蒲石河抽水蓄能電站引水隧洞下平段斷層處理

張建輝，馬龍彪，景健偉，張 軍，王曉麗，劉 洋

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021；2.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

1 引水系統及下平段地質條件

整個輸水系統沿線山體均較雄厚，埋深在45～300 m左右，圍巖多為微風化或新鮮的混合花崗巖。圍巖類別多為Ⅱ、Ⅲ類。斜洞段巖石較完整、新鮮，節理不發育，且多閉合膠結，發育F4等數條斷層，斷層寬度一般小于20 cm，主要為弱～微透水巖石，屬Ⅱ類圍巖。岔管段及壓力鋼管段巖體一般較完整，發育10多條規模較小的斷層破碎帶，圍巖穩定條件較好，主要為微～極微透水巖石，屬Ⅱ類圍巖。

引水洞下平段圍巖為混合花崗巖，巖石較堅硬。節理較發育，發育F3、fy60、fy120、fy121等30余條斷層破碎帶通過，為Ⅱ～Ⅲ類圍巖。以下范圍為Ⅲ～Ⅳ類圍巖：①引Ⅰ0+482.00～0+509.00。 發育 F3、 fy120、fy134、 fy135、 fy60、 fy161、 fy162等 7 條斷層。 其中， F3斷層及上、下盤影響帶寬約22 m，沿斷層滲水嚴重，性狀差； fy60寬0.3～1.0 m；其他斷層寬度多小于10 cm。開挖時局部有掉塊，多處有滲水現象。圍巖局部穩定性差，屬Ⅲ～Ⅳ類圍巖。②引Ⅱ0+487.00～0+525.00。 發育 F3、 fy60、 fy112～fy130、 fy132等 20 條斷層。其中，F3斷層及上、下盤影響帶寬約25.5 m，沿斷層滲水嚴重，性狀差；其他斷層寬度多小于30 cm。巖體中節理較發育，巖體較破碎。開挖時多處有滲水現象。圍巖局部穩定性差，屬Ⅲ～Ⅳ類圍巖。

2 斷層危害性分析

由于斷層破碎帶比較軟弱，若處理不當，其中夾泥和碎屑部分受到水的作用會溶蝕或軟化，進而降低圍巖強度，導致結構破壞，影響工程的使用及安全。

（1）對距離最近的壓力鋼管上部排水廊道及廠房邊墻等建筑物的影響。運行工況下，受斷層影響洞段若發生內水外滲，壓力鋼管上部排水廊道及廠房邊墻有可能發生大量滲水，危害建筑物安全。廠房及排水廊道均位于F3斷層下盤新鮮完整的巖體內，巖體屬于微～極微透水巖石。根據高壓岔管區域的原位試驗成果，高壓壓水試驗壓力低于5 MPa時，裂隙或節理不會被劈開而大量滲水。隧洞運行時最大內水壓力為4.8 MPa，未超過圍巖的劈裂壓力。受斷層影響洞段與壓力鋼管上部排水廊道及廠房間的最近距離為110 m左右，水力梯度最大約為5，小于完整巖石的臨界水力梯度。因此，對壓力鋼管上部排水廊道及廠房基本無影響。

（2）下平段斷層若在山體表面有出露點或與山體表面斷層銜接連通，運行時內水將沿山體產生滲漏，進而誘發山體失穩的可能性。本工程隧洞圍巖最小覆蓋厚度達280 m，其水力梯度僅為1.8，小于斷層部位的臨界水力梯度。因此，運行工況下，假設引水隧洞的圍巖中斷層的固結灌漿圈失去防滲能力，也不會造成大量滲漏，引起滲透失穩。

（3）F3斷層在2、4號支洞出露部位產生內水外滲的可能性。F3斷層在2、4號施工支洞出露部位與2號引水隧洞間的最近距離約為160 m，水力梯度最大約為3，滿足張性節理裂隙密集帶和斷層破碎帶臨界水力梯度3～5的要求，安全裕度稍小。

（4）當一洞運行一洞檢修時，由于檢修洞段內為臨空面，而兩洞間水力梯度為9.5，水力梯度較大，致檢修隧洞側可能會出現大量滲水，進而導致兩洞間不良地質段的巖體失穩。

綜合以上分析，對于本工程受斷層影響洞段，若處理不當最有可能夠產生的危害是:①運行時，隧洞內水外滲，有可能于F3斷層在2、4號支洞出露部位會產生滲漏，進而影響結構安全；②一洞運行一洞檢修時，由于斷層影響，被檢修的洞內大量滲水，圍巖穩定受到威脅。同時，失去二洞四機運行的靈活性。

