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        涔天河水庫工程引水發(fā)電洞內(nèi)水外滲探查及處理

        2021-05-31 08:03:34詹雙橋楊志明
        湖南水利水電 2021年2期
        關(guān)鍵詞:洞段外滲探查

        詹雙橋,鄭 洪,楊志明

        (湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院,湖南 長沙410007)

        1 工程概況

        涔天河水庫擴(kuò)建工程位于湖南省永州市江華瑤族自治縣境內(nèi)的湘江支流瀟水上游峽谷出口處,下距江華縣城12 km。涔天河水庫系瀟水流域開發(fā)的第一個(gè)梯級,為瀟水流域開發(fā)的龍頭水庫,控制流域面積2 466 km2。

        涔天河水庫擴(kuò)建工程是具有灌溉、防洪、下游補(bǔ)水和發(fā)電,兼顧航運(yùn)等綜合利用效益的Ⅰ等大(Ⅰ)型水利水電工程。水庫正常蓄水位為313 m,總庫容15.1億m3,設(shè)計(jì)灌溉面積擴(kuò)大到111.5萬畝,電站裝機(jī)容量200 MW。樞紐建筑物主要包括攔河壩、泄洪隧洞、放空隧洞、引水發(fā)電系統(tǒng)和灌溉渠首(隧洞)等。攔河大壩為1級建筑物,設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)500年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)10 000年一遇。

        水庫正常蓄水位313.0 m,設(shè)計(jì)洪水位317.76 m,校核洪水位320.27 m。

        2 引水發(fā)電洞總體布置

        引水發(fā)電洞布置在右岸山體內(nèi),進(jìn)口位于大壩右壩頭與1#泄洪洞之間,緊挨老壩右壩頭布置,隧洞總長499.3 m。進(jìn)口段與泄洪洞平行布置,至樁號0+060.262,平面向左轉(zhuǎn)彎44.6°,軸線轉(zhuǎn)彎半徑R=50 m,至樁號0+274.223處豎向下彎,下彎段終點(diǎn)樁號0+339.376,高壓隧洞段與機(jī)組中心線呈60°夾角。

        引水隧洞由混凝土襯砌平洞段、混凝土襯砌斜洞段、鋼板混凝土襯砌高壓平洞段等組成。隧洞沿線為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖,K0=2~70 MPa/cm,斷層、軟弱夾層等結(jié)構(gòu)發(fā)育。引水發(fā)電洞洞徑9.5 m,進(jìn)口底板高程256.5 m,下平洞中心線高程215 m,考慮停機(jī)水錘壓力,設(shè)計(jì)最大工作水頭140 m。

        3 滲壓監(jiān)測情況

        自2017年6月底至2018年8月底正常蓄水位驗(yàn)收前,引水發(fā)電洞共經(jīng)歷4次充水——放空——充水過程,充水放空期間庫水位維持在282 m左右運(yùn)行。發(fā)電洞充水前后襯砌外滲壓計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)反映以下現(xiàn)象:

        1)閘門井下游漸變段洞頂滲壓計(jì)P1測值基本與庫水位持平,且不隨隧洞充水、放空而變化。

        2)上平洞及斜洞段滲壓計(jì)P2~P7測值隨洞身充水、放空漲落,隧洞充水,滲壓計(jì)測值與庫水位作用水頭基本持平,隧洞放空,滲壓計(jì)測值恢復(fù)至充水前水平。

        3)鋼襯段兩支滲壓計(jì)P8、P9測值隨著隧洞充水放空有少許變化,量值很小,且時(shí)間有滯后現(xiàn)象。

        4 滲壓異常原因分析

        1)滲壓與引水洞充放水相關(guān)原因分析。滲壓計(jì)P3~P7及地下水位監(jiān)測孔OP9~OP11監(jiān)測數(shù)據(jù)均表明,襯砌外水壓力變化與引水發(fā)電洞充水相關(guān),多次充放水驗(yàn)證,基本可以判定內(nèi)水外滲現(xiàn)象存在。內(nèi)水外滲的可能原因主要有以下幾個(gè)方面:

        ①洞身襯砌存在尚未發(fā)現(xiàn)的滲水通道。引水洞放空后多次進(jìn)洞檢查發(fā)現(xiàn),洞身襯砌存在裂縫滲水、施工縫滲水、灌漿孔洞滲水等現(xiàn)象,雖然已發(fā)現(xiàn)的混凝土缺陷已經(jīng)處理完成,但不排除一些尚未發(fā)現(xiàn)的襯砌混凝土缺陷的存在,而且本工程混凝土所用水泥水化熱較高,混凝土干縮裂縫比較多。

