謝幼龍，蘇建德

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072）

沙灣水電站引水隧洞地質(zhì)問題及工程處理措施

謝幼龍，蘇建德

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072）

該水電站引水隧洞為少有的有壓、長引水隧洞，末端最大內(nèi)水壓力達(dá)1.4MPa，在開挖施工過程中出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題具有普遍性和特殊性，本文闡述了該工程已出現(xiàn)的6大工程地質(zhì)問題和對應(yīng)的處理措施，重點(diǎn)論述了地下水、有害氣體及圍巖失穩(wěn)的原因和處理方式，可為后續(xù)地下工程設(shè)計(jì)、施工處理相關(guān)工程地質(zhì)問題參考、借鑒、評價(jià)。

圍巖類別；活動斷層；外水壓力；有害氣體

1 工程概況

水電站位于木里河干流水電規(guī)劃一庫六級方案中的第三級梯級電站，為引水式開發(fā)，裝機(jī)4臺，總?cè)萘?40 MW，右岸引水隧洞長18 775.723 m，開挖直徑7.8～8.2 m，襯后直徑7.2 m，引用流量124.08 m3／s，從上至下共設(shè)0～7號8個(gè)施工支洞。引水隧洞工程于2004年10月1日開工，2012年8月20日完成充水試運(yùn)行，2012年10月4臺機(jī)組相繼投產(chǎn)發(fā)電，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行發(fā)電近三年。

2 引水隧洞區(qū)基本地質(zhì)條件

隧洞沿線山體雄厚，河谷深切，呈“V”型谷，谷坡陡峻，植被發(fā)育。沿線支溝較為發(fā)育，從上至下右岸主要有日阿冬溝、陽山溝、茶布朗溝，均為常年性流水溝谷。

引水隧洞沿線出露巖性主要為奧陶系下統(tǒng)瓦廠組（O1W）板巖夾中厚層狀層紋理發(fā)育變質(zhì)石英砂巖、千枚巖，人工組（O1r）的中～厚層狀層紋理發(fā)育的變質(zhì)石英砂巖夾板巖、千枚巖，少量志留系（S1）的板巖夾千枚巖、硅質(zhì)巖和印支期輝綠巖，三疊系下統(tǒng)領(lǐng)麥溝組（T1l）的板巖夾千枚巖、硅質(zhì)板巖。巖層總體產(chǎn)狀：N30°～40°W／SW∠15°～50°。圍巖類別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三類，開挖后復(fù)核確定Ⅲ類占31.02%，Ⅳ類圍巖比例占59.20%，Ⅴ類圍巖占9.79%，以Ⅳ、Ⅴ圍巖為主。

隧洞區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，位于唐央復(fù)背斜的南西翼，發(fā)育4條區(qū)域性斷層——圓寶山、尼都、機(jī)落、茶布朗斷層，破碎帶一般寬約20～40 m，機(jī)落斷層寬達(dá)249 m，由碎裂巖、糜棱巖、角礫巖、少量斷層泥、裂隙密集帶組成，揉皺較發(fā)育及層間錯(cuò)動帶，帶寬0.3～0.5 m，隨機(jī)發(fā)育小斷層，寬度0.5～3 m，由碎裂巖、糜棱巖組成。

隧洞區(qū)物理地質(zhì)作用較顯著，主要表現(xiàn)為卸荷與崩塌，沿線崩、坡堆積的塊碎石分布較廣泛，支溝泥石流不甚發(fā)育，巖體風(fēng)化主要受巖性、構(gòu)造控制，部分地段風(fēng)化較強(qiáng)。

隧洞區(qū)地下水主要為第四系松散堆積物孔隙水和基巖裂隙水兩種類型。第四系松散堆積物孔隙水受大氣降水控制；基巖裂隙水，其賦存與運(yùn)移主要受巖性和構(gòu)造所控制，主要富積于斷層及裂隙密集帶附近，埋藏較深，向河谷及下游排泄。

