泉州市惠女水庫(kù)引調(diào)水工程C4標(biāo)引水隧洞突發(fā)性涌水抽排水方案優(yōu)化分析

陳旭日

（泉州市山美水庫(kù)水資源調(diào)配中心,福建 泉州 362000）

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

泉州市惠女水庫(kù)引調(diào)水工程C4標(biāo)山美水庫(kù)至羅東段輸水隧洞長(zhǎng)4953.485 m（樁號(hào)D10+000.000～D14+953.485）,隧洞起點(diǎn)與進(jìn)水口連接,終點(diǎn)接羅東下穿高速公路隧洞標(biāo)段。工程設(shè)計(jì)輸水流量為12 m3/s,隧洞開(kāi)挖斷面為平底圓形,開(kāi)挖洞徑4.7 m,開(kāi)挖底寬3.5 m,襯后洞徑3.9 m。根據(jù)工程設(shè)計(jì)地質(zhì)資料對(duì)隧洞圍巖進(jìn)行分類。Ⅰ～Ⅱ類圍巖占總長(zhǎng)36.4%；Ⅱ類圍巖占總長(zhǎng)24.2%；Ⅲ類圍巖占總長(zhǎng)21.8%；Ⅳ類圍巖占總長(zhǎng)14.1%.大部分隧洞圍巖為Ⅰ～Ⅱ類,隧洞圍巖總體基本穩(wěn)定局部穩(wěn)定性差,隧洞工程地質(zhì)條件較好。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求,修建一條長(zhǎng)度157.23 m施工支洞與引水隧洞相交于樁號(hào)D11+028 m處,支洞斷面型式為城門洞型。

1.2 地質(zhì)情況分析

地質(zhì)構(gòu)造以斷裂發(fā)育為主,斷層規(guī)模均較小,沒(méi)有區(qū)域性斷裂發(fā)育,初步查明與洞線相交的斷層有7條,其中北東向2條,北北東向1條,北北西向2條,北西向1條,北西西向1條。北東、北北東向、北北西向斷層與隧洞軸線交角較大,北西、北西西向斷層與洞軸線交角較小。斷層寬度0.5 m～8 m,一般以碎裂巖、構(gòu)造角礫巖充填為主。隧洞區(qū)地下水以基巖構(gòu)造裂隙潛水和第四系松散堆積物孔隙潛水為主,地下水主要賦存在構(gòu)造斷裂、基巖裂隙連通表部風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙中,受大氣降水補(bǔ)給,山體大量積水,隧洞經(jīng)過(guò)局部斷裂層造成局部大量涌水。

1.3 隧洞施工過(guò)程突發(fā)性異常涌水

1#支洞主洞下游目前處在山體最高峰下的沖溝處（樁號(hào)D11+980～D12+400）,斷裂層較為埋深,洞段埋深均200 m～430 m。施工過(guò)程中,由于地下水以基巖構(gòu)造裂隙潛水出現(xiàn)異常,在支洞下游施工至樁號(hào)D11+980斷面處、樁號(hào)D1 2+016斷面處先后出現(xiàn)兩次突發(fā)較大涌水,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,兩次涌水下游單斷面出水量分別達(dá)180 m3、240 m3,由于出水點(diǎn)較多,出水匯聚量大,出水量一度持續(xù)在每小時(shí)300 m3左右,洞內(nèi)出、抽水不平衡,水位無(wú)法明顯下降。

針對(duì)本工程1#支洞下游段突發(fā)性異常涌水嚴(yán)重制約工程進(jìn)度的情況,主管部門泉州市水利局組織參建各方和有關(guān)專家在經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查后召開(kāi)專題會(huì)議,并形成一致意見(jiàn)：

（1）本工程隧洞涌水點(diǎn)所處位置均為規(guī)模不大的斷裂帶,屬于巖石裂隙水,斷裂帶內(nèi)隧洞圍巖雖然裂隙比較發(fā)育,但破碎、風(fēng)化程度不高,穩(wěn)定性較好,對(duì)隧洞施工安全影響不大；

