方光達(dá)

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京　100120)

?

水電地下工程病害剖析及風(fēng)險(xiǎn)防治

方光達(dá)

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120)

摘要：水電工程建設(shè)及運(yùn)行過程中，受不良地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)質(zhì)量、施工質(zhì)量等因素影響，地下廠房、輸水隧洞、壓力管道等地下工程，出現(xiàn)了諸如塌方冒頂、圍巖開裂變形、噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、混凝土襯砌開裂或脫落、隧洞爆裂、高外水壓力危害、高地應(yīng)力危害等各種類型病害，對(duì)地下工程安全、投資及工期造成了重大影響。通過對(duì)中國國內(nèi)水電地下工程出現(xiàn)的病害案例進(jìn)行剖析，加強(qiáng)對(duì)工程前期、建設(shè)及運(yùn)行階段的病害風(fēng)險(xiǎn)管理，有助于保障地下工程的安全建設(shè)與運(yùn)行。關(guān)鍵詞：水電站；地下工程;病害案例;病害防治;風(fēng)險(xiǎn)管理

0前言

2000年新世紀(jì)以來，中國水電地下工程建設(shè)進(jìn)入了高速發(fā)展階段，陸續(xù)建成了龍灘、水布埡、小灣、拉西瓦、構(gòu)皮灘、瀑布溝、溪洛渡、錦屏一級(jí)、糯扎渡等一大批大型和超大型地下水電站，地下廠房、水工隧洞等地下工程建設(shè)取得了巨大的成就，目前白鶴灘、烏東德、雙江口、兩河口、猴子巖、黃登等一批巨型地下水電站引水及發(fā)電廠房系統(tǒng)也正在建設(shè)或進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。受不良地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)質(zhì)量、施工質(zhì)量等因素影響，地下工程建設(shè)中所出現(xiàn)的諸如塌方冒頂、圍巖開裂變形、噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、混凝土襯砌開裂或脫落、隧洞爆裂、高外水壓力危害、高地應(yīng)力危害等各種類型病害，對(duì)工程安全、投資及工期造成了重大影響。目前的研究成果對(duì)水電地下工程建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)和成就闡述得較多，而對(duì)地下工程出現(xiàn)的病害案例剖析的較少，更缺乏系統(tǒng)的病害分類、原因分析及治理方面的成果。本文通過總結(jié)歸納中國國內(nèi)地下工程建設(shè)中出現(xiàn)的病害現(xiàn)象，對(duì)其原因進(jìn)行剖析，并提出了前期階段、建設(shè)階段、運(yùn)行階段的病害風(fēng)險(xiǎn)管理思路，有助于保障地下工程的安全建設(shè)與運(yùn)行。

1工程病害類型及產(chǎn)生原因

1.1工程病害定義

病害的含義通常是指植物在生長(zhǎng)期因細(xì)菌、真菌、病毒、藻類或不適宜的氣候與土壤等因素而造成的發(fā)育不良、枯萎或死亡現(xiàn)象，屬于自然災(zāi)害[1]。但近年來，一些文章也將病害引申至橋梁[2-5]、房屋[6-8]、地基[9-10]、混凝土結(jié)構(gòu)[11-12]等工程領(lǐng)域。為避免觸及工程建設(shè)各方的責(zé)任，本文將所有因自然或因?qū)ψ匀灰蛩卣J(rèn)識(shí)不足的人為原因?qū)е碌氖鹿?、破壞、缺陷、破損等影響工程建設(shè)、結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)行功能的不良現(xiàn)象，統(tǒng)稱為“工程病害”。

1.2病害類型及產(chǎn)生原因

水電地下工程病害產(chǎn)生的主要原因，可以歸納為自然原因(不良地質(zhì)條件、不良?xì)夂驐l件)、人為原因(設(shè)計(jì)原因、施工原因、運(yùn)行管理不當(dāng)?shù)?、自然及人為綜合原因3個(gè)方面。根據(jù)病害發(fā)生情況及產(chǎn)生原因，可將水電地下工程主要病害初步劃分為15種類型，如表1。

表1　水電地下工程病害類型及產(chǎn)生原因歸納表

2地下工程病害案例

2.1錦屏一級(jí)水電站地下廠房

地下電站主廠房尺寸為276.99 m×25.60(28.90) m×68.80 m(長(zhǎng)×寬×高，下同)，主廠房與主變室之間的巖柱厚度44.9 m，廠房縱軸線方向NW65°。地下洞室群圍巖為大理巖夾綠片巖，以Ⅲ1類為主，巖層總體產(chǎn)狀N40°～70°E，NW∠30°～∠40°。 f13、f14 、f18斷層從廠房通過，走向與廠房軸線大角度相交。 地下廠區(qū)最大主應(yīng)力σ1達(dá)35.7 MPa，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比一般介于1.5～3.0之間，屬于高～極高應(yīng)力區(qū)。

地下廠房洞室群建設(shè)期間發(fā)生的病害主要有圍巖劈裂剝落、內(nèi)鼓彎折、卸荷開裂、主廠房拱腳巖石劈裂、主變室下游拱座噴層裂縫、圍巖松弛破壞、主廠房與主變室之間的巖柱開裂、洞室圍巖變形普遍偏大、支護(hù)結(jié)構(gòu)超限較多、補(bǔ)充支護(hù)工程量大等。高地應(yīng)力及不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)面是廠房等洞室圍巖發(fā)生病害及產(chǎn)生破壞作用的主要原因。

