彭會椿

摘要：對復(fù)雜地質(zhì)條件下的高水頭透水襯砌超長水工隧洞進(jìn)行充排水，目前尚無成熟的標(biāo)準(zhǔn)流程或規(guī)范，可供參考的案例也極少，分析總結(jié)出相應(yīng)的技術(shù)成果確有必要。以巴基斯坦N-J水電站為例，通過專門分析及總結(jié)該電站引水隧洞、尾水隧洞的充排水實(shí)施方案、施工組織方式、出現(xiàn)的問題、過程數(shù)據(jù)等，在隧洞充排水工作的目的、工作內(nèi)容、過程控制原則、實(shí)施方案、風(fēng)險防控要點(diǎn)、注意事項(xiàng)等方面形成了較為完整的技術(shù)成果。研究成果對類似工程具有借鑒意義。

關(guān) 鍵 詞：

超長水工隧洞; 充排水設(shè)計; 透水襯砌; 復(fù)雜地質(zhì)條件; 高水頭; N-J水電站

中圖法分類號： TV554

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.020

0 引 言

巴基斯坦Neelum-Jhelum水電站（以下簡稱N-J水電站）為典型的高水頭透水襯砌超長引水隧洞式地下發(fā)電廠房電站，引水隧洞的靜水頭達(dá)431.5 m，屬于典型的高壓隧洞[1]。其線形長度約28.6 km（公路工程中隧道長度大于3 km的為特長隧道[2]，鐵路工程中隧道長度大于10 km的為特長隧道[3]），其永久支護(hù)結(jié)構(gòu)全程設(shè)計為透水形式。

由于水工隧洞設(shè)計規(guī)范[1，4]的導(dǎo)引作用，國內(nèi)水電工程的水工隧洞多采用鋼筋混凝土襯砌+鋼襯等非透水襯砌結(jié)構(gòu)，設(shè)計較為保守，也導(dǎo)致工程造價高昂。而N-J水電站的引水隧洞所體現(xiàn)的設(shè)計理念，與國內(nèi)水工設(shè)計規(guī)范存在太多不符或者差異，這導(dǎo)致了在國內(nèi)水電工程中引水隧洞與N-J水電站類似的幾乎沒有。截至2007年，國內(nèi)發(fā)電引水隧洞長度在10 km以上的水電站參見表1[5]。

位于復(fù)雜地質(zhì)條件下的超長、超高水頭的過水隧洞幾乎全程采用透水襯砌形式的水電站（相關(guān)參數(shù)能達(dá)到N-J水電站同等規(guī)模），在國外水電站中也是屈指可數(shù)。部分相關(guān)的水電站可參見表2。

在水電站發(fā)電機(jī)組進(jìn)行有水調(diào)試前，需先對隧洞進(jìn)行充水[4]。對這類高水頭透水襯砌超長水工隧洞進(jìn)行充排水，若無合理的充水方案，則可能導(dǎo)致引水隧洞在充水過程中出現(xiàn)災(zāi)難性的損害，危及整個水電站。對于超長、超高水頭的水工隧洞充水，目前國內(nèi)外尚無成熟的標(biāo)準(zhǔn)流程或者規(guī)范，而是根據(jù)運(yùn)行要求，結(jié)合自然條件、建筑物設(shè)計條件及試驗(yàn)研究資料等，制定水工隧洞運(yùn)行規(guī)定[4]。N-J水電站隧洞成功安全的充排水將是世界水電工程中極為重要的案例。

1 工程概況

N-J水電站處于喜馬拉雅山脈西北部，工程區(qū)存在新生山脈的主邊界斷裂帶，是世界有名的地震活躍區(qū)域（見表3），地質(zhì)條件復(fù)雜。引水隧洞和尾水隧洞圍巖主要由砂巖、粉砂巖、泥巖、頁巖等構(gòu)成，且互層情況突出，節(jié)理、裂隙發(fā)育，其中以粉砂巖和泥巖構(gòu)成的Ⅳ類圍巖為主，Ⅲ類圍巖占比較小，泥巖和頁巖還具有明顯的遇水微膨脹的特性。

N-J水電站安裝4臺24.3萬kW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計發(fā)電流量為280 m3/s（70 m3/s×4），采用“一洞四機(jī)”形式布置，為典型的高水頭透水襯砌超長引水式地下發(fā)電廠房電站。