（2）樁號(hào)D12+016涌水點(diǎn)在斷裂帶沿裂隙分布,比較分散,堵漏難度大、成本高,暫不宜采取封堵,更適合采用排水方案；

（3）要進(jìn)一步完善排水系統(tǒng),加大排水力度,采取強(qiáng)抽強(qiáng)排的方式,同時(shí)考慮后續(xù)施工過(guò)程出現(xiàn)類似情況,按最大出水量每小時(shí)300 m3為基礎(chǔ),對(duì)原抽水系統(tǒng)進(jìn)行全面改造,以保證隧洞內(nèi)的抽水量滿足施工要求,并留有足夠的抽水余量以保證后期施工順利開(kāi)展。

2 抽排水方案改造優(yōu)化

本工程隧洞設(shè)計(jì)滲水量60 m3/（km·h）。本工程隧洞開(kāi)挖工作面有三個(gè),即從樁號(hào)D11+028往D10+082.126開(kāi)挖、從樁號(hào)D11+028往D13+000開(kāi)挖、從樁號(hào)D13+000往D14+953.485開(kāi)挖（主支洞交叉樁號(hào)D11+028,隧洞終點(diǎn)樁號(hào)D14+953.485）。其中樁號(hào)D11+028～D10+082.126段、樁號(hào)D13+000～D1 4+953.485段為順坡排水,樁號(hào)D11+028～D1 3+000為反坡排水,反坡排水難度較大,隧洞發(fā)生異常涌水情況隧洞范圍（樁號(hào)D11+980～D12+016）又處于反坡排水段,因此改造優(yōu)化的抽排水方案主要針對(duì)反坡排水段,其余兩部分順坡排水按照隧洞設(shè)計(jì)滲水量布置抽排水即可[1]。

2.1 原抽排水方案

（1）在支洞與主洞交叉口處（樁號(hào)D11+028 m）設(shè)置小型集水坑,截留隧洞上游順坡來(lái)水匯集于此,在此集水坑設(shè)置1臺(tái)7.5 kW水泵配Φ75PVC抽排水管抽水至支洞外經(jīng)沉淀池處理后排出；

（2）支洞與主洞交叉口處（樁號(hào)D11+028 m）下游隧洞開(kāi)挖,計(jì)劃每隔500 m設(shè)置小型集水井,分別配置固定1臺(tái)11 kW、3臺(tái)7.5 kW、4臺(tái)4 kW的水泵配Φ75PVC/Φ50PVC/Φ110鋼管抽排水管反坡排水至上一級(jí)集水坑或直至支洞口外,通過(guò)固定式集水坑接力將洞內(nèi)積水抽排至支洞口,固定式集水坑容量按一般滲水量設(shè)計(jì)；

（3）隧洞出水口段因出洞口高程低于周邊農(nóng)田,滲水量通過(guò)隧洞開(kāi)挖（由隧洞出口反向開(kāi)挖）順坡匯集出口處,布置3臺(tái)4.0 kW水泵于出洞口集水井,抽排水至洞臉口兩側(cè)排水溝。

2.2 優(yōu)化改造抽排水方案一

（1）保持兩個(gè)順坡段原排水方案不變。將原抽排水方案中主支洞交叉處小型集水坑加大加深開(kāi)挖,改造為1號(hào)集水倉(cāng),取消原方案反坡段第一集水坑,由1號(hào)集水倉(cāng)代替,1號(hào)集水倉(cāng)同時(shí)承擔(dān)上游、下游反坡段排水的中轉(zhuǎn)任務(wù),將支洞上下游來(lái)水匯集,統(tǒng)一抽水至支洞外經(jīng)沉淀池處理后排出,1號(hào)集水倉(cāng)總?cè)萘?50 m3；

（2）當(dāng)1號(hào)水倉(cāng)運(yùn)行時(shí),配置1臺(tái)55 KW管道離心泵、1臺(tái)22 kW管道離心泵、1臺(tái)15 kW油浸式潛水泵、1臺(tái)7.5 kW潛水泵,同時(shí)配套￠160 PE管2條、￠110鋼管、￠75PVC管,此處集水倉(cāng)抽水流量為：160 m3/h×0.8+87 m3/h×0.66+96 m3/h×0.73+86 m3/h×0.72=317 m3/h,留有足夠余量；