廠房下游拱座巖體松弛深度7～12 m，最深16.5 m，其中強(qiáng)松弛深度最深約9 m，典型強(qiáng)松弛孔內(nèi)成像如圖1所示。主變室上游邊墻巖體松弛深度8～17 m，最深約18 m。地下洞室全部開挖完成后洞周圍巖大于10 cm的變形約9%，大于8 cm約20%，大于5 cm約25%，主變室最終洞周位移最大值大于20 cm。三大洞室監(jiān)測(cè)錨索超過設(shè)計(jì)荷載，占監(jiān)測(cè)錨索總荷載的28.44%。16根監(jiān)測(cè)錨索荷載出現(xiàn)松弛突降現(xiàn)象。三大洞室監(jiān)測(cè)錨桿127根，有20根實(shí)測(cè)應(yīng)力值超過300 MPa，占監(jiān)測(cè)錨桿總數(shù)的15.7%。

圖1　典型強(qiáng)松弛孔內(nèi)成像圖

錦屏一級(jí)地下廠房的松弛區(qū)深度及表面變形量值已遠(yuǎn)超過原來的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)地下洞室群的穩(wěn)定安全性如何評(píng)估，需要加深研究。

2.2瀾滄江功果橋水電站地下廠房

主廠房開挖尺寸為175.0 m×27.4(25.2)m×74.45 m(長(zhǎng)×寬×高)，主廠房與主變室之間的巖柱厚度40.0 m；圍巖主要為變質(zhì)砂巖、石英砂巖及砂質(zhì)板巖，以Ⅲ類為主。實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力量值10 ～13 MPa，方位N28°～30°E，與廠軸交角小于25°。

2009年6月，功果橋地下廠房開挖至發(fā)電機(jī)層時(shí)，三大洞室上游拱腳部位的噴層均出現(xiàn)了平行于廠房軸線方向的裂縫。主廠房廠右、下游邊墻1 253.00 m高程以上錨索測(cè)力計(jì)超過有效量程的5%～18%；尾調(diào)室上游、左端墻分別超過測(cè)力計(jì)有效量程的9.4%～24.9% 。

2.3甘肅三道灣水電站地下廠房

地下廠房尺寸為71.3 m×21 m×37 m， 圍巖為粉砂泥質(zhì)板巖、夾砂質(zhì)板巖，巖石層理及板理發(fā)育。頂拱圍巖為Ⅳ類，邊墻圍巖為Ⅲ、Ⅳ類，整體穩(wěn)定性及自穩(wěn)能力差。廠區(qū)最大地應(yīng)力約7 MPa。2011年5月拱頂發(fā)生59 m段長(zhǎng)的塌方，塌方最大高度14.7 m，塌方量約8 000 m3。

2.4大崗山水電站地下廠房

地下廠房位于左岸山體內(nèi)，埋深約400 m。主廠房尺寸為226.58 m×30.8 m×74.6 m；主變室尺寸為長(zhǎng)度144 m×19.3 m×25.8 m；尾水調(diào)壓室長(zhǎng)度132 m×24.3 m×77.1 m。

圍巖為黑云二長(zhǎng)花崗巖，并有輝綠巖脈穿插。主廠房洞室以Ⅲ類圍巖為主，地應(yīng)力量值為11.37～22.19 MPa。2008年12月中旬，在主廠房第Ⅰ層頂拱上游側(cè)擴(kuò)挖時(shí)，4號(hào)機(jī)組段的β80輝綠巖脈破碎帶部位頂拱發(fā)生了塌方，塌腔總高度約33 m，塌方量約3 500 m3(圖2)[13-15]。

圖2　大崗山地下廠房頂拱塌方形狀圖

2.5坪頭水電站地下廠房

總裝機(jī)容量為180 MW。主機(jī)間尺寸為44 m×18.6 m×39.6 m；主變室開挖跨度14.6 m，最大高度26.91 m。主廠房、主變室平行布置，之間巖柱厚度為28.5 m。

廠房圍巖為中厚層細(xì)晶白云巖，巖層總體產(chǎn)狀為N60°～70°E/SE∠30°～∠40°，沿層面和近南北向陡傾角張性結(jié)構(gòu)面發(fā)育有強(qiáng)風(fēng)化夾層和巖溶現(xiàn)象，對(duì)地下廠房邊墻及頂拱圍巖穩(wěn)定不利。圍巖以Ⅲ～Ⅳ類為主，總體穩(wěn)定條件較差。

在地下廠房建設(shè)工程中，出現(xiàn)了地下巖溶管道涌水、左拱座巖體順層滑動(dòng)變形、頂拱混凝土開裂、漏筋、鋼筋變形及多處混凝土掉塊等不良病害[16-17](圖3)。由于地下水位高，涌水量大，廠房下挖不敢繼續(xù)，將地下廠房整體上抬了15 m，已完成的頂拱混凝土襯砌及支護(hù)進(jìn)行拆除，重新開挖頂拱并重新支護(hù)與襯砌。導(dǎo)致投資增加及工期加長(zhǎng)，且運(yùn)行期減少電量約1 700萬kWh。