電站隧洞縱斷面布置見圖1，其地下廠房典型橫斷面見圖2。

引水隧洞的一頭一尾為單線洞，中間為雙線洞，平均過水?dāng)嗝婷娣e約為72 m2，進(jìn)水口設(shè)計發(fā)電水位高程1 015 m，地下廠房水輪機(jī)安裝高程583.5 m，其靜水頭達(dá)431.5 m。引水隧洞從進(jìn)水口至水輪機(jī)的線形長度約28.6 km。圖1中C1標(biāo)段往下游到A3支洞之間是一段約10 km長的采用噴射混凝土做永久支護(hù)結(jié)構(gòu)的引水隧洞，它連接了上下游的混凝土襯砌段。襯砌段采用素混凝土、少筋鋼筋混凝土進(jìn)行襯砌，混凝土厚度不小于35 cm[8]。對于下穿Jhelum河的引水隧洞段，考慮其不足200 m厚的上覆蓋層，因而采用了鋼襯。在素混凝土、少筋鋼筋混凝土襯砌的引水隧洞段設(shè)置了系統(tǒng)性排水孔，排水孔鉆透襯砌混凝土和初期支護(hù)的噴射混凝土圈后進(jìn)入了圍巖。各襯砌節(jié)段之間只設(shè)施工縫（縱向鋼筋穿過施工縫面），不設(shè)結(jié)構(gòu)縫，且不設(shè)置止水。穿Jhelum河鋼襯段也設(shè)置了系統(tǒng)性排水孔，但在鋼襯上加設(shè)了不銹鋼單向閥。

尾水隧洞全程為單線洞，全長約3.55 km，除了兩段（一段240 m，另一段25 m）存在明顯山體水內(nèi)滲的情況而采用鋼筋混凝土進(jìn)行襯砌外，其余段別全部采用“20 cm厚的噴射混凝土邊頂拱+30 cm厚的素混凝土仰拱”作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)。噴護(hù)區(qū)設(shè)置了鋼筋網(wǎng)片和系統(tǒng)

錨桿。尾水隧洞設(shè)計過流斷面面積分別為89，94 m2和108 m2（為主）。尾水出口的尾水堰頂高程593 m（受混流式水輪發(fā)電機(jī)的尾水吸出高度的限制）。

整個引水隧洞容積約252萬m3，尾水隧洞容積約53萬m3。其整體設(shè)計基本遵循美國工程手冊[9]。

2 隧洞充水目的及檢驗(yàn)內(nèi)容

（1） 檢驗(yàn)隧洞安全穩(wěn)定性及是否滿足設(shè)計要求。

（2） 檢驗(yàn)地下廠房上游側(cè)引水岔管段區(qū)域防滲工程效果。

（3） 檢驗(yàn)地下廠房泄壓、排水系統(tǒng)是否滿足實(shí)際工況要求。

（4） 檢驗(yàn)主進(jìn)水球閥、引水隧洞沖砂系統(tǒng)、尾水隧洞閘門系統(tǒng)等滲流情況。

（5） 檢驗(yàn)A3、A4、A4a、A5、A6、A8等施工支洞及旁通隧洞的封堵混凝土塞的滲流情況和金屬閘門的密閉性。

（6） 檢驗(yàn)隧洞充水后洞外地表滲漏情況以及可能引發(fā)的不利地質(zhì)效應(yīng)。

（7） 為機(jī)組有水調(diào)試做準(zhǔn)備。

3 隧洞充水方案概要

（1） 先進(jìn)行尾水隧洞充水，再進(jìn)行引水隧洞充水，然后進(jìn)行機(jī)組充水。

（2） 尾水隧洞連續(xù)性充水至593 m高程（尾水隧洞滿水狀態(tài)）。由于引水隧洞與尾水隧洞是連通的，引水隧洞的水位也將達(dá)到593 m，該高程也是引水隧洞充水的洞內(nèi)水位起始高程。

（3） 引水隧洞充水主要采用水庫蓄水，通過調(diào)整首部進(jìn)水口的閘門提起開度來控制充水速度。由于不同洞段的隧洞傾斜度不同，需要根據(jù)隧洞內(nèi)水位變化及時調(diào)節(jié)進(jìn)水口閘門的開度。

（4） 高水頭隧洞需要嚴(yán)格控制充水速率[4]。引水隧洞充水時要同時控制：① 泄入隧洞的流量，一般按2.5 m3/s控制，可在0.5～7.0 m3/s之間變化;② 隧洞內(nèi)水流速度限定在6.0 m/s左右;③ 洞內(nèi)水位上升速度不超過1.5～2.5 m/h。