        ②襯砌分段止水可能部分失效。引水洞上平洞襯砌采用鋼模臺車澆筑,每段襯砌長度9 m;斜洞段襯砌采用滿堂腳手架、普通模板澆筑,分上彎段、斜洞段和下彎段三段。襯砌厚度0.6~1.0m,各段襯砌之間設(shè)置銅片止水,止水片位于襯砌中部。洞內(nèi)、特別是斜洞段施工條件較差,襯砌為薄壁結(jié)構(gòu),可能存在止水片周邊混凝土澆筑不密實(shí)、止水片安裝偏差的現(xiàn)象。

        上述可能的襯砌質(zhì)量缺陷均有可能形成滲漏通道,進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)水外滲。

        2)滲壓僅與庫水位相關(guān)原因分析。引水發(fā)電洞進(jìn)口閘門井下游滲壓計(jì)P1測值基本與庫水位持平,且不隨引水洞放空和充水變化,進(jìn)口洞段山體內(nèi)新增的兩個(gè)地下水位觀測孔測得地下水位與庫水位基本平齊,兩組監(jiān)測數(shù)據(jù)均反映進(jìn)口洞段襯砌外地下水與庫水位已經(jīng)連通。分析原因認(rèn)為,進(jìn)口閘門豎井下游洞段洞身圍巖為Ⅲ類,洞頂及左側(cè)臨庫上覆巖體較單薄,閘門豎井和洞身在此處交叉,豎井采用自下而上全斷面爆破開挖導(dǎo)致圍巖松動(dòng)、破碎,庫水位上升,對山體地下水進(jìn)行補(bǔ)給,導(dǎo)致進(jìn)口段山體地下水位與庫水位持平。

        5 外部驗(yàn)證及加強(qiáng)排水減壓處理

        1)新增地下水位監(jiān)測孔驗(yàn)證。為了進(jìn)一步驗(yàn)證襯砌外滲壓計(jì)反映情況的真實(shí)性,在引水發(fā)電洞下游洞段頂部山體增設(shè)3個(gè)地下水位觀測孔,其中OP9位于上平洞末端,孔底高程269 m,OP10位于下彎段,孔底高程233 m,OP11位于洞軸線與1#滑坡體之間,孔底高程269 m。新增地下水位觀測孔見圖1。

        圖1 地下水位觀測孔布置圖

        2018年9月22至10月31日再次對引水發(fā)電洞放空充水,新增地下水位孔監(jiān)測數(shù)據(jù)也反映與引水洞放空充水相關(guān),監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖2。

        圖2 地下水位觀測孔水位變化過程曲線圖

        2018年9月22至10月31日這次放空充水過程,滲壓計(jì)和地下水位監(jiān)測孔兩組監(jiān)測數(shù)據(jù)反映出幾乎相同的現(xiàn)象及變化趨勢,隧洞充水,測值升高,隧洞放空,測值下降。兩組監(jiān)測數(shù)據(jù)變化基本可以判斷引水洞充水后存在內(nèi)水外滲并抬高圍巖地下水位的現(xiàn)象。

        2)排水減壓洞延長加強(qiáng)排水。將2#排水減壓洞平行引水洞軸線向上游延伸,提高排水洞排水減壓效果,排水洞延長段與主洞之間圍巖厚度10 m,排水洞向上游延伸布置見圖3。加強(qiáng)兩個(gè)排水洞排水流量監(jiān)測,如出現(xiàn)陡然增大現(xiàn)象,立即關(guān)閉引水發(fā)電洞進(jìn)口檢修門、放空引水洞,采取有效措施對洞身襯砌進(jìn)行檢修堵漏處理。

        圖3 引水發(fā)電洞下游排水洞布置圖

        平行主洞的2#排水洞延長段向上游掘進(jìn)約35 m至發(fā)電洞上平洞末端對應(yīng)位置時(shí),排水洞右側(cè)壁上巖石裂隙發(fā)育部位出現(xiàn)明顯涌水,且有緩慢增大趨勢,引水發(fā)電洞放空,涌水量明顯減小直至為零,期間2#排水洞出口量水堰實(shí)測最大流量達(dá)13.67 L/s。排水洞涌水量進(jìn)一步印證了發(fā)電洞存在內(nèi)水外滲現(xiàn)象。