2.6拉西瓦水電站地下廠房

地下廠房總長(zhǎng) 311.75 m，其中主廠房尺寸為279.75 m×30 m×74.84 m；內(nèi)裝6臺(tái)700 MW 的水輪發(fā)電機(jī)組，地下廠房下游側(cè)主變開關(guān)室尺寸為 232.60 m× 28.7 m× 51 m。 圍巖為堅(jiān)硬致密的花崗巖，以Ⅱ、Ⅲ類為主。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試, 地下廠房區(qū)最大主壓應(yīng)力29.7 MPa。在建設(shè)中，出現(xiàn)了因高地應(yīng)力產(chǎn)生的巖爆現(xiàn)象較為普遍，主要表現(xiàn)為塌方、圍巖板狀剝落、洞壁巖體板狀劈裂、羽狀劈裂、巖片(塊)彈落、巖石爆裂聲響等病害現(xiàn)象[18]。

圖3　頂拱混凝土襯砌破壞、漏筋及鋼筋壓彎照片

2.7錦屏二級(jí)水電站引水隧洞

引水隧洞單洞長(zhǎng)16.7 km，開挖直徑一般為13.0 m。引水隧洞線路長(zhǎng)、埋深大、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜。自西向東隧洞圍巖分別為T2z雜谷腦組大理巖、T2b白山組大理巖、T2y鹽塘組大理巖，其余為T1綠片巖和T3砂板巖。

隧洞最大埋深達(dá)2 525 m，回歸的最大地應(yīng)力達(dá)63 MPa，在建設(shè)工作中出現(xiàn)了巖石鼓脹破裂、噴層開裂剝落、塌方等巖爆現(xiàn)象明顯，圍巖松弛深度較大[19-21]。1號(hào)引水隧洞最大松馳圈深度在T1綠泥石片巖洞段，松馳圈深度在2.4～6.6 m，最大松弛深度13 m；其它洞段松馳圈深度一般在0.8～3.2 m，部分在3.4～5.4 m，個(gè)別在5.8～6.2 m。Ⅱ、Ⅱb、Ⅲ類圍巖松馳圈平均深度小于2 m，測(cè)得最大深度達(dá)5.2 m，Ⅲb、Ⅳ類圍巖松馳圈平均深度1.7～2.8 m，測(cè)得最大松馳圈深度達(dá)6.4 m。原來有1/3洞段采用噴錨支護(hù)，由于洞周巖體松弛的影響技施階段全長(zhǎng)采用鋼筋混凝土襯砌。

最大外水壓力水頭約1 000 m，施工中開挖出現(xiàn)射流、噴霧等高壓涌水問題，單點(diǎn)最大涌水量大于3 m3/s；2012年8月30日暴雨期間，隧洞最大外水頭約200 m，西端及東端均發(fā)現(xiàn)多處混凝土抬動(dòng)及裂縫射水或出水現(xiàn)象。

西端綠泥片巖洞段，綠泥石片巖飽和抗壓強(qiáng)度約19.47 MPa，強(qiáng)度的軟化系數(shù)為0.5；飽和情況下綠泥石片巖的平均彈性模量為3.54 GPa，僅為大理巖的11.7%(30.13 GPa)。由于綠泥片巖強(qiáng)度及變形模量低，洞室開挖變形大且隧洞縮徑現(xiàn)象較為明顯，總長(zhǎng)約400 m。部分變形量在20～60 cm之間，局部甚至超過1 m。

由于運(yùn)行期外水壓力高，隧洞還存在圍巖穩(wěn)定、圍巖滲透穩(wěn)定、襯砌結(jié)構(gòu)抗外壓穩(wěn)定等關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.8美姑河柳洪水電站高壓管道爆裂事故

2006年11月10日，柳洪水電站引水系統(tǒng)開始充水，11月18日壓力管道附近地表發(fā)現(xiàn)異常涌水現(xiàn)象。11月23日，4號(hào)碴場(chǎng)及壓力管道制作場(chǎng)區(qū)域的土坡開始出現(xiàn)大范圍變形，有大量呈塑流狀土體泄入美姑河中， 滑落于美姑河中的水上部分土體體積為30萬m3左右。滑坡堵塞美姑河及美姑縣內(nèi)省道，見圖4。放空檢查發(fā)現(xiàn)：高壓管道上斜井鋼筋混凝土襯砌段開裂，存在脫空、破碎、剝落及裂縫密集、漏筋等破壞情況，造成洞周巖體高壓滲透破壞和嚴(yán)重滲漏，誘發(fā)了山體滑坡。

事故主要原因：① 灌漿施工質(zhì)量差，甚至造假未進(jìn)行任何固結(jié)灌漿。② 施工縫冷縫未做好處理，上斜段21條施工縫，僅有3條較好未形成冷縫，其余縫無任何粘結(jié)，甚至縫面完全張開。在內(nèi)水高水頭的工況下，必然形成內(nèi)水外滲另一個(gè)主要通道。③ 灌漿孔未封堵或封堵質(zhì)量差。

圖4　滑坡堵塞美姑河道照片

2.9寶泉蓄能電站高壓管道滲漏，山體冒水

自2010年1月，引水道滲漏量不斷增加，最大達(dá)到800 L/s。引水發(fā)電系統(tǒng)所在山體地表出現(xiàn)滲漏水，個(gè)別滲水處崩塌堆積體出現(xiàn)淺層失穩(wěn)。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)，上斜井高程620.00～540.00 m之間砂巖段漏水量較大，部分出水點(diǎn)出露承壓水(圖5)，襯砌混凝土裂縫較多，以縱向裂縫為主，最長(zhǎng)裂縫達(dá)20～25 m。