（5） 高水頭隧洞充水需要分水頭段逐級進(jìn)行[4]。引水隧洞充水過程中洞內(nèi)水位每上升100 m左右，將維持該水位暫停一段時間，暫停時間不能少于24 h，暫停時間的期望值為5～7 d。由于一部分水會透過隧洞支護(hù)圈而補(bǔ)給周圍山體，在充水暫停期間，隧洞內(nèi)水位會降低，需適當(dāng)往隧洞內(nèi)充水，以保持隧洞內(nèi)水位維持在一個相對穩(wěn)定的位置。

（6） 隧洞內(nèi)水位通過安裝在主進(jìn)水球閥上游壓力鋼管上的壓力計進(jìn)行監(jiān)測。在隧洞排沙管道系統(tǒng)的球閥上游也安裝了壓力計，可輔助監(jiān)測隧洞內(nèi)水壓。

4 隧洞充水初設(shè)方案

4.1 尾水隧洞充水初設(shè)方案

（1） 方案1。在尾水隧洞出口設(shè)置臨時抽水泵站，從洞外的Jhelum河向尾水隧洞抽水至593 m高程，中途不停歇?？筛鶕?jù)不同工期要求設(shè)置相應(yīng)抽水能力的泵站，充水持續(xù)時間可以主動調(diào)控，但需要新建臨時抽水泵站，會產(chǎn)生額外的費(fèi)用。

（2） 方案2。利用滲入超長引水隧洞的水，通過隧洞排沙管道系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至尾水隧洞，注水至593 m高程，中途不停歇。充水持續(xù)時間受限于引水隧洞的滲水量，消耗工期較長，不能主動調(diào)控，但無需新建臨時抽水泵站，不會因此產(chǎn)生額外的費(fèi)用。隧洞排沙管道系統(tǒng)的閥門控制段管道內(nèi)徑為500 mm，上游管道內(nèi)徑為800 mm，下游管道內(nèi)徑為1 540 mm。

（3） 方案3。即將方案1與方案2結(jié)合使用，充水持續(xù)時間最短，且可以主動調(diào)控。

4.2 引水隧洞充水初設(shè)方案

引水隧洞充水過程中考慮暫停是為了讓隧洞周圍的山體緩慢而平順地受水至飽和，以避免可能引發(fā)的不利地質(zhì)效應(yīng)，也是為了控制隧洞的內(nèi)水壓力的不利影響。因?yàn)檫^快地充水會導(dǎo)致隧洞的外水壓力來不及平衡其內(nèi)水壓力，則隧洞的支護(hù)圈可能在內(nèi)水壓力主導(dǎo)且快速遞增的情況下被嚴(yán)重拉裂。此外，控制隧洞內(nèi)的水流速度，還可避免速度過快的水流破壞脆弱的隧洞永久支護(hù)結(jié)構(gòu)。

引水隧洞充水初始設(shè)計的操控程序見圖3。

出于對計劃工期的壓縮，后期調(diào)整了引水隧洞充水的操控程序，見圖4。

5 隧洞充水的實(shí)施

5.1 隧洞充水前準(zhǔn)備

5.1.1 組織機(jī)構(gòu)、機(jī)制建立

（1） 成立相關(guān)專業(yè)工作組，例如驗(yàn)收組、監(jiān)測組、洞外地表巡查組、隧洞充水指揮組、隧洞充水操作組等，明確各工作組職責(zé)和各崗位職責(zé)。

（2） 建立工作流程、協(xié)調(diào)機(jī)制、信息采集反饋機(jī)制、指令發(fā)布機(jī)制、應(yīng)急管理機(jī)制等。

5.1.2 技術(shù)準(zhǔn)備

（1） 基于地質(zhì)資料，假定隧洞周圍山體的滲透率[10-11]kF=5×10-7 m/s。N-J工程的咨詢工程師為美國MWH公司牽頭的國際咨詢工程師聯(lián)營體。其中，負(fù)責(zé)工程土建設(shè)計的公司是挪威NORPLAN公司。

（2） 計算并繪制閘門開度與流量關(guān)系曲線或者表格[12]。

（3） 明確各類記錄表格形式。

（4） 明確需要采集的信息種類以及記錄的具體內(nèi)容。

（5） 明確信息反饋的時段、格式和形式。

（6） 制定應(yīng)急預(yù)案。

（7） 充水前的最終檢查驗(yàn)收，同時對隧洞全程留下影像資料。

5.1.3 安全管理措施

（1） N-J工程戰(zhàn)線長，部位分散，涉及到各類人員多而雜，需按部位、專業(yè)等固定負(fù)責(zé)人。部位或?qū)I(yè)負(fù)責(zé)人全面負(fù)責(zé)所屬部位的相關(guān)專業(yè)事務(wù)，配合人員也一并固定。負(fù)責(zé)人每天定時向隧洞充水指揮組匯報固定性信息，另外，公布所有負(fù)責(zé)人員的無線聯(lián)系方式，以便于各方面溝通協(xié)調(diào)。