3 處理方案比較及選定

對于受斷層影響的引水隧洞下平段，設計處理的原則為：對于F3斷層，由于斷層較寬且性狀較差，采用混凝土塞作為剛性楔體，把壓力傳遞于破碎帶兩側的巖石上。同時，結合水泥固結灌漿，提高圍巖的變形模量，降低通過混凝土塞及圍巖固結圈的滲透水壓力值，進而減少對固結圈外斷層的侵害，以保證運行安全。對于其他小規模的斷層，采用水泥固結灌漿的方式進行處理。鑒于當時該洞段襯砌及回填灌漿的已完成的實際情況，因此，在原方案的基礎上擬定以下3個方案進行比較：

（1）水泥固結灌漿。入巖10 m范圍內進行水泥固結灌漿，1、2號隧洞間則采用水泥固結灌漿進行銜接加強。先用普通水泥灌漿，然后采用磨細水泥灌漿，灌漿壓力為5 MPa。

（2）環氧材料-水泥復合固結灌漿。入巖10 m范圍內進行水泥固結灌漿，1、2號隧洞間則采用水泥固結灌漿進行銜接加強，整個入巖10 m范圍內進行補充環氧固結灌漿，灌漿壓力為5 MPa。

（3）局部鋼襯方案。對受斷層影響洞段采用局部鋼襯，內徑6.9 m，采用600 MPa級鋼板，壁厚46 mm。加勁環及加勁環間的鋼管的抗外壓能力按最大外水頭 （400 m）考慮。因此，鋼襯外不再設置排水廊道及其他外排水措施，鋼襯兩端也不設置阻水帷幕。鋼襯外包混凝土厚60 cm。為了保證局部鋼襯段與鋼筋混凝土襯砌洞段 （內徑為8.1 m）的平順連接，在鋼襯段前后各設置5 m長的鋼筋混凝土漸變段。

3個方案相比較，固結灌漿方案 （包括水泥固結和復合固結灌漿）有以下缺點：

（1）復合灌漿方案中環氧材料灌漿施工工藝較為復雜，需要有專門從事環氧材料化灌的專業隊伍進行施工；環氧材料高壓固結灌漿的過程及質量難以控制。

（2）高壓水工隧洞采用環氧材料-水泥復合灌漿在國內應用較少，灌后效果也不是很理想。因此，其灌漿效果難以確定。

（3）環氧固結灌漿的吸漿量和可灌性只有通過現場灌漿實驗才能確定；復合灌漿方案的投資只能根據概算定額來估算，與實際的環氧材料固結灌漿有很大的差別，投資控制具有不確定性。

（4）在高壓水長期作用下，無論是水泥固結還是復合固結灌漿都可能會失效，即灌漿的耐久性問題。若失效，則需要停機、放空、補灌。補灌需將球閥拆除，施工人員及設備才能從壓力鋼管段進入到引水隧洞下平段，施工難度較大，停機時間較長。

對于高水頭壓力隧洞，遇到不良地質洞段且對防滲要求較高的隧洞，宜采用鋼襯方案。與復合固結灌漿方案相比，鋼襯方案有以下優點：

（1）鋼襯方案可有效地解決內水外滲的問題。

（2）鋼管施工工藝成熟，施工單位的施工經驗較多，不存在不確定因素。施工難度主要是現有施工空間限制，現場管節瓦片組圓對接較為困難。盡管鋼襯方案施工難度較大，但是施工工藝容易控制，對于壓力鋼管的檢測明確，能較好地保證鋼襯的施工質量。

（3）由于鋼襯方案進行縮徑，增加了水頭損失。相應年平均損失的發電電能為8.6×105kW·h，抽水增加電能為8.2×105kW·h。但是，損失的電能在總發電量中只是很小的一部分。

綜上比較，盡管局部鋼襯方案運行時損失一部分電能，但損失的電能在總發電量中只是很小的一部分，并且鋼襯方案是防止內水外滲和外水內滲的最可靠、最有效的方法，施工質量容易保證。固結灌漿方案施工質量不容易控制，灌漿效果難以確定。另外，固結灌漿方案還有耐久性的問題，若失效，則需要停機、放空、補灌，這樣造成的損失會更大。綜合比較，確定采用局部鋼襯方案。

4 結語

自2011年6月末開始，蒲石河抽水蓄能電站相繼進行了輸水系統充排水試驗、機組有水調試及上水庫蓄水等工作。目前，4號機組已投入商業運行。通過一系列的相關試驗和機組正常運行期間對斷層處理部位的檢查和監測，充分地證明了下平段斷層處理采用局部鋼襯方案的正確性，有效地解決了下平段斷層部位的內水外滲的問題，使得一洞運行一洞檢修的工況得以實現，進而保證了引水系統二洞四機運行的靈活性，為工程安全、穩定、合理地運行奠定了基礎。

對于采用混凝土襯砌或鋼筋混凝土襯砌的高水頭抽水蓄能電站的高壓隧洞，當圍巖中有斷層等軟弱結構時，應特別重視對斷層的處理。在充分了解隧洞圍巖地質情況前提下，結合本工程其他建筑物布置等實際情況，充分考慮內水外滲可能產生的后果以及處理方案的耐久性，在確保工程安全運行的前提下，選擇合適的處理方案。