事故主要原因是固結(jié)灌漿未達(dá)到預(yù)期的效果，從而導(dǎo)致引水系統(tǒng)混凝土襯砌結(jié)構(gòu)開裂及漏水，漏水量異常增加影響到工程的安全運(yùn)行，并對(duì)山體穩(wěn)定安全性構(gòu)成威脅。

圖5　　　　引水道高程610.00 m襯砌結(jié)構(gòu)裂縫及外水內(nèi)　　　滲情況圖

2.10廣州抽水蓄能電站二期鋼筋混凝土高壓岔管滲漏

廣蓄二期引水隧洞首次充水期間，引水隧洞右側(cè)南支洞洞壁巖石發(fā)生水力劈裂，裂隙大量滲水，水壓力很高，呈噴射狀霧狀水幕，部分已汽化并發(fā)出陣陣呼嘯聲；岔管及支管附近滲壓計(jì)壓力，比充水前最大增加538 m；1號(hào)排水洞中24支底板排水孔均出水，測(cè)壓水頭在300～600 m，一只壓力表因超過設(shè)計(jì)量程而失靈。主副廠房頂拱大面積滴水，上游邊墻吊車粱的上方墻面多處滲水。 充水至第6天，南支洞滲水32 L/s，S5滲壓水壓水位765.00 m，比上庫水位僅低35 m。

圖6　天荒坪二期高壓岔管平面圖

水道放空檢查發(fā)現(xiàn)，高壓岔管及各支岔管混凝土均有不同程度的裂縫，不規(guī)則分布，大多為充水后新裂縫，其中以8號(hào)支彎管和7號(hào)主岔管最多，8號(hào)支彎管鋼筋混凝土上最大一條裂縫寬2 mm，環(huán)向貫穿全斷面[22]。

事故主要原因分析：高壓岔管與1號(hào)排水洞之間的水力坡降達(dá)19，水力坡降偏大；二期岔管處圍巖中發(fā)育1組NW向張扭性節(jié)理，透水性較好。

2.11羊卓湖抽水蓄能電站壓力隧洞混凝土襯砌脫落

1996年10月放水后停水檢查，發(fā)現(xiàn)上平段混凝土開裂脫落。分析認(rèn)為是由于施工質(zhì)量差，運(yùn)行時(shí)在內(nèi)水壓力作用下襯砌開裂，內(nèi)水外滲；運(yùn)行后又突然關(guān)機(jī)，放水速度過快，在外水壓力作用下，混凝土襯砌大片脫落。為處理襯砌開裂問題，最后決定將原2.7 km上平段鋼筋混凝土襯砌改為鋼襯[23]。

2.12十三陵抽水蓄能電站1號(hào)尾水洞混凝土開裂

1號(hào)尾水洞1997年11月停水檢查，發(fā)現(xiàn)0+793.85 m～0+803.48 m段的洞頂約有10 m2混凝土開裂，形成凹坑，有部分鋼筋外露、拉斷，該襯砌段整體上抬10～30 cm。

主要原因：洞頂混凝土存在3.25 m空腔未被回填情況，再加上施工中取消了回填灌漿，改用一次固結(jié)灌漿，襯砌與圍巖嚴(yán)重脫空，導(dǎo)致洞頂大量混凝土開裂、脫落[23]。

2.13江西蔡坊水電站淺埋壓力隧洞爆裂

試運(yùn)行壓力隧洞發(fā)生爆裂，滲透水流從山體內(nèi)沖出，形成泥石流，淹沒廠房和開關(guān)站，廠房淹沒水深8.1 m，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，但未造成人員傷亡。檢查結(jié)果，在長(zhǎng)度9.4 m鋼筋混凝土襯砌洞段(兩條施工縫之間)，有寬7～21 cm的裂縫。失事的主要原因：下平段最大水頭124.92 m，實(shí)際覆蓋層厚僅18.55～20.35 m，不滿足規(guī)范埋深要求[23]。

2.14江西遂川縣安村水電站壓力隧洞淺埋段鋼筋混凝土襯砌開裂漏水

近廠房壓力管道段鋼襯設(shè)計(jì)水頭143.3 m，下平段隧洞設(shè)計(jì)水頭127.55 m。蓄水發(fā)電后發(fā)現(xiàn)山坡集中出水，放空檢查發(fā)現(xiàn)，自調(diào)壓井至鋼管段(3+270 m～3+431 m)161 m洞段，鋼筋混凝土襯砌開裂、滲水，有不同程度的裂縫100多條，最大縫寬2.2 mm。設(shè)計(jì)復(fù)核發(fā)現(xiàn)：下平段3+270 m～3+431 m巖體風(fēng)化嚴(yán)重，呈碎裂結(jié)構(gòu)，覆蓋層厚度18～80 m，部分洞段覆蓋層厚度不夠；圍巖未進(jìn)行固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)，灌漿混凝土亦未按抗裂設(shè)計(jì)，圍巖所能提供的彈性抗力不高，鋼筋應(yīng)力偏大，襯砌裂縫開度大，促成內(nèi)水外滲。另外該段少量洞頂環(huán)向受力鋼筋施工中割斷后，既未焊接復(fù)原也未綁扎復(fù)原，影響襯砌和鋼筋受力[23]。