（2） 較多作業(yè)面位于隧洞內(nèi)，無線通訊信號無法覆蓋，因此在每個隧洞口設(shè)置固定的看管人員，對所有進(jìn)洞人員登記姓名、進(jìn)出洞時間，并要求進(jìn)洞人員簽字確認(rèn)，對非授權(quán)人員不允許進(jìn)入隧洞。

5.1.4 山體地下水情分析

充水前，隧洞周圍山體的水文地質(zhì)條件（滲水率、水文地質(zhì)狀態(tài)）已趨于穩(wěn)定，處于一個穩(wěn)定的“干燥”構(gòu)造，其地下水位沿隧洞呈現(xiàn)“水槽”形式，并隨地質(zhì)條件變化而變化，而“水槽”的軸線與隧洞中心線基本重合，并以類似“雙曲面”的形式無限逼近于自然地下水位?！八邸钡纳疃瓤赡転?0～50D（D為隧洞開挖洞徑，按D=10 m考慮），“水槽”的寬度與山體整體滲透率有關(guān)。

隧洞周圍山體被隧洞內(nèi)充水補(bǔ)給至飽和或者完成補(bǔ)給所需的時間，即引水隧洞充水過程中的暫停時間，也被稱為飽和暫停時間，它隨地質(zhì)條件和滲透率的變化而變化。預(yù)計飽和暫停時間為12 h～7 d不等，以隧洞內(nèi)的失水量達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)為準(zhǔn)。

隧洞向周圍山體補(bǔ)水的通道就是系統(tǒng)設(shè)置的排水孔、襯砌混凝土裂縫、襯砌節(jié)段之間的施工縫等。

5.2 尾水隧洞充水實(shí)施

因引水隧洞具備充水條件這一工期目標(biāo)出現(xiàn)了滯后，導(dǎo)致尾水隧洞充水有足夠的時間，最終尾水隧洞充水的實(shí)際操作不同于前述3種方案。

引水隧洞所在山體的地下水滲入引水隧洞后，一路下泄，并通過設(shè)置在地下廠房的隧洞排沙管道系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至尾水隧洞，以該方式將尾水隧洞充水至585 m高程，保持該水位共持續(xù)了約3周時間，并利用該持續(xù)期進(jìn)行了尾水閘門（即閥帽門）的密閉性試驗(yàn)。

在該持續(xù)期內(nèi)，上游來自于引水隧洞的滲水并未停止注入尾水隧洞。為了保持尾水隧洞水位維持在585 m高程，啟用了尾水隧洞的永久排水泵站，將一部分水排出至下游的Jhelum河。

直到引水隧洞具備充水條件之后，直接開始利用水庫蓄水進(jìn)行尾水隧洞和引水隧洞充水。即尾水隧洞585～593 m高程之間的充水為引水隧洞滲水和水庫蓄水共同作用完成。相應(yīng)地，尾水隧洞的永久排水泵站也無需繼續(xù)排水作業(yè)。

尾水隧洞實(shí)際充水形成了圖5所示的水位曲線，這也導(dǎo)致了引水隧洞充水操控程序的變更。在不啟動排水系統(tǒng)的情況下，尾水隧洞出口的尾水堰限制了尾水隧洞的水位不低于593 m。若超過，尾水隧洞內(nèi)的水將漫過尾水堰溢出自動流入Jhelum河。

5.3 引水隧洞充水實(shí)施

如上節(jié)所述，引水隧洞充水實(shí)際是從尾水隧洞水位在585 m的狀態(tài)開始，引水隧洞充水的實(shí)際操控如圖6所示。

從圖6可以看出，引水隧洞充水初期沒有遵循隧洞內(nèi)水位每上100 m維持水位暫停一段時間的控制原則，而且其中一段時間內(nèi)隧洞內(nèi)水位上升速度特別地快。

出現(xiàn)上述的充水曲線，是隧洞充水指揮組忽視了以下因素：

① 引水隧洞充水實(shí)際是從尾水隧洞水位在585 m的狀態(tài)下開始的;

② 圖1中A3支洞到穿Jhelum河段之間的隧洞很陡，其坡度近11%。在同等來水量的情況下，相比其他洞段，該段水位上升速度自然特別地快;

