)增加難度和不安全因素。溶洞空腔、溶蝕管道及溶蝕裂隙等之間的滲流水會(huì)顯著降低周邊圍巖的強(qiáng)度，使圍巖整體性變差，導(dǎo)致既有隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性下降。由于巖溶水會(huì)對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的腐蝕作用，還將影響支護(hù)體系的耐久性。1、工程概況尼泊爾上馬相迪A水電站是中國(guó)電建集團(tuán)在尼泊爾做的首個(gè)BOOT項(xiàng)目，也是響應(yīng)國(guó)家"走出去〃和"一帶一路〃戰(zhàn)略實(shí)施的項(xiàng)目。水電站位于尼泊爾西部GANDAKI地區(qū)馬相迪河的上游河段，充分的利用了尼泊爾北部喜馬拉雅山脈南麓落差大和水利資源豐富的特點(diǎn)，由東向西開(kāi)挖了引水發(fā)電的隧洞，是一座以發(fā)電為主的徑流引水式樞紐工程，壩址位于納雅迪支流和馬相迪河交匯點(diǎn)下游約100m處，壩址以上的河道長(zhǎng)約82.3km，壩址流域面積2740km2。廠址位于壩址下游約5km處，距KhudiKhola支流與馬相迪河交匯點(diǎn)上游約300m。水電站的正常蓄水位902.25m、裝機(jī)容量50MW。工程采用低壩擋水、長(zhǎng)隧洞引水的開(kāi)發(fā)方式。樞紐主要建筑物由泄水閘壩、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房和開(kāi)關(guān)站等組成。引水系統(tǒng)位于左岸，由引水渠、沉砂池、暗涵進(jìn)水閘、暗涵段、引水隧洞、調(diào)壓井及高壓引水道等組成（見(jiàn)圖1）。（1）引水渠底板高程896.0m，首部設(shè)有2孔單寬6m的攔污柵和引水渠檢修閘，引水渠矩形斷面寬8m，尾部并排設(shè)有1孔沉沙池工作閘、1孔引水渠工作閘。（2）沉砂池采用漏斗式，斗室內(nèi)徑50m，室底為錐形，漏斗底部中央設(shè)直徑為1m的排沙底孔。（3）暗涵進(jìn)水閘布置在引水渠末端，孔口尺寸5.6mx5.6m，底高程892.5m°（4）進(jìn)水閘后接暗涵段，長(zhǎng)123.51m，過(guò)流斷面尺寸5.6mx5.6m°（5）引水隧洞布置在河道左岸，全長(zhǎng)4981.259m，開(kāi)挖斷面為圓形，由砂卵石洞段、巖石洞段組成：①砂卵石洞段（引0+94?0+342）248m，開(kāi)挖斷面為7.2*7.2m城門(mén)洞形，采用全斷面鋼筋砼襯砌，襯砌厚度為80cm，混凝土標(biāo)號(hào)C25。按照6?12m分段施工，分段間設(shè)伸縮縫，縫內(nèi)填充瀝青木板，設(shè)銅止水和橡用膠止水各一道。②巖石洞段（引0+342?5+075.259）4733.259m，開(kāi)挖斷面馬蹄形，直徑6.6m，底部寬度3.6m。IV、V類(lèi)圍巖洞段設(shè)計(jì)為圓形全斷面鋼筋砼襯砌，襯砌厚度50cm，混凝土標(biāo)號(hào)C25；其它圍巖洞段底板澆筑C15素砼鋪底，厚度15cm。IV、V圍巖占約40%。③共設(shè)3條施工支洞，分別布置在0#：0+920、1#：3+060、2#：4+987樁號(hào)處。0#支洞及1#支洞，施工完成后回填。2#支洞設(shè)有交通廊道和進(jìn)人孔，作為放空檢查通道，永久保留。（6） 調(diào)壓井采用阻抗式，總高度為70.10m，阻抗孔直徑為3.2m，大井直徑10m。