        6 洞內(nèi)探查及封堵處理

        由于引水發(fā)電洞內(nèi)水外滲現(xiàn)象經(jīng)過多次洞內(nèi)檢查處理均未得到緩解,2020年3月,項(xiàng)目業(yè)主引進(jìn)第三方再次對引水發(fā)電洞內(nèi)水外滲進(jìn)行探查處理。

        6.1 洞內(nèi)探查

        1)洞內(nèi)探查要求。由于引水發(fā)電洞通氣孔尺寸僅1 m×2 m,施工吊籃及檢查設(shè)備無法經(jīng)通氣孔進(jìn)入引水發(fā)電洞,且有近70 m高,僅靠爬梯上下,存在一定安全風(fēng)險(xiǎn);為了保證進(jìn)洞探查方案順利實(shí)施,需從引水發(fā)電洞進(jìn)口EL324平臺豎井進(jìn)入發(fā)電洞洞內(nèi),利用疊梁門擋水,疊梁門門頂高程為EL287.5,需降低庫水位,保證疊梁門達(dá)到擋水條件??紤]本次檢修時(shí)間緊、任務(wù)重、臨近汛期庫水位變化較快等因素,建議本次檢修將上述兩個(gè)通道都利用起來,分層取水門下游閘門井作為設(shè)備及人員進(jìn)出主要通道,通氣孔可作為人員進(jìn)出備用通道。

        2)探查方法:

        ①無人機(jī)探查。為初步探查大的滲漏點(diǎn),由于引水發(fā)電洞凈高9.5 m,擬采用無人機(jī)攝像探查,在OHP9、OHP11及2#排水洞洞內(nèi)兩個(gè)觀測孔注水后采用無人機(jī)在發(fā)電洞洞內(nèi)對上平洞末端及斜洞段進(jìn)行攝像探查,若發(fā)現(xiàn)紅色或集中出水位置,即為滲漏通道,及時(shí)做好記錄。②鉆孔取芯及壓水試驗(yàn)。針對引水發(fā)電洞內(nèi)探查后發(fā)現(xiàn)的滲水部位、表面缺陷部位,及地質(zhì)雷達(dá)掃描后發(fā)現(xiàn)的壁后有空腔的部位,進(jìn)行鉆孔取芯檢查,孔徑為50 mm,孔深穿過混凝土,部分進(jìn)入壁后巖層,取芯后觀察芯樣是否密實(shí)完整,并進(jìn)行壓水試驗(yàn),摸清透水情況。③表觀人工探查。為更清楚地對表觀進(jìn)行探查,先采用30 MPa高壓水槍對洞壁附著物進(jìn)行清洗,直至出露混凝土面。上平洞人工探查采用移動(dòng)式腳手架工作平臺進(jìn)行。上彎段及斜洞段人工探查采用浮排,從水位高程在EL258.25開始,先對EL258.25高程以上3.0 m部位探查后,再設(shè)置2.0 m為一個(gè)探查區(qū)段,通過電站廠房控制尾水放水速度,分區(qū)段探查,直至降低水位到EL252.25。④地質(zhì)雷達(dá)探查。在引水發(fā)電洞上平洞布置4條地質(zhì)雷達(dá)線進(jìn)行掃描檢測,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況將4條地質(zhì)雷達(dá)線分別布置在左右拱腰、左右邊墻,在斜洞段根據(jù)施工冷縫情況,沿軸向及環(huán)向布置地質(zhì)雷達(dá)線。⑤注水連通試驗(yàn)。通過多次充放水時(shí)監(jiān)測情況表明,下游地下水位觀測孔與引水發(fā)電洞充放水高度相關(guān),故本次擬采用連通試驗(yàn)的方法進(jìn)行,在引水發(fā)電洞放水完成后,在OHP9、OHP11及2#排水洞滲水處分別采用1臺SH高壓水泵持續(xù)注水(若注水量無法滿足要求需適時(shí)增加水泵),水中增加胭脂紅食用色素,人為抬高下游上覆山體地下水位,在發(fā)電洞放水期間造成外水內(nèi)滲現(xiàn)象。

        6.2 主要探查成果

        采用30 MPa高壓水槍對洞壁進(jìn)行沖洗后,進(jìn)行表觀檢測,通過初步表觀檢查,發(fā)現(xiàn)滲水點(diǎn)(包括未完全封堵的原灌漿孔)12處;滲水環(huán)向施工縫13處(樁號0+76至樁號0+208),上平洞滲水裂縫24處,斜洞段施工冷縫20處,滲水結(jié)構(gòu)縫1處,混凝土蜂窩孔洞5處。