③ 在隧洞充水的飽和暫停時間內(nèi)，沒有適當(dāng)往隧洞內(nèi)充水，未能保持隧洞內(nèi)的水位維持在一個相對穩(wěn)定的位置。

也是因?yàn)樯鲜龅诙c(diǎn)，快速上升的水壓力導(dǎo)致主進(jìn)水球閥的密封水也相應(yīng)快速升壓，最終導(dǎo)致主進(jìn)水球閥密封出現(xiàn)了問題。這使得水進(jìn)入水輪機(jī)，再由尾水錐管的進(jìn)人門流入廠房底層，一度導(dǎo)致廠房底層出現(xiàn)了約10 cm深的積水。

6 遭遇問題分析

6.1 廠房積水

基于第5.3節(jié)提及的廠房底層積水，分析認(rèn)為，在快速遞增的高水壓作用下，壓力管道中的水封以及采用螺栓把合的管道接頭等部位會出現(xiàn)顯著的應(yīng)力變化，可能導(dǎo)致管道的密封失效。加強(qiáng)重要部位的巡查，并及時再緊螺母，是非常重要的工作。而設(shè)計層面和安裝工藝層面應(yīng)系統(tǒng)性考慮這一類工況。

6.2 隧洞封堵體滲漏

根據(jù)國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)，在隧洞首次充水期間，隧道封堵區(qū)和地下廠房區(qū)域會發(fā)生漏水現(xiàn)象。針對漏水部位，可能需要采取灌漿處理。

當(dāng)引水隧洞內(nèi)水頭達(dá)100 m后，A4支洞和A5引水洞的封堵部位均出現(xiàn)了不同程度的漏水。隨著隧洞內(nèi)水位的上升，漏水量明顯增大。

這兩處封堵體的底板高程分別為599 m和586 m（在設(shè)計發(fā)電水位狀態(tài)下分別承受約416 m和429 m的靜水頭），封堵體長度分別為27 m和32 m，且均設(shè)置了后期檢修通道（含鋼制閘門），以便于后期作為引水隧洞檢修的進(jìn)出通道[12]。

滲流點(diǎn)主要為封堵體的混凝土水平分層縫、封堵體的豎向分段縫、封堵體灌漿廊道的灌漿孔、封堵閘門、封堵體通道的鋼襯灌漿孔等（見圖7）。

6.2.1 土建部分導(dǎo)致的滲漏

在隧洞內(nèi)水頭還不是非常大時，采用LW水溶性和HK-9105油溶性聚氨酯聯(lián)合進(jìn)行了應(yīng)急堵漏灌漿，較突出的滲漏點(diǎn)處理效果明顯[7]。灌漿至滴水不漏的狀態(tài)是不實(shí)際的。

較早進(jìn)行應(yīng)急灌漿的主要考慮是，往后不斷增大的水頭可能導(dǎo)致最后滲漏無法控制。

隨著水壓的不斷上升，一處滲漏點(diǎn)最后形成一股噴射流，如圖8所示。但隨著時間的推移，在沒有做灌漿處理的情況（洞內(nèi)水頭幾乎無變化），噴射流消失，最后幾乎不再滲漏。分析認(rèn)為，發(fā)電水流攜帶的懸移質(zhì)進(jìn)入了該噴射流的路徑，最終堵塞了滲漏通道。這也可以解釋，隨著時間的推移，其他的滲漏點(diǎn)也存在滲漏變小的情況。

6.2.2 金屬結(jié)構(gòu)部分導(dǎo)致的滲漏

封堵閘門滲漏主要是因閘門止水的缺陷所致。其一，采用寬度僅40 mm的平面橡膠止水壓緊止水，設(shè)計的可壓緊量為5 mm，且其硬度沒能達(dá)到通常要求的70～80 硬度值;其二，采用螺栓完全貫穿該止水的方式將止水固定在門體上。

另外，封堵體通道的鋼襯灌漿孔滲漏是由于封孔焊存在砂眼所致，對其加幫鋼板作補(bǔ)焊處理。

6.3 隧洞封堵體混凝土水平分層

基于第6.2節(jié)的應(yīng)急灌漿，對于預(yù)留灌漿廊道的封堵體，在設(shè)計其水平分層時應(yīng)避免灌漿廊道底面和頂面部位出現(xiàn)薄層。否則，在進(jìn)行應(yīng)急灌漿時，混凝土薄層結(jié)構(gòu)可能無法抵御灌漿高壓。