（7） 高壓引水道全長(zhǎng)254.661m，由上平洞段、豎井段、下平洞段、岔管段及壓力支管段組成。設(shè)有3#施工支洞，施工完成后回填。圖1上馬相迪A水電站引水系統(tǒng)平面布置圖2、 地質(zhì)條件上馬相迪A水電站引水隧洞穿過(guò)的主要地層巖性有：沖積砂卵石夾漂石（alQ）、大理巖（Ma）、云母石英片巖（Scmq）、云母片巖（Scm）、石英巖夾層（Qu）等。巖層一般為中厚層?互層狀，云母片巖多呈薄層?互層狀，片理極其發(fā)育。巖層產(chǎn)狀一般為NW280?355°、NEZ15?30°,整體傾向上游。引水隧洞地質(zhì)構(gòu)造主要以節(jié)理、片理、斷層發(fā)育為主。節(jié)理主要發(fā)育有4組，一般呈閉合?微張狀態(tài)，局部張開(kāi)3?10cm，充填全強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖夾層、巖屑、片狀巖、高嶺土等。主要發(fā)育的斷層有87條，多以順層向緩傾角剪切斷層為主，斷層寬度一般0.1?1.0m，最寬約2.5m，主要充填全強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖夾層、碎塊巖、斷層泥、巖屑、擠壓片狀巖等。隧洞圍巖一般為弱?微風(fēng)化，沿巖性接觸帶、斷層破碎帶或裂隙密集帶等隧洞圍巖呈全?強(qiáng)風(fēng)化。隧洞地下水類(lèi)型以基巖裂隙水為主，以潛水為主，局部略具承壓性。隧洞地下水活動(dòng)較為活躍，特別是在沖溝、斷層破碎帶等部位更為活躍。3、 開(kāi)挖方法3.1、 主要開(kāi)挖方法引水隧洞開(kāi)挖斷面面積35.2m2,屬中小型斷面開(kāi)挖，開(kāi)挖方法選擇為手風(fēng)鉆造孔，毫秒延期導(dǎo)爆管雷管微差起爆，周邊孔采用光面爆破，裝載機(jī)出渣，自卸汽車(chē)運(yùn)輸。考慮到出渣設(shè)備的使用需要，底板寬度須保證5m左右。所以引水洞開(kāi)挖分兩層進(jìn)行，第1次開(kāi)挖頂部5.4m，預(yù)留的底板厚度1.2m，每個(gè)作業(yè)段在第1層全部挖完后，進(jìn)行第2層的預(yù)留底板開(kāi)挖。每隔200m左右設(shè)置一個(gè)錯(cuò)車(chē)道，用于施工車(chē)輛錯(cuò)車(chē)和掉頭。3.2、 不良地質(zhì)洞段開(kāi)挖處理引水隧洞區(qū)穿過(guò)6條斷層，IV?V類(lèi)圍巖占33%，對(duì)于不良地質(zhì)洞施工除采用一般施工工藝及方法外，配合采取如下措施：（1）超前地質(zhì)探測(cè)：在開(kāi)挖過(guò)程中，加強(qiáng)地質(zhì)跟蹤及預(yù)測(cè)，利用鉆深孔超前探明圍巖性狀及巖溶、地下水和涌泥情況，以便調(diào)整采取恰當(dāng)?shù)氖┕こ绦蚣按胧_保圍巖穩(wěn)定。（2）超前排水:根據(jù)地質(zhì)探測(cè)地下涌水情況，地下水豐富的地方在開(kāi)挖后立即鉆排水孔集中排水，如果短距離超前排水效果不佳時(shí)，進(jìn)行超前排水孔布置，長(zhǎng)度在15~20m之間。（3） 超前支護(hù)：洞身V類(lèi)圍巖段及斷層破碎帶、軟弱結(jié)構(gòu)面地段開(kāi)挖前，擬采用超前錨桿支護(hù)、超前小導(dǎo)管注漿等措施，以增強(qiáng)圍巖自穩(wěn)能力，確保施工安全。（4） 開(kāi)挖鉆爆：開(kāi)挖鉆爆按照"早探測(cè)、預(yù)錨固、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、少擾動(dòng)、快封閉、勤量測(cè)〃的原則施工。