2.15白蓮河抽水蓄能電站壓力隧洞段嚴(yán)重滲漏

1963年1月壓力隧洞充水，洞內(nèi)水頭41 m，充水后2～20 min，即出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)水外滲現(xiàn)象，廠房后緣山坡、支洞及變壓器平臺(tái)大量滲水，總漏水量達(dá)40 L/s，最高逸出點(diǎn)高出支洞約30 m。經(jīng)環(huán)氧砂漿鉤縫(總鉤縫長(zhǎng)約1 200 m)，所有滲水點(diǎn)均不再滲水，至今運(yùn)行正常。

事故原因分析：① 廠房后緣山坡、下平段支洞及變壓器平臺(tái)覆蓋層巖體厚度薄，分別為5～25 m，巖體裂隙發(fā)育，泥質(zhì)沖填，彈性抗力低。② 襯砌施工質(zhì)量差，支洞頂拱超挖系用漿砌石回填。③ 工作縫未設(shè)止水，灌漿孔封堵不良，導(dǎo)致內(nèi)水外滲[23]。

2.16太平驛水電站壓力隧洞襯砌脫落

1995年2月11日停機(jī)后進(jìn)隧洞檢查發(fā)現(xiàn)在3+510 m～10+122 m洞段存在襯砌脫落、開裂等現(xiàn)象。3+510 m～10+122 m洞段洞頂中線附近3～4 m范圍內(nèi)，有25處混凝土脫落，總長(zhǎng)度約271.5 m。隧洞頂部沿中線附近3～4 m范圍內(nèi)，有不規(guī)則環(huán)狀裂縫28處，長(zhǎng)約375 m。隧洞沿中線有縱向裂縫17處，長(zhǎng)約150 m。洞身腰線以上也有不同程度裂縫如冷縫、斜向或水平裂縫，其中8+036 m～8+320 m處裂縫較多[23]。

原因分析： 采用先邊墻頂拱后底拱襯砌法，造成許多反縫，橫縫和反縫多處滲水，止水效果很差；頂拱3～4 m范圍頂拱混凝土未澆滿，回填不密實(shí)，是造成局部頂拱混凝土開裂、脫落等質(zhì)量問題的直接原因。

3地下工程病害風(fēng)險(xiǎn)防治措施

地下工程病害如果不加強(qiáng)預(yù)防和治理，會(huì)對(duì)工程的施工安全、圍巖穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)行安全造成不利影響，甚至造成嚴(yán)重事故，給工程安全及生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失。因此，應(yīng)從工程前期設(shè)計(jì)階段開始，對(duì)地下病害的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行防控，并貫穿于地下工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行整個(gè)生命周期中，以確保工程安全。

3.1前期工作中防控措施

在預(yù)可行性研究及可行性研究等前期工作中，應(yīng)從查明主要地質(zhì)問題、做好地下工程場(chǎng)址及位置選擇、優(yōu)選合理建設(shè)方案等方面，加強(qiáng)病害的系統(tǒng)防控工作，此時(shí)防控的主體主要為設(shè)計(jì)單位。主要措施有以下幾個(gè)方面。

(1) 加強(qiáng)基礎(chǔ)資料分析及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)工作。在前期各設(shè)計(jì)階段，應(yīng)詳查地下工程的主要地質(zhì)問題，對(duì)地質(zhì)勘察資料加強(qiáng)分析與研究，預(yù)測(cè)建設(shè)中可能出現(xiàn)的病害類型及其危害程度，制定有關(guān)病害的管理及工程預(yù)防措施。

(2) 優(yōu)選地下廠房及隧洞位置。為降低地下工程可能出現(xiàn)的病害及風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)優(yōu)選地下廠房位置、軸線及隧洞布置，選擇圍巖穩(wěn)定性好、質(zhì)量較優(yōu)的位置，以利于工程的順利建設(shè)，同時(shí)還要考慮地應(yīng)力、結(jié)構(gòu)面等因素的影響，兼顧高壓岔管位置的選擇；對(duì)地下廠房、主變室、尾調(diào)室等地下洞室群，應(yīng)考慮三大洞室布置方式及洞室間距選擇，保留足夠的巖體厚度以減少塑性區(qū)的范圍，避免發(fā)生塑性區(qū)貫穿情況及水力劈裂的發(fā)生，增加圍巖整體穩(wěn)定性。對(duì)因條件限制而洞室間距偏小時(shí)，應(yīng)采取加強(qiáng)支護(hù)措施。

(3) 合理選擇洞室開挖斷面。對(duì)洞室的斷面形狀，應(yīng)考慮巖性、巖體類別、地應(yīng)力條件等，采取有利于圍巖穩(wěn)定的斷面。一般情況可采用城門洞形，對(duì)于軟巖，可采用圓形斷面、馬蹄形隧洞斷面，高地應(yīng)力區(qū)，以圓形斷面為優(yōu)。

(4) 合理選擇支護(hù)設(shè)計(jì)方案及支護(hù)參數(shù)。應(yīng)根據(jù)查明的主要地質(zhì)條件，合理確定圍巖支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)，避免因支護(hù)強(qiáng)度不夠發(fā)生塌方、變形、圍巖開裂等病害后果。

(5) 合理選擇襯砌設(shè)計(jì)方案。應(yīng)根據(jù)地下洞室的使用要求及圍巖條件，確定襯砌方案，如隧洞可采用混凝土襯砌或鋼管襯砌方案，非過流的地下洞室，一般以柔性噴錨支護(hù)為主，必要時(shí)也需采用鋼筋混凝土襯砌方案。

