沙灣水電站引水隧洞地質問題及工程處理措施

謝幼龍，蘇建德

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

沙灣水電站引水隧洞地質問題及工程處理措施

謝幼龍，蘇建德

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

該水電站引水隧洞為少有的有壓、長引水隧洞，末端最大內水壓力達1.4MPa，在開挖施工過程中出現的工程地質問題具有普遍性和特殊性，本文闡述了該工程已出現的6大工程地質問題和對應的處理措施，重點論述了地下水、有害氣體及圍巖失穩的原因和處理方式，可為后續地下工程設計、施工處理相關工程地質問題參考、借鑒、評價。

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劃一庫六級方案中的第三級梯級電站，為引水式開發，裝機4臺，總容量240 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0～7號8個施工支洞。引水隧洞工程于2004年10月1日開工，2012年8月20日完成充水試運行，2012年10月4臺機組相繼投產發電，現已實現安全運行發電近三年。

2 引水隧洞區基本地質條件

隧洞沿線山體雄厚，河谷深切，呈“V”型谷，谷坡陡峻，植被發育。沿線支溝較為發育，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瓦廠組（O1W）板巖夾中厚層狀層紋理發育變質石英砂巖、千枚巖，人工組（O1r）的中～厚層狀層紋理發育的變質石英砂巖夾板巖、千枚巖，少量志留系（S1）的板巖夾千枚巖、硅質巖和印支期輝綠巖，三疊系下統領麥溝組（T1l）的板巖夾千枚巖、硅質板巖。巖層總體產狀：N30°～40°W／SW∠15°～50°。圍巖類別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三類，開挖后復核確定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。

隧洞區地質構造較為復雜，位于唐央復背斜的南西翼，發育4條區域性斷層——圓寶山、尼都、機落、茶布朗斷層，破碎帶一般寬約20～40 m，機落斷層寬達249 m，由碎裂巖、糜棱巖、角礫巖、少量斷層泥、裂隙密集帶組成，揉皺較發育及層間錯動帶，帶寬0.3～0.5 m，隨機發育小斷層，寬度0.5～3 m，由碎裂巖、糜棱巖組成。

隧洞區物理地質作用較顯著，主要表現為卸荷與崩塌，沿線崩、坡堆積的塊碎石分布較廣泛，支溝泥石流不甚發育，巖體風化主要受巖性、構造控制，部分地段風化較強。

隧洞區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，其賦存與運移主要受巖性和構造所控制，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 工程地質問題及處理

3.1 地下水問題

引水隧洞開挖編錄統計滲水點共91處，襯后缺陷排查統計股狀滲水點25處，線狀滲水點217處，面狀滴水點30處，地下水在隧洞中的出露位置有靠近地表溝谷和構造破碎帶附近，部分滲水點有隨開挖時間加長滲水量逐漸減小和雨季滲量增大的特點，根據初設階段對河水、溝水、泉水進行了取樣試驗，簡分析成果表明，河水水質類型為HCO-3-Ca＋＋型，PH＝8.0～8.1，溝水水質類型為HCO-3-Ca＋＋型或者HCO-3-Na＋型，PH＝7.5～8.1，泉水水質類型為HCO-3-Na＋型，PH＝9.5，據環境水腐蝕性判定標準，初步判斷工程區河水、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，多數洞段地下水具有鐵銹色泡沫狀析出物，為進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分析，據環境水腐蝕判定標準，隧洞區環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構地區的地下水位，按水柱高度的靜水壓力值計算，有條件的情況下，利用長期觀測網直接觀測運行期的各段地下水位，或利用埋設在隧洞內的滲壓計，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育段，可能受外水壓力影響段，根據該段隧洞埋深和地下水對圍巖穩定的影響按GB50287-2006《水力發電工程地質勘察規范》中附錄Q外水壓力折減系數確定各段外水壓力值，引水隧洞埋深在180～534 m，各地下水發育段外水壓力值在0.38～1.3 MPa之間，由于隧洞內水壓力大，仍以內水壓力控制襯砌設計，經襯砌結構計算均能承受外水壓力要求，從運行期各監測斷面滲壓計觀測值對應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，泥質炭質板巖、千枚巖等軟弱巖石遇水后易軟化，開挖時間較長后不及時支護易產生塌方和變形，底板部位易產生超挖，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，僅襯砌時局部埋管將地下水引到隧洞內，后對其進行水泥和化學灌漿堵水處理。