3 工程地質(zhì)問題及處理

3.1 地下水問題

引水隧洞開挖編錄統(tǒng)計(jì)滲水點(diǎn)共91處，襯后缺陷排查統(tǒng)計(jì)股狀滲水點(diǎn)25處，線狀滲水點(diǎn)217處，面狀滴水點(diǎn)30處，地下水在隧洞中的出露位置有靠近地表溝谷和構(gòu)造破碎帶附近，部分滲水點(diǎn)有隨開挖時(shí)間加長滲水量逐漸減小和雨季滲量增大的特點(diǎn)，根據(jù)初設(shè)階段對河水、溝水、泉水進(jìn)行了取樣試驗(yàn)，簡分析成果表明，河水水質(zhì)類型為HCO-3-Ca＋＋型，PH＝8.0～8.1，溝水水質(zhì)類型為HCO-3-Ca＋＋型或者HCO-3-Na＋型，PH＝7.5～8.1，泉水水質(zhì)類型為HCO-3-Na＋型，PH＝9.5，據(jù)環(huán)境水腐蝕性判定標(biāo)準(zhǔn)，初步判斷工程區(qū)河水、溝水、泉水對混凝土無腐蝕性。施工期揭示引水隧洞地下水豐富，多數(shù)洞段地下水具有鐵銹色泡沫狀析出物，為進(jìn)一步查明地下水對混凝土的腐蝕性，施工期對引水隧洞重新取樣作了水質(zhì)分析，據(jù)環(huán)境水腐蝕判定標(biāo)準(zhǔn)，隧洞區(qū)環(huán)境水對混凝土也無腐蝕性。

外水壓力受很多條件影響，通常外水壓力的確定需查明地下結(jié)構(gòu)地區(qū)的地下水位，按水柱高度的靜水壓力值計(jì)算，有條件的情況下，利用長期觀測網(wǎng)直接觀測運(yùn)行期的各段地下水位，或利用埋設(shè)在隧洞內(nèi)的滲壓計(jì)，可以確定可靠的外水壓力。引水隧洞受條件限制，將已開挖隧洞地下水發(fā)育段，可能受外水壓力影響段，根據(jù)該段隧洞埋深和地下水對圍巖穩(wěn)定的影響按GB50287-2006《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中附錄Q外水壓力折減系數(shù)確定各段外水壓力值，引水隧洞埋深在180～534 m，各地下水發(fā)育段外水壓力值在0.38～1.3 MPa之間，由于隧洞內(nèi)水壓力大，仍以內(nèi)水壓力控制襯砌設(shè)計(jì)，經(jīng)襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算均能承受外水壓力要求，從運(yùn)行期各監(jiān)測斷面滲壓計(jì)觀測值對應(yīng)反映各段外水壓力值均小于所提供的外水壓力值。

由于引水隧洞開挖后地下水較豐富，給施工增加了難度，泥質(zhì)炭質(zhì)板巖、千枚巖等軟弱巖石遇水后易軟化，開挖時(shí)間較長后不及時(shí)支護(hù)易產(chǎn)生塌方和變形，底板部位易產(chǎn)生超挖，整條隧洞在施工過程中沒有采用埋管引出地下水至下游施工支洞的措施，僅襯砌時(shí)局部埋管將地下水引到隧洞內(nèi)，后對其進(jìn)行水泥和化學(xué)灌漿堵水處理。

3.2 圍巖穩(wěn)定問題

開挖過程中發(fā)生了27處大塌方，塌方量大于100 m3，分析塌方發(fā)生的地質(zhì)原因大致有4種，一是因存在高壓有害氣體，在開挖放炮過程中產(chǎn)生二次爆炸塌方，如其代表性的2號塌方段；二是受軟弱巖性和地下水控制產(chǎn)生的塌方如其代表性的25號塌方段；三是受巖層結(jié)構(gòu)面不利組合和地下水控制產(chǎn)生的塌方，如17號塌方段；四是構(gòu)造斷層破碎帶和地下水原因產(chǎn)生大塌方，如其代表性的18號段大塌方，大塌方段位置及處理簡述見表1。