(6) 合理選擇洞室開挖程序及施工方案。合理選擇地下洞室群開挖順序，有利于施工期圍巖穩(wěn)定并減小變形、錨桿、崩塌等病害，如地下廠房頂拱可采用中導(dǎo)洞或邊導(dǎo)洞開挖順序，先開挖周邊排水洞，相鄰洞室可采用跳洞開挖施工等。采用控制爆破或光面爆破、預(yù)裂爆破技術(shù)，可減少巖石的松弛深度。預(yù)留保護(hù)層，采取預(yù)錨措施，如長(zhǎng)錨筋樁或不張拉錨索預(yù)錨不失為有效的措施。

(7) 合理選擇防滲排水布置方案，防止圍巖水力劈裂及過量滲漏。

(8) 合理選擇監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)布置。根據(jù)圍巖地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況、巖性及類別、洞室體型等情況，要有針對(duì)性布置監(jiān)測(cè)斷面及重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，控制施工期圍巖的工作性態(tài)。

(9) 做好圍巖穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)安全分析研究，確定合理的安全控制指標(biāo)。在前期工作中，應(yīng)做好圍巖穩(wěn)定分析工作，對(duì)圍巖變形、外水壓力、松弛深度、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力等指標(biāo)初步提出控制指標(biāo)，并在施工過程中，根據(jù)監(jiān)測(cè)資料，及時(shí)評(píng)價(jià)圍巖及支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。

(10) 加強(qiáng)地下工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估工作。根據(jù)初步查明的地下工程地質(zhì)條件，對(duì)可能存在的病害及風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)先評(píng)估，并提出工程建設(shè)中的初步控制措施。

3.2建設(shè)階段的風(fēng)險(xiǎn)防控措施

地下工程建設(shè)階段，隨著施工過程中對(duì)地質(zhì)情況的進(jìn)一步揭露，設(shè)計(jì)需對(duì)前期階段設(shè)計(jì)方案及風(fēng)險(xiǎn)防控的合理性進(jìn)一步復(fù)核，并進(jìn)行必要的調(diào)整；施工單位除嚴(yán)格遵照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工外，應(yīng)及時(shí)反饋工程建設(shè)中出現(xiàn)的病害問題，和其他參建各方一起精心對(duì)施工方案及工藝進(jìn)行研究，完善地下工程的病害治理及防控方案，確保地下工程建設(shè)安全。此時(shí)的病害風(fēng)險(xiǎn)防控主體已由前期階段的設(shè)計(jì)單位，轉(zhuǎn)為項(xiàng)目業(yè)主、監(jiān)理、施工單位、設(shè)計(jì)單位的所有參建單位。病害的主要防控措施有以下幾個(gè)方面。

(1) 確定合理的開挖方案及開挖順序。根據(jù)施工通道開挖揭露情況，進(jìn)一步復(fù)核地質(zhì)條件，提前預(yù)測(cè)下一步可能存在的風(fēng)險(xiǎn)和地質(zhì)問題，對(duì)開挖方案及順序進(jìn)行必要調(diào)整；如預(yù)先開挖排水洞，保證洞室干地施工，可提高圍巖穩(wěn)定性；必要時(shí)，可預(yù)先進(jìn)行錨固及預(yù)灌漿處理措施。

(2) 做好地下工程突涌處理。對(duì)地下突涌水問題，首先進(jìn)行引水、排水處理，制定堵水措施及出水點(diǎn)永久處理方案。如對(duì)裸巖進(jìn)行高壓固結(jié)灌漿，并在支護(hù)及襯砌后對(duì)位進(jìn)行二次高壓補(bǔ)充灌漿等，同時(shí)對(duì)突涌水處的圍巖及結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行復(fù)核。

(3) 做好巖爆預(yù)防及處理。為降低巖爆的不利后果，可采用超前鉆孔應(yīng)力解除，超前縫管式錨桿預(yù)注高壓水，短進(jìn)尺開挖，開挖面、掌子面噴灑冷水，及時(shí)噴鋼纖維混凝土或掛網(wǎng)噴混凝土，阻止圍巖張裂、松動(dòng)、塌落或彈飛，及時(shí)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)等防控措施，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、注意施工安全。

(4) 做好圍巖松弛問題的預(yù)防及處理。圍巖松弛量值過大，特別是超過一般工程經(jīng)驗(yàn)時(shí)，會(huì)對(duì)圍巖穩(wěn)定造成巨大威脅。應(yīng)加強(qiáng)圍巖變形監(jiān)測(cè)及松弛程度、深度的探測(cè)工作，對(duì)施工開挖方案進(jìn)行合理調(diào)整，及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，增加支護(hù)強(qiáng)度，對(duì)松弛圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，維持圍巖完整性。

(5) 重點(diǎn)對(duì)建設(shè)期圍巖變形穩(wěn)定問題進(jìn)行及時(shí)評(píng)估。對(duì)于圍巖變形過大問題，應(yīng)加強(qiáng)圍巖變形原因分析及預(yù)測(cè)、變形對(duì)圍巖及結(jié)構(gòu)的影響分析等工作，評(píng)價(jià)圍巖變形的可接受程度，及時(shí)采取控制圍巖不利變形的工程措施，并加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)資料及時(shí)分析與評(píng)估。