3.2 圍巖穩定問題

開挖過程中發生了27處大塌方，塌方量大于100 m3，分析塌方發生的地質原因大致有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生的塌方如其代表性的25號塌方段；三是受巖層結構面不利組合和地下水控制產生的塌方，如17號塌方段；四是構造斷層破碎帶和地下水原因產生大塌方，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

基落斷層為區域活動斷層，具有明顯的全新世活動性，表現為左旋走滑兼逆沖運動特征。其滑動速率估計為2.1±0.3 mm／a，未來百年內可能發生的最大突發位錯（地震位錯）量為1.44±0.33 m，估計基落斷裂的發震能力為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，開挖時一期支護采用系統錨桿＋掛網＋型鋼＋噴混凝土，二期支護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，內層配置2層Φ32＠12.5、外層配置1層Φ32＠12.5，為加強型鋼筋混凝土；為盡量提高襯砌適應變形能力，該段襯砌每個混凝土澆筑段之間均設伸縮縫，縫寬2 cm，縫內設橡膠止水和銅片止水各一道。在樁號8＋293 m布設了安全監測斷面2—2，對該活動斷裂及襯砌進行監控。

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，洞徑縮小為6 m。鋼板采用16MnR，壁厚采用22 mm；管外設置加勁環以保證抗外壓穩定。

3.4 有害氣體問題

隧洞有害氣體的出現是有先兆的，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，在2008年3月27日凌晨2點左右1號支洞下游2＋495 m開挖發生施工人員中毒事故。整個引水系統洞室開挖以2＋180～2＋642 m段有害氣體最為嚴重，其它部位也多處有氣體溢出，但濃度小危害相對較輕。

針對洞內出現的氣體，進行了現場氣體檢測，使用簡易便攜式儀器：北京FD216環境氡測量儀、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；并對洞內水、氣取樣，送實驗室分析，取樣時是在通風狀態下進行，檢測結果局部洞段CO2、CO和O2含量超安全標準。

2008年4月26日咨詢項目組在現場檢測時，隧洞內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日進入引水隧道1號支洞，抽取兩袋氣樣，于24日送攀鋼集團環境監測站對氣體進行檢測，其結果見表2：

表2 氣體檢測結果

現場檢測CO2遠比其它氣體濃度高，放炮誘發巖石與CO2突出，CO2窒息加SO2、H2S中毒能引發安全生產事故。

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

每一次開挖循環，采用掌子鉆孔6 m先導孔，爆破1.5～2 m的方法。鉆孔6 m為超前鉆探，對巖體內可能存在的氣囊進行提前釋放卸壓。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。

鉆進作業期間，隨時有一名專職檢測人員進行旁站氣體檢測，發現異常，立即通知所有作業人員撤離洞外。作業期間，洞外空氣壓縮機不得關停，發生停電等情況時，迅速組織人員撤離。

執行洞外放炮、加強通風，直至洞內空氣質量達到安全標準為止。

3.5 地熱問題

主要發生在5號支洞下游和6號支洞上游，洞內溫度高達35～40℃，隧洞垂直埋深在400～500 m，其地熱與埋深和洞內通風密切相關，地熱較高地段一般地下水不發育，處理方法是加強通風，增加施工人員飲水和縮短洞內工作時間。

3.6 巖爆問題

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

4 結 語

該水電站自2012年10月全部機組投運以來，經歷了2013、2014兩年完整的水文年運行檢驗，累計發電量14.66億kW·h，單機運行時間2 000 h以上，根據引水隧洞安全監測成果資料分析表明，引水隧洞圍巖變形已基本趨于穩定，混凝土結構應力和變形較小，基巖面與襯砌面結合度較好，目前引水系統處于安全穩定運行狀態。

簡訊

桐子林水電站工程首批機組通過啟動驗收

10月13日，國網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號機組）啟動驗收會議。國網四川省電力公司、四川省各級政府部門、水電水利規劃設計總院、國投、川投、水電工程質量監督總站、雅礱江水電開發有限公司、中國電建水電七局、華咨監理公司等單位領導及代表、我院機電處相關負責人及桐子林項目部參會。

會議通過認真討論，桐子林水電站工程首批機組順利通過啟動驗收。

（本刊編輯部）

TV554

B

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勘察工作。