開(kāi)挖前，做好地質(zhì)預(yù)報(bào)，必要時(shí)超前探測(cè)隧洞走向前方的地質(zhì)情況，根據(jù)具體采取超前錨桿、超前灌漿等預(yù)先錨固措施。在鉆孔爆破時(shí)嚴(yán)格控制循環(huán)進(jìn)尺與最大單響藥量，進(jìn)行爆破效果分析，確定合理爆破參數(shù)。（5）一次支護(hù)：按照"勤量測(cè)、快封閉〃的原則施工。每排炮鉆爆后暫不出渣，經(jīng)安全處理、平渣后，立即施作一次支護(hù)，采用砂漿錨桿、掛網(wǎng)噴混凝土、鋼支撐加強(qiáng)支護(hù)等手段，限制圍巖變形過(guò)大。（6）安全監(jiān)測(cè)措施：爆破后及時(shí)埋設(shè)施工期臨時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并進(jìn)行觀測(cè)，三倍洞徑距離以?xún)?nèi)每排炮后測(cè)量一次，十倍洞徑距離以后，視變形速率情況，可拉開(kāi)量測(cè)時(shí)間間隔。通過(guò)勤量測(cè)，及時(shí)反饋信息，指導(dǎo)開(kāi)挖支護(hù)施工，確保成洞穩(wěn)定和施工安全。（7）混凝土跟進(jìn)襯砌:通過(guò)變形觀測(cè)，如發(fā)現(xiàn)局部圍巖變形速率陡增，采取一次支護(hù)措施后尚不能滿(mǎn)足穩(wěn)定要求時(shí)，立即進(jìn)行混凝土襯砌施工。4、 缺陷成因分析4.1、地質(zhì)條件節(jié)理斷裂現(xiàn)象在巖體中分布很普遍，由于斷裂構(gòu)造破壞了巖體的連續(xù)完整性，對(duì)隧洞基巖穩(wěn)定和滲漏都有很大影響，而且常起控制作用。斷裂構(gòu)造一般分為裂隙和斷層兩種，即無(wú)明顯位移的巖體裂縫稱(chēng)裂隙，有明顯相對(duì)位移的巖體裂縫稱(chēng)斷層。影響裂隙穩(wěn)定性的因素是風(fēng)化，尤其在水的作用下更如此。相互交錯(cuò)的節(jié)理裂隙軟弱結(jié)構(gòu)面組合構(gòu)成了不穩(wěn)定巖體，在山坡水流的不斷浸蝕下，極易導(dǎo)致隧洞垮塌。4.2、 設(shè)計(jì)因素前期設(shè)計(jì)報(bào)告中所描述的地質(zhì)條件往往與實(shí)際施工過(guò)程中遇到的情況存在較大的差異，實(shí)際地質(zhì)條件可能出現(xiàn)局部圍巖突變。在隧洞施工過(guò)程中未能對(duì)圍巖地質(zhì)條件突變從設(shè)計(jì)角度及時(shí)提出變更方案和處理措施，未能及時(shí)采取加強(qiáng)支護(hù)及截排水措施。4.3、 施工因素隧洞頂部山坡經(jīng)常存在山間洼地，有地表徑流匯集。施工開(kāi)挖過(guò)程中在發(fā)現(xiàn)滲水量加大時(shí)，特別是降雨時(shí)滲水量增大的現(xiàn)象，往往不能引起足夠的重視，沒(méi)有及時(shí)采取導(dǎo)排措施，任水流通過(guò)節(jié)理裂隙下滲至隧洞，使巖石節(jié)理裂隙進(jìn)一步軟弱、泥化，使得圍巖穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，最終導(dǎo)致塌方。塌方體未能及時(shí)清理，隨著地表水流的持續(xù)浸蝕，塌方繼續(xù)發(fā)展，甚至可能發(fā)生"冒頂”。人工鉆孔爆破裝藥量不規(guī)范操作、未采取正確的開(kāi)挖支護(hù)方法等，也可導(dǎo)致隧洞塌方。