(6) 提前預(yù)防預(yù)測(cè)圍巖塊體穩(wěn)定及塌方。應(yīng)提前預(yù)測(cè)可能的塌方部位，采用超前加固手段，及時(shí)采取支護(hù)加固措施，對(duì)重點(diǎn)部分加強(qiáng)監(jiān)測(cè)資料分析，提前消除危險(xiǎn)。

(7) 及時(shí)評(píng)估支護(hù)結(jié)構(gòu)超限的不利影響并采取加強(qiáng)措施。應(yīng)統(tǒng)計(jì)錨桿、錨索支護(hù)力超限比例，分析超限原因，對(duì)圍巖穩(wěn)定性復(fù)核評(píng)價(jià)，必要時(shí)采用增加預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿等加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度措施。

(8) 對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)整。地下工程設(shè)計(jì)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，應(yīng)根據(jù)不斷揭露的地質(zhì)條件及存在問題，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)方案調(diào)整，根據(jù)圍巖變形特性，研究采用及時(shí)支護(hù)方案或適時(shí)支護(hù)方案，使支護(hù)強(qiáng)度與圍巖變形處于動(dòng)態(tài)平衡，并對(duì)支護(hù)工程量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

(9) 合理解決地下工程支護(hù)工程量計(jì)付問題，隨著施工的不斷進(jìn)展，地下開挖及支護(hù)工程量與前期設(shè)計(jì)相比，可能會(huì)發(fā)生變化，甚至增加較多。應(yīng)合理解決系統(tǒng)支護(hù)及隨機(jī)支護(hù)工程量、臨時(shí)支護(hù)及永久支護(hù)工程量、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)增加工程量、監(jiān)理要求的支護(hù)工程量、支護(hù)工程量最終核準(zhǔn)及支護(hù)、合同中的支護(hù)工程量約定等問題，在確保地下工程安全建設(shè)的情況下，盡可能減少工程量的增加幅度。

(10) 對(duì)圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入研究。隨著地下工程建設(shè)規(guī)模及難度的不斷增加，建設(shè)中遇到了更為復(fù)雜的地質(zhì)問題，這使得關(guān)于圍巖的安全性評(píng)判問題變得越來越復(fù)雜。近期大型水電地下工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)表明，原來的圍巖安全評(píng)判準(zhǔn)則已經(jīng)不能適應(yīng)。這需要對(duì)圍巖的安全評(píng)價(jià)準(zhǔn)則及指標(biāo)，進(jìn)行進(jìn)一步研究和復(fù)核。如松弛區(qū)深度的安全評(píng)價(jià)原則、表面變形的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)、變形收斂速率評(píng)價(jià)指標(biāo)等其他評(píng)價(jià)指標(biāo)，需根據(jù)工程的實(shí)際情況進(jìn)行深入研究。

(11) 重視地下水腐蝕危害及治理。地下水的腐蝕性會(huì)影響錨桿、錨索及混凝土的耐久性，需對(duì)地下水腐蝕性、腐蝕危害性進(jìn)行分析，采取抗腐蝕材料或其他抗腐蝕措施。

(12) 加強(qiáng)建設(shè)期工程安全監(jiān)測(cè)資料分析與反饋。建設(shè)過程中，對(duì)重點(diǎn)部位需針對(duì)性增加監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，加強(qiáng)評(píng)估監(jiān)測(cè)資料分析工作，根據(jù)監(jiān)測(cè)成果對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行必要調(diào)整，及時(shí)評(píng)價(jià)地下工程的安全狀態(tài)。

3.3運(yùn)行期的風(fēng)險(xiǎn)防控措施

地下工程建成后，運(yùn)行單位成為地下工程病害及風(fēng)險(xiǎn)的防控主體。防控措施主要為加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。具體措施主要為；① 對(duì)施工建設(shè)中出現(xiàn)的變形大、涌水量、圍巖破裂等重點(diǎn)部位加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和巡視加強(qiáng)；② 對(duì)監(jiān)測(cè)資料特別是異常測(cè)值情況及時(shí)進(jìn)行整理分析，定期評(píng)估地下工程安全及穩(wěn)定性；③ 根據(jù)監(jiān)測(cè)資料分析評(píng)估情況，必要時(shí)采取補(bǔ)充支護(hù)、加強(qiáng)排水、補(bǔ)充灌漿等處理措施，消除運(yùn)行期的危害因素。

4結(jié)語

(1) 本文首次對(duì)地下工程病害進(jìn)行了定義，并初步總結(jié)歸納了15種地下工程病害類型。作者認(rèn)為地下工程病害產(chǎn)生的原因，主要是由于高地應(yīng)力、高外水壓力、巖溶、不良地質(zhì)構(gòu)造等復(fù)雜地質(zhì)條件、技術(shù)發(fā)展水平限制以及各種人的責(zé)任因素，并對(duì)各種病害類型的產(chǎn)生原因進(jìn)行歸納和總結(jié)。根據(jù)收集到的中國國內(nèi)水電地下工程案例，對(duì)地下工程病害現(xiàn)象、危害及具體原因進(jìn)行了剖析，提出了前期設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、運(yùn)行管理等階段地下工程病害風(fēng)險(xiǎn)的防控措施。