6.4 高水壓下遠(yuǎn)距離繞滲

A4支洞全長約2 080 m，其平面布置如圖9所示。

當(dāng)引水隧洞內(nèi)水位充至大概731 m時，在A4支洞內(nèi)距離洞口約1 470 m的一個隧洞壁龕的側(cè)墻上，突然出現(xiàn)了幾處較大的漏水點(diǎn)，每一個滲漏點(diǎn)都像完全打開的自來水管。漏水點(diǎn)的高程約為650 m，到引水隧洞的最近點(diǎn)（其樁號約D5+1 163，仰拱面高程約為599 m）的平面投影距離約為103 m，到A4支洞封堵部位的平面投影距離約528 m。

同其他支洞一樣，A4支洞僅采用了錨噴支護(hù)，且為靜水淹沒隧洞（A4支洞口底板高程為801 m。經(jīng)過后期長期的觀察，A4支洞內(nèi)的水只上升到了洞口附近，未能溢出洞口）。鑒于此，針對該漏水情況，僅采取了鉆孔引流和局部灌漿等簡單處理措施。

7 隧洞排空和隧洞后續(xù)充水

7.1 隧洞排空的危險性

較隧洞充水而言，在隧洞排空過程中，隧洞面臨更大的危險性，主要有以下因素。

（1） 局部永久支護(hù)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)了較為明顯的磨蝕，特別是采用噴射混凝土作為永久支護(hù)的洞段。

（2） 雖然隧洞采用了透水襯砌形式，但在高水壓作業(yè)下，仍然可能有一部分永久支護(hù)結(jié)構(gòu)被強(qiáng)大的高壓內(nèi)水撐破、拉裂。采用非預(yù)應(yīng)力混凝土或鋼筋混凝土襯砌的有壓隧洞，當(dāng)內(nèi)壓水頭超過100 m時，襯砌就可能因內(nèi)壓作用而開裂;當(dāng)內(nèi)壓水頭超過300 m時，即使圍巖的模量大于混凝土模量，襯砌仍然會因?yàn)閮?nèi)水壓力開裂而導(dǎo)致高壓內(nèi)水外滲[13-14]。這一點(diǎn)也體現(xiàn)在水工隧洞設(shè)計規(guī)范中，即混凝土襯砌按透水限裂要求設(shè)計[1，4]。

（3） 在滿水狀態(tài)時，隧洞內(nèi)外水壓處于平衡狀態(tài)。當(dāng)隧洞排空，內(nèi)水壓力快速消失，但外水壓力依然存在，其降壓明顯滯后于內(nèi)水壓降。另外，這種情況還會導(dǎo)致外水內(nèi)滲的滲流反沖刷已經(jīng)穩(wěn)定在裂隙中的充填物，破壞隧洞圍巖穩(wěn)定。這種外壓對隧洞可能是毀滅性的。

（4） 在隧洞充水后，圍巖中遇水變性的泥巖會顯著膨脹，這可能導(dǎo)致隧洞永久支護(hù)圈破裂;同時，泥巖自身失去大部分強(qiáng)度。當(dāng)隧洞排空，破裂的支護(hù)圈和低強(qiáng)的圍巖可能無法應(yīng)對外水壓力作用。

關(guān)于隧洞排空的危險性，國內(nèi)抽水蓄能電站的充排水經(jīng)驗(yàn)比較有說服力[15-16]。因此，隧洞排空時，嚴(yán)格壓低排水速度是極為重要的事情。

7.2 隧洞排空期間的配套工作

在引水隧洞排空期間，隧洞集石坑清理、封堵閘門止水檢修、隧洞排沙管道系統(tǒng)檢修、隧洞襯砌和支護(hù)結(jié)構(gòu)檢修等需要合理及時進(jìn)行。

在引水隧洞排空期間，對已發(fā)現(xiàn)的滲漏部位有必要進(jìn)行最終灌漿。

7.3 尾水隧洞排水

為了解決3號機(jī)組的閥帽門的舌瓣門漏水問題，在利用主進(jìn)水球閥擋水的情況下，實(shí)施了尾水排空（引水隧洞保持滿水狀態(tài)）。閥帽門接尾水肘管鋼襯，位于廠房下游墻內(nèi)，至機(jī)組中軸線的距離為17.325 m。

因尾水隧洞也同引水隧洞一樣，為“四機(jī)一洞”布置，一旦實(shí)施尾水排空，則4臺機(jī)組必須全部停機(jī)。因此，尾水首次排空工作選擇在2019年1月份進(jìn)行，為Neelum河的枯水期。截至此時，尾水隧洞正好充水了約1 a時間。