5、缺陷修復(fù)方法5.1、 淤泥及堆積物處理方法引水隧洞底部沿線一般均分布有淤泥及堆積物在隧洞底部零散分布，大的堆積物分布區(qū)前面容易形成深水區(qū)。處理時(shí)將隧洞底部淤泥及堆積物清除出洞外，并用清水沖洗干凈，對(duì)底板缺陷進(jìn)行修復(fù)。隧洞投入運(yùn)行以后，放空檢查時(shí)還應(yīng)注意治理固體物質(zhì)來(lái)源點(diǎn)。5.2、 蜂窩缺陷處理方法蜂窩缺陷主要出現(xiàn)在腰線以下位置，其原因可能為：（1）未按照操作規(guī)程澆注混凝土或者未按照配合比進(jìn)行拌合，致使混凝土離析；（2）在振搗棒振搗過(guò)程中存在振搗不密實(shí)或漏振的現(xiàn)象，從而使混凝土拌合不均勻；（3）模板接觸不密實(shí)導(dǎo)致水泥漿流失，造成嚴(yán)重漏漿。處理方法有：（1）用彩筆畫(huà)出缺陷范圍，用無(wú)齒鋸沿缺陷周?chē)€鋸成燕尾槽式反坡，鋸深5mm溝槽；（2）用鐵錘配合手釬鑿除蜂窩內(nèi)混凝土渣至密實(shí)面，用吹風(fēng)機(jī)或風(fēng)槍清洗干凈，擦干水膜；（3）涂刷水泥漿底層；（4）抹壓高一級(jí)的預(yù)縮細(xì)石混凝土。5.3、 底板襯砌混凝土缺陷修復(fù)方法底板主要缺陷主要為表面磨損、露筋及凹坑三類(lèi)。對(duì)此類(lèi)缺陷一般采用恢復(fù)原狀或局部加強(qiáng)處理方法：（1）在進(jìn)行修補(bǔ)施工前，徹底清除基面上已損壞、松動(dòng)和膠結(jié)不良的表層混凝土、油污及雜質(zhì)，并以高壓水沖洗干凈，并保持干燥。（2）修補(bǔ)區(qū)有鋼筋出露并銹蝕時(shí)，提前進(jìn)行除銹處理。（3）對(duì)于底板鋼筋已斷裂或嚴(yán)重銹蝕的，采用重新植筋的方法進(jìn)行修復(fù)。（4）對(duì)于沒(méi)有露筋且修補(bǔ)深度V5cm的部位，在混凝土表面用環(huán)氧樹(shù)脂涂刷2?3層，以此形成0.1?0.2mm的增強(qiáng)保護(hù)層。（5）對(duì)于露筋且修補(bǔ)深度5cm?10cm的凹坑，將混凝土基面鑿毛2?3cm，露出鋼筋，使用C30W6F100細(xì)石混凝土填充，表面預(yù)留2cm用環(huán)氧砂漿修補(bǔ)。為保證處理質(zhì)量，先清除基面松裂混凝土殘?bào)w，以高壓水沖洗干凈，并保持干燥。為保持良好的粘結(jié)力，環(huán)氧砂漿修補(bǔ)前，修補(bǔ)基面先涂刷一層不超過(guò)1mm厚的環(huán)氧基液，力求基液涂刷薄且均勻，消除涂層中的氣泡，并在用手觸摸不粘手并能拔絲時(shí)（約30min）再填補(bǔ)環(huán)氧砂漿。環(huán)氧砂漿修補(bǔ)時(shí)，將砂漿攤鋪均勻，每層厚度不超過(guò)1?1.5cm，共2層，用鐵鏝反復(fù)壓抹，使表面翻出漿液，氣泡必須刺破壓緊。環(huán)氧砂漿修補(bǔ)分多次進(jìn)行，來(lái)回刮和擠壓，將氣泡孔內(nèi)的氣體排出，保證填充密實(shí)，待材料完成收縮后，再進(jìn)行一次涂刷處理，表面收光。環(huán)氧砂漿力學(xué)控制指標(biāo)：抗壓強(qiáng)度＞30MPa；與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度＞1.2MPa，其余相關(guān)要求（材料采購(gòu)、施工技術(shù)要求及安全防護(hù)等）應(yīng)滿(mǎn)足《DL/T5193—2004環(huán)氧樹(shù)脂砂漿技術(shù)規(guī)程》有關(guān)規(guī)定。