(2) 地下工程各種類型病害，對(duì)水電地下工程安全、投資及工期造成了重大影響。設(shè)計(jì)、施工、管理等建設(shè)各方作為病害防控的主體，高度的責(zé)任心及協(xié)作精神是預(yù)防病害發(fā)生的關(guān)鍵所在。

(3) 通過采用精心勘探設(shè)計(jì)、提前重點(diǎn)預(yù)防、保證施工質(zhì)量、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與分析、支護(hù)措施及時(shí)到位、支護(hù)設(shè)計(jì)及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整、發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理等病害及風(fēng)險(xiǎn)防治措施，可以減少地下工程的病害及其風(fēng)險(xiǎn)，保證地下工程的安全建設(shè)和運(yùn)行。

參考文獻(xiàn):

[1]中國社會(huì)科學(xué)院語言研究所詞典編輯室.現(xiàn)代漢語詞典修訂本[M].3版. 北京：商務(wù)印書館，1997：93.

[2]劉陽.公路混凝土橋梁病害及處理措施[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013(34)：194.

[3]陳剛.混凝土橋梁的病害處理[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2006(05)：70-72.

[4]陳志伍.關(guān)于橋梁病害成因的分析及對(duì)策[J].黑龍江科技信息， 2012(22)：254.

[5]崔正春.中小跨徑混凝土橋梁常見病害及處理措施[J].施工技術(shù)，2011(增刊):180-183.

[6]陳冰.房屋建筑的病害分析與治理對(duì)策[J].中外建筑， 2007(04)：89.

[7]張勛.房屋結(jié)構(gòu)病害分析與維修處理方式[J].黑龍江科技信息，2010(02)：284.

[8]劉濤.房屋施工基礎(chǔ)病害整治及加固措拖[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010(10)：163.

[9]麻鎮(zhèn)文.建筑地基中的病害及處理方法[J].廣東科技，2007(S1)：210～211.

[10]李宇伶方, 蒲翠玲, 孫鴻偉. 軟土地基病害類型及處理措施研究[J].山西建筑，2007(09)：121-122.

[11]陳國文.混凝土結(jié)構(gòu)工程病害的原因及防治[J].科技資訊，2006(21)：53.

[12]王曉明,劉斌. 隧道混凝土結(jié)構(gòu)病害成因分析及其健康診斷研究[J].混凝土，2006(07)：89-91.

[13]張學(xué)彬.大崗山水電站廠房頂拱塌方處理研究與實(shí)踐[J].四川水力發(fā)電，2010(06)：55-59.[14]楊繼華,肖培偉,朱澤奇,王帥.地下廠房頂拱塌方加固處理及施工過程穩(wěn)定性分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2012(02)：24-28.[15]蔡斌,鄧忠文,吳灌洲.大崗山水電站地下廠房塌方區(qū)圍巖穩(wěn)定分析[J].人民長(zhǎng)江，2012(22):33-35.

[16]陳東升,喻暢,尹葵霞. 坪頭水電站地下廠房圍巖穩(wěn)定分析與變形破壞特征[J].水電站設(shè)計(jì)，2012(02)：63-71.

[17]曾晉.坪頭水電站地下廠房頂拱襯砌裂損機(jī)理探討[D].貴陽：貴州大學(xué),2009.

[18]楊天俊.拉西瓦水電站地下硐室?guī)r爆現(xiàn)象典型實(shí)例分析[J].西北水電，2008(03)：9-11.

[19]袁亮,石釗.錦屏二級(jí)水電站引水隧洞TBM遇突涌水施工對(duì)策[J].水電站設(shè)計(jì)，2012(S1): 9-10.[20]侯靖,張春生,單治鋼.錦屏二級(jí)水電站深埋引水隧洞巖爆特征及防治措施[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011(06)：1252-1256.[21]周垂一,李軍,嚴(yán)鵬.錦屏二級(jí)水電站深埋隧洞施工難點(diǎn)解析[J].隧道建設(shè)， 2013(06)：481-488.

[22]伍智欽.廣州抽水蓄能電站二期工程上游引水系統(tǒng)充排水試驗(yàn)[J].水利水電技術(shù)，2000(04)：48-51.

[23]王民浩.水電水利工程風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與典型案例分析[M].北京：中國電力出版社，2010：437-446.

Defect Analysis and Risk Prevention & Treatment of Underground Works of Hydropower Project

FANG Guangda

(China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100120,China)

Abstract:During construction and operation of hydropower project, defects of underground works, which are resulted from unfavorable geological conditions, design quality and construction quality, such as collapse, roof falling, surrounding rock crack & deformation, failure of structure with shotcrete & anchoring support, crack or falling of concrete lining, tunnel bursting, high external hydraulic pressure and high crustal stress hazard of underground powerhouse, headrace tunnel and penstock, etc, largely impact safety, investment and construction period of such underground works. Through analysis on defects occurring on underground works in China, the strengthening defect and risk management at stages of pre-construction, construction and operation will benefit safety construction and operation of the underground works.Key words:hydropower station; underground works; defect treatment; risk management

文章編號(hào)：1006—2610(2016)03—0001—08

收稿日期：2016-03-05

作者簡(jiǎn)介：方光達(dá)(1962- )，男，江蘇省宿遷市人，教授級(jí)高工，從事水利水電工程設(shè)計(jì)研究、咨詢、審查、驗(yàn)收、評(píng)估、安全鑒定等工作.

中圖分類號(hào)：TV698.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.001