        在引水發(fā)電洞上平洞末端及斜洞段(EL220以上)滲水裂縫、滲水結(jié)構(gòu)縫處鉆孔取芯,共完成49個(gè)孔,發(fā)現(xiàn)部分襯砌混凝土壁后鉆孔巖芯破碎或部分壁后存在空腔。

        通過對地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集、處理及分析發(fā)現(xiàn):檢測段內(nèi)混凝土襯砌所在的巖層部分輕微破碎、破碎或嚴(yán)重破碎;檢測段內(nèi)發(fā)現(xiàn)有部位襯砌混凝土內(nèi)部疏松不密實(shí)。檢測段內(nèi)發(fā)現(xiàn)有部位混凝土襯砌與所處巖層脫空等現(xiàn)象。

        6.3 洞內(nèi)封堵處理

        針對探查發(fā)現(xiàn)的滲水(漏水)通道,提出如下處理措施及要求:

        1)結(jié)構(gòu)縫漏水:

        ①采用柔性堵漏材料(如HW水溶性聚氨酯、堵水膠等)灌漿封堵漏水結(jié)構(gòu)縫,分別鉆斜孔至止水片內(nèi)側(cè)縫面和在止水片外側(cè)鉆騎縫孔灌漿;②止水片周邊襯砌混凝土澆筑不密實(shí)部位采用環(huán)氧類材料灌漿封堵;③漏水結(jié)構(gòu)縫灌漿封堵后,沿縫周黏貼20 cm寬的胎基布,表面涂刷30 cm寬、3 mm厚聚脲條帶封閉。

        2)襯砌混凝土澆筑不密實(shí)(含施工縫)滲水:

        ①針對襯砌混凝土澆筑不密實(shí)部位,采取鉆孔并用環(huán)氧類材料(如低粘度、高滲透性環(huán)氧樹脂漿液等)灌漿封堵;②襯砌缺陷灌漿封堵后,表面涂刷2 mm厚聚脲封閉,具體范圍根據(jù)滲水點(diǎn)分布及灌漿范圍確定。

        3)灌漿孔洞封堵不密實(shí)滲水。處理措施與“2)襯砌混凝土澆筑不密實(shí)(含施工縫)滲水”相同。

        4)襯砌貫穿裂縫滲水:

        ①在貫穿裂縫(寬度大于0.2 mm)兩側(cè)鉆斜孔,采用環(huán)氧類材料灌漿封堵;②裂縫灌漿封堵后,沿表面涂刷10 cm寬、2 mm厚聚脲封閉。

        5)混凝土蜂窩、孔洞修復(fù)。對洞內(nèi)混凝土蜂窩、孔洞修復(fù)處理,采用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修補(bǔ)。對需要修補(bǔ)的部位鑿成一定的深度,對已銹蝕的鋼筋除銹后,并重新植筋;基面周邊應(yīng)垂直表面切除。對較深的部位,應(yīng)采用分次分層回填處理的方法進(jìn)行施工,層與層之間采用界面劑涂刷后再回填環(huán)氧砂漿。

        6)襯砌混凝土壁后處理。由于前期對混凝土明顯滲水部位施工縫灌漿處理過程中,為了保證灌漿效果,在對施工縫處理前,采用聚氨酯灌漿材料對滲水進(jìn)行封堵,發(fā)現(xiàn)部分位置吸漿量大,研究確定在灌入聚氨酯達(dá)到20 kg/孔后仍無壓力時(shí),改灌水泥-水玻璃雙液漿進(jìn)行充填。

        7 處理效果

        本次洞內(nèi)封堵處理完成后,在2020年4月14日對發(fā)電洞進(jìn)行充水,充水前2#排水洞流量0.82 L/s,充水后流量1.51 L/s(包含地下水及降雨影響),增幅0.69 L/s;處理前最大流量達(dá)13.67 L/s,平均流量10.48 L/s,減小幅度達(dá)85.6%,減小明顯。

        近2個(gè)月運(yùn)行期庫水位上漲至EL303 m時(shí),在遇長時(shí)間強(qiáng)降雨情況下,2#排水洞流量2.23 L/s;同比2019年庫水位EL303 m時(shí),2#排水洞流量10.64 L/s,本次處理后減小幅度達(dá)79.0%,監(jiān)測結(jié)果表明,處理后的效果達(dá)到了預(yù)期要求。

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