5.4、 裂縫部位缺陷修復(fù)方法裂縫處理根據(jù)裂縫規(guī)模采取不同的處理措施：（1）對(duì)于裂縫深度＜1/10混凝土厚度，裂寬V0.3啞的細(xì)微表面裂縫，此類(lèi)裂縫可不予處理。（2）對(duì)于裂縫深度在1/10?1/2混凝土厚度之間的淺層裂縫，首先清除混凝土表面的雜物，而后利用低粘度環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行充填壓實(shí)。（3）對(duì)于裂寬〉0.3啞的縱深和貫通式裂縫。沿裂縫鑿成燕尾槽，在槽內(nèi)每隔0.5m鉆以灌漿孔，孔深為襯砌混凝土厚度的1/2?1/3，一般不少于150啞，孔徑038mm，騎縫埋入灌漿管010—020，灌漿管與燕尾槽用丙乳砂漿埋牢、封閉，養(yǎng)生3天后進(jìn)行灌漿處置。用專(zhuān)業(yè)手壓泵灌入溶性聚氨酯LW+HW混合液。5.5、 滲水部位缺陷修復(fù)方法現(xiàn)場(chǎng)若有點(diǎn)狀或面狀滲水、集中滲水現(xiàn)象，針對(duì)不同部位滲水的壓力、滲流量大小等情況分別處理。（1）輕微滲漏采用直接堵漏法，可用于滲壓水頭小于1m，漏水孔較小的情況，用環(huán)氧砂漿對(duì)破損混凝土進(jìn)行修補(bǔ)。（2）有壓力或流量較大的點(diǎn)狀或面狀滲水，在滲漏處50cm范圍內(nèi)深入基巖鉆孔4.5米，每處不少于4孔，對(duì)稱(chēng)布置，用水泥漿進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿壓力為0.8MPa。待漿液達(dá)到齡期后，撤除灌漿管，用環(huán)氧砂漿對(duì)破損混凝土進(jìn)行修補(bǔ)。5.6、 塌方冒頂?shù)奶幚矸桨杆矶此矫绊數(shù)氖鹿侍幚矸椒ㄒ话阌校海?）地表距隧洞不深，采用清除塌方并加固洞壁的方法。具體做法是從上至下將塌方清至穩(wěn)定的坡度，至基巖，然后邊清塌方邊錨固破碎的巖石，直至隧洞底部。但若地表距隧洞過(guò)深、清理工程量大、不經(jīng)濟(jì)。（2）修改洞線。在能避開(kāi)塌方因素，且修改洞線的工程量與處理塌洞工程量比不是太大的情況下，宜修改洞線。其好處是避開(kāi)危險(xiǎn)作業(yè)面，有利于人身安全；但工程量較大，水頭損失也會(huì)加大。（3）采用對(duì)塌方邊掘進(jìn)邊加固，最后襯砌的方法。該方法的缺點(diǎn)是施工難度大、有危險(xiǎn)、進(jìn)度慢。（4）管棚超前支護(hù)法，預(yù)埋超前管棚做頂板及側(cè)壁支撐，起臨時(shí)超前支護(hù)作用，防止土層坍塌和地表下沉，以保證掘進(jìn)與后續(xù)支護(hù)工藝安全運(yùn)作。管棚法通常將剛性支護(hù)和柔性支護(hù)結(jié)合使用，剛性支護(hù)通常具有足夠大的剛性和斷面尺寸，能承受強(qiáng)大的松動(dòng)地壓，常采用高強(qiáng)鋼架緊貼圍巖進(jìn)行支護(hù)。柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)既能及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，限制圍巖過(guò)大變形而出現(xiàn)的松動(dòng)，又能允許圍巖出現(xiàn)一定的變形，錨噴支護(hù)方式是主要的柔性支護(hù)類(lèi)型。噴混凝土層柔性大且與圍巖緊密粘結(jié)，因此噴層主要是受壓或受剪切，它比受撓破壞的傳統(tǒng)支護(hù)更能發(fā)揮混凝土的承載能力。此方法施工