尾水排空主要利用尾水隧洞最低點(diǎn)的固定排水泵站進(jìn)行排水，而移動式排水車作為輔助排水設(shè)施經(jīng)A7施工支洞進(jìn)入隧洞內(nèi)進(jìn)行排水。

固定排水泵站的結(jié)構(gòu)形式為開敞式鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)，泵站池頂高程為570 m，泵站內(nèi)布置了4臺額定揚(yáng)程為31.3 m、單臺額定排水能力為440.6 m3/h的污水泵，正常運(yùn)行狀態(tài)為3用1備。水泵吸水高程為567.7 m，泵站出水管出口高程為593.2 m。

移動排水車動力為柴油發(fā)動機(jī)，整車尺寸（長×寬×高）為9.5 m×2.5 m×3.8 m，自備發(fā)電機(jī)和照明，其額定排水能力為1 500 m3/h，額定揚(yáng)程為55.6 m。主泵車為輪式柴油動力箱式卡車，子泵車為橡膠履帶行走機(jī)構(gòu)。移動排水車工作時，子泵車與主泵車通過高壓軟管相連，最遠(yuǎn)可間隔60.0 m。

固定排水泵站的4臺潛水泵幾乎是一直保持每天24 h地連續(xù)不間斷抽水，直至固定排水泵站全部露出水面，即約11 d后開始讓各水泵進(jìn)行輪換間歇。由于設(shè)計工況的限制，移動排水車需要隨著隧洞內(nèi)水位的不斷降低而不斷拆接排水管道，其排水效率并不高。整個排水過程持續(xù)了15 d。

尾水排空后，在進(jìn)行閥帽門檢修的同時，也對尾水隧洞、尾水調(diào)壓洞進(jìn)行了一定的維護(hù)：一方面是隧洞清理;另一方面是隧洞支護(hù)圈的修復(fù)。尾水隧洞、尾水調(diào)壓洞的支護(hù)圈出現(xiàn)了一定的破壞。具體破壞的部位多是位于隧洞泥巖段的仰拱拱腳至隧洞側(cè)墻腰線之間的邊墻，拱頂也存在一定數(shù)量的破壞，但其數(shù)量相對較少。具體破壞的形式主要有噴射混凝土大面積不規(guī)則網(wǎng)狀裂縫、噴射混凝土開裂、噴射混凝土層間起殼或脫落等，個別相對較嚴(yán)重的部位出現(xiàn)了鋼筋網(wǎng)片被拉斷、錨桿頭露出、圍巖出露、噴射混凝土出現(xiàn)較長的開裂、局部噴射混凝土剝落等。工程師指令，針對其認(rèn)為較為嚴(yán)重的局部做剝離和補(bǔ)噴鋼纖維噴射混凝土的處理。對此，本文持保留態(tài)度。

本文分析導(dǎo)致隧洞支護(hù)圈破壞的主要原因?yàn)椋核矶唇?jīng)歷了一個較長的開挖支護(hù)期，形成了一個穩(wěn)定的“干燥”構(gòu)造。當(dāng)隧洞充水后，圍巖重新吸水飽和。特別是泥巖，吸水后微膨脹，作用給隧洞支護(hù)圈。而脆弱的噴射混凝土無法抵御圍巖的膨脹力而被破壞。

從啟動尾水排空至尾水隧洞重新充水，歷時共計約26 d。重新充水采用1號機(jī)組的引水隧洞排沙管道系統(tǒng)進(jìn)行，又歷時約3 d，尾水被充至593 m高程，達(dá)到發(fā)電的正常工況。

7.4 引水隧洞排空原則

N-J水電站引水隧洞超長，隧洞圍巖中頁巖、泥巖以及軟弱砂巖類的洞段較多，且全程采用了無筋或少筋的襯砌結(jié)構(gòu)，一旦進(jìn)行引水隧洞排水放空作業(yè)，必將需要花費(fèi)較長時間。例如，排空時間、排空后的隧洞巡檢時間、對隧洞的缺陷進(jìn)行的修復(fù)時間、再次充水的時間等。對隧洞進(jìn)行頻繁地排空、再充水等，也不利于隧洞的安全穩(wěn)定以及電站的經(jīng)濟(jì)收益。鑒于上述主要原因，電站設(shè)計者制定了N-J水電站引水隧洞排空原則。