表1 引水隧洞大塌方段位置及處理簡述

3.3 引水隧洞穿越活動斷層（基落斷層）和過溝淺埋問題

基落斷層為區(qū)域活動斷層，具有明顯的全新世活動性，表現(xiàn)為左旋走滑兼逆沖運(yùn)動特征。其滑動速率估計(jì)為2.1±0.3 mm／a，未來百年內(nèi)可能發(fā)生的最大突發(fā)位錯(cuò)（地震位錯(cuò)）量為1.44±0.33 m，估計(jì)基落斷裂的發(fā)震能力為6.8～7.0級。

引水隧洞在樁號8＋078～8＋327 m穿越該斷層，該段圍巖類別為Ⅴ類，開挖時(shí)一期支護(hù)采用系統(tǒng)錨桿＋掛網(wǎng)＋型鋼＋噴混凝土，二期支護(hù)采用增加襯厚和配筋，由一般Ⅴ類圍巖的C20混凝土50 cm襯厚增加為80 cm襯厚，內(nèi)層配置2層Φ32＠12.5、外層配置1層Φ32＠12.5，為加強(qiáng)型鋼筋混凝土；為盡量提高襯砌適應(yīng)變形能力，該段襯砌每個(gè)混凝土澆筑段之間均設(shè)伸縮縫，縫寬2 cm，縫內(nèi)設(shè)橡膠止水和銅片止水各一道。在樁號8＋293 m布設(shè)了安全監(jiān)測斷面2—2，對該活動斷裂及襯砌進(jìn)行監(jiān)控。

隧洞過溝淺埋段最小巖石埋深約為25 m，隧洞采用鋼板襯護(hù)，洞徑縮小為6 m。鋼板采用16MnR，壁厚采用22 mm；管外設(shè)置加勁環(huán)以保證抗外壓穩(wěn)定。

3.4 有害氣體問題

隧洞有害氣體的出現(xiàn)是有先兆的，從樁號2＋180（2007年11月16日）開始至2＋485 m段異味氣體增濃，并有發(fā)出哧哧聲的氣體出露，越接近富集氣體帶，異味感（臭雞蛋味）越強(qiáng)，在2008年3月27日凌晨2點(diǎn)左右1號支洞下游2＋495 m開挖發(fā)生施工人員中毒事故。整個(gè)引水系統(tǒng)洞室開挖以2＋180～2＋642 m段有害氣體最為嚴(yán)重，其它部位也多處有氣體溢出，但濃度小危害相對較輕。

針對洞內(nèi)出現(xiàn)的氣體，進(jìn)行了現(xiàn)場氣體檢測，使用簡易便攜式儀器：北京FD216環(huán)境氡測量儀、德國德格爾Miniwarn三合一檢測儀、德國德格爾X-am300四合一檢測儀；并對洞內(nèi)水、氣取樣，送實(shí)驗(yàn)室分析，取樣時(shí)是在通風(fēng)狀態(tài)下進(jìn)行，檢測結(jié)果局部洞段CO2、CO和O2含量超安全標(biāo)準(zhǔn)。

2008年4月26日咨詢項(xiàng)目組在現(xiàn)場檢測時(shí)，隧洞內(nèi)氣體組份中還有二氧化碳CO21.7%～2.9%，二氧化硫SO20.000 1%～0.000 76%，甲烷0.0%～0.3%。

2008年6月23日進(jìn)入引水隧道1號支洞，抽取兩袋氣樣，于24日送攀鋼集團(tuán)環(huán)境監(jiān)測站對氣體進(jìn)行檢測，其結(jié)果見表2：

表2 氣體檢測結(jié)果

現(xiàn)場檢測CO2遠(yuǎn)比其它氣體濃度高，放炮誘發(fā)巖石與CO2突出，CO2窒息加SO2、H2S中毒能引發(fā)安全生產(chǎn)事故。