在隧洞首次充水成功后的20 a內(nèi)，不建議排空隧洞。但對于嚴(yán)重的漏水事故，排空隧洞有利于大規(guī)模修復(fù)作業(yè)。

為保證隧洞襯砌和支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠承受隧洞外水壓力作用，隧洞應(yīng)盡量不要排空。若進(jìn)行隧洞排空，洞內(nèi)水位下降速度應(yīng)不得大于2 m/h[17]（國內(nèi)的水工隧洞設(shè)計規(guī)范明確，鋼筋混凝土隧洞放空速度控制在2～4 m/h[4，12]）。排空初期可使用一臺機(jī)組來進(jìn)行排空。

在隧洞排空期間，認(rèn)真監(jiān)測位于穿Jhelum河段鋼襯的內(nèi)外水壓（安裝有壓強(qiáng)計），保證鋼襯所承受的內(nèi)外水壓差值在3 MPa以內(nèi)。

7.5 引水隧洞排空流程

基于第7.4節(jié)的排空原則，電站設(shè)計者還制定了詳細(xì)的隧洞排空流程。

當(dāng)機(jī)組被允許用作隧洞排空使用時，隧洞排空順序可按下述進(jìn)行。

（1） 從運(yùn)行水位降至975 m的過程，最多使用3臺機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行排水，約持續(xù)2 h。

（2） 水位從975 m降到935 m的過程，使用單臺機(jī)組從滿負(fù)荷漸變至空轉(zhuǎn)進(jìn)行排水，約持續(xù)6 h。

（3） 水位從935 m降到605 m的過程，使用單臺機(jī)組空轉(zhuǎn)進(jìn)行排水，約持續(xù)20 h。

（4） 水位從605 m降到593 m的過程，使用隧洞排沙管道系統(tǒng)排水。在相應(yīng)水壓下，排水流量約為1 m3/s，約持續(xù)7 d。若想減少該過程的縮排水時間，可用一臺機(jī)組采用被制動或空轉(zhuǎn)的狀態(tài)進(jìn)行配合。

（5） 水位從593 m降到585 m的過程，必須使用尾水隧洞排水系統(tǒng)進(jìn)行排水。

當(dāng)機(jī)組不能用于隧洞排空使用時，隧洞排空只能使用隧洞排沙管道系統(tǒng)進(jìn)行排水。這樣，隧洞排空的持續(xù)時間將非常長，且管道系統(tǒng)中的針閥將遭受額外的磨耗。

7.6 引水隧洞后續(xù)充水

在引水隧洞首次充水及排空完成后，隧洞后續(xù)充水程序應(yīng)與首次充水保持一致，但對充水速度有所放緩，其關(guān)鍵點(diǎn)如下。

（1） 飽和暫停步驟可以不再需要（相比隧洞開挖支護(hù)的施工時長，隧洞排空到隧洞再充水的時間是較短的，這個時長不會導(dǎo)致隧洞圍巖嚴(yán)重脫水而形成“干燥”構(gòu)造）。

（2） 引水隧洞充水的洞內(nèi)水位上升速度可按5～10 m/h控制[12，18]。

（3） 坡度較陡的洞段，很容易產(chǎn)生較高的水流速度。為了防止較高水流速度對隧洞仰拱面的不利影響，充水流量限制在7 m3/s是必要的。

8 結(jié) 語

（1） 整個充水過程中應(yīng)增加廠房區(qū)域地下水監(jiān)測頻率，及時對廠房區(qū)域地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，并作為隧洞充水過程調(diào)控的重要參考。

（2） 隧洞各封堵部位，特別是高水壓部位，是重點(diǎn)監(jiān)控部位。對于出現(xiàn)的滲漏水，應(yīng)具體分析，并及時決定是否進(jìn)行灌漿彌補(bǔ)。

（3） 各施工支洞的封堵混凝土塞的水平施工縫需要格外注意施工縫面的處理質(zhì)量，否則極可能成為后期的滲漏通道。

（4） 當(dāng)施工支洞的封堵混凝土塞存在永久交通廊道時，應(yīng)特別注意，交通廊道頂面的第一個分層厚度不能過小。若過小，隧洞內(nèi)高壓水可能滲入混凝土塞的水平施工縫，并擊穿這個小分層;或者在后期處理混凝土塞滲漏而進(jìn)行彌補(bǔ)灌漿時不能加壓。

（5） 隨著時間的推移，隧洞內(nèi)渾濁的水可能修復(fù)一些混凝土裂縫，即使是在高壓部位。

（6） 由于水環(huán)境變化會導(dǎo)致隧洞圍巖的膨脹與收縮，其產(chǎn)生的作用力是巨大的，會對隧洞的支護(hù)圈產(chǎn)生不同程度的破壞，特別是拱腳等應(yīng)力較為突出的區(qū)域。

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（編輯：胡旭東）