針對開挖作面有害氣體爆炸的應(yīng)對措施是采取各工序的預(yù)防和防范措施，在鉆孔和裝藥過程中，施工人員必須佩戴長管呼吸器作業(yè)，并隨身佩帶化學(xué)氧氣自救器。長管呼吸器保證每位作業(yè)人員呼吸到洞外新鮮空氣，隔絕洞內(nèi)可能產(chǎn)生的有害氣體。發(fā)生緊急情況（如檢測到大量有害氣體涌出）時(shí)，先打開化學(xué)氧自救器，進(jìn)行一次深呼吸后屏住呼吸，取下長管呼吸器，迅速戴上化學(xué)自救器進(jìn)行呼吸，30 min內(nèi)撤離洞外。整個(gè)過程中保證人員不會呼吸到洞內(nèi)氣體。

每一次開挖循環(huán)，采用掌子鉆孔6 m先導(dǎo)孔，爆破1.5～2 m的方法。鉆孔6 m為超前鉆探，對巖體內(nèi)可能存在的氣囊進(jìn)行提前釋放卸壓。爆破1.5～2 m，留4～4.5 m巖壁，具有足夠的抵抗力，防止高壓氣囊沖破薄層巖壁，以免造成氣體和巖石突出。

鉆進(jìn)作業(yè)期間，隨時(shí)有一名專職檢測人員進(jìn)行旁站氣體檢測，發(fā)現(xiàn)異常，立即通知所有作業(yè)人員撤離洞外。作業(yè)期間，洞外空氣壓縮機(jī)不得關(guān)停，發(fā)生停電等情況時(shí)，迅速組織人員撤離。

執(zhí)行洞外放炮、加強(qiáng)通風(fēng)，直至洞內(nèi)空氣質(zhì)量達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)為止。

3.5 地?zé)釂栴}

主要發(fā)生在5號支洞下游和6號支洞上游，洞內(nèi)溫度高達(dá)35～40℃，隧洞垂直埋深在400～500 m，其地?zé)崤c埋深和洞內(nèi)通風(fēng)密切相關(guān)，地?zé)彷^高地段一般地下水不發(fā)育，處理方法是加強(qiáng)通風(fēng)，增加施工人員飲水和縮短洞內(nèi)工作時(shí)間。

3.6 巖爆問題

主要發(fā)生在深埋的硬質(zhì)巖中，開挖過程中，僅在SW／CI-1標(biāo)段奧陶系下統(tǒng)（O1r）地層中的砂巖里發(fā)生過一次輕微巖爆，巖塊彈出距離很短，產(chǎn)生巖爆位置埋深約420 m，此外沒有發(fā)現(xiàn)有巖爆發(fā)生，基本不存在巖爆問題。

4 結(jié) 語

該水電站自2012年10月全部機(jī)組投運(yùn)以來，經(jīng)歷了2013、2014兩年完整的水文年運(yùn)行檢驗(yàn)，累計(jì)發(fā)電量14.66億kW·h，單機(jī)運(yùn)行時(shí)間2 000 h以上，根據(jù)引水隧洞安全監(jiān)測成果資料分析表明，引水隧洞圍巖變形已基本趨于穩(wěn)定，混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形較小，基巖面與襯砌面結(jié)合度較好，目前引水系統(tǒng)處于安全穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

簡訊

桐子林水電站工程首批機(jī)組通過啟動驗(yàn)收

10月13日，國網(wǎng)四川省電力公司在蓉組織召開桐子林水電站工程首批（1號、2號機(jī)組）啟動驗(yàn)收會議。國網(wǎng)四川省電力公司、四川省各級政府部門、水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院、國投、川投、水電工程質(zhì)量監(jiān)督總站、雅礱江水電開發(fā)有限公司、中國電建水電七局、華咨監(jiān)理公司等單位領(lǐng)導(dǎo)及代表、我院機(jī)電處相關(guān)負(fù)責(zé)人及桐子林項(xiàng)目部參會。

會議通過認(rèn)真討論，桐子林水電站工程首批機(jī)組順利通過啟動驗(yàn)收。

（本刊編輯部）

TV554

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1003-9805（2015）04-0077-03

2015-06-29

謝幼龍（1957-），男，四川成都人，高級工程師，從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。