（3）樁號(hào)D11+028～D13+000每隔500 m設(shè)置小型集水井,分別配置固定2臺(tái)7.5 kW、4臺(tái)4 kW的水泵配Φ75 PVC/Φ50 PVC/Φ110鋼管抽排水管反坡排水至上一級(jí)集水坑或直至支洞口外,通過(guò)固定式集水坑接力將洞內(nèi)積水抽排至支洞口。

2.3 優(yōu)化改造抽排水方案二

（1）保持兩個(gè)順坡段原排水方案不變。在隧洞樁號(hào)D11+980位置設(shè)置2號(hào)集水倉(cāng),該位置既是隧洞異常涌水段的起始點(diǎn),又處于反坡排水段的中部,有利于將隧洞下游后續(xù)施工涌水反坡抽送匯集,2號(hào)集水倉(cāng)總?cè)萘?50 m3。將原抽排水方案中主支洞交叉處小型集水坑加大加深開(kāi)挖,改造為1號(hào)集水倉(cāng),根據(jù)隧洞坡比為-0.692%計(jì)算,2號(hào)集水倉(cāng)位置高程比支洞口高程低24.5 m,隨著后續(xù)施工進(jìn)尺的推進(jìn)掌子面與支洞口高差會(huì)越大,考慮到抽排水沿線水頭損失,1號(hào)集水倉(cāng)在承擔(dān)匯集支洞上游來(lái)水任務(wù)的同時(shí),又承擔(dān)2號(hào)集水倉(cāng)抽排水的中轉(zhuǎn)任務(wù),將支洞上下游來(lái)水匯集,統(tǒng)一抽水至支洞外經(jīng)沉淀池處理后排出,1號(hào)集水倉(cāng)總?cè)萘?50 m3；

（2）按照兩次突發(fā)性涌水最不利情況即最大涌水流量300 m3/h布置,當(dāng)2號(hào)水倉(cāng)運(yùn)行時(shí),配置1臺(tái)55 kW管道離心泵、1臺(tái)22 kW管道離心泵、2臺(tái)11 kW油浸式潛水泵、1臺(tái)22 kW管道離心增壓泵配合55 kW離心泵使用,同時(shí)配套￠160 PE管、￠110鋼管、￠75PVC管,此處集水倉(cāng)抽水流量為：160 m3/h×0.8+87 m3/h×0.66+93 m3/h×0.74×2=323 m3/h,留有足夠余量。當(dāng)1號(hào)水倉(cāng)運(yùn)行時(shí),配置1臺(tái)55 KW管道離心泵、1臺(tái)22 kW管道離心泵、1臺(tái)15 kW油浸式潛水泵、1臺(tái)7.5 kW潛水泵,同時(shí)配套￠160 PE管2條、￠110鋼管、￠75 PVC管,此處集水倉(cāng)抽水流量為：160 m3/h×0.8+87 m3/h×0.66+96 m3/h×0.73+86 m3/h×0.72=317 m3,留有足夠余量；

（3）設(shè)備調(diào)整后,按表1水泵設(shè)備參數(shù)表,考慮本方案為階梯式抽排水法,涌水量及抽排水能力以下游2號(hào)水倉(cāng)的抽排水能力為準(zhǔn)。反坡排水段主體思路為：正常施工運(yùn)行過(guò)程中由下游2號(hào)水倉(cāng)通過(guò)排水管路抽水至1號(hào)水倉(cāng),再由1號(hào)水倉(cāng)通過(guò)管路排水至支洞口外。當(dāng)1號(hào)水倉(cāng)抽水設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí),可關(guān)閉主支洞交叉處抽水管道三通閥門,由2號(hào)水倉(cāng)直接抽水至支洞口處,并同步啟用備用應(yīng)急設(shè)備防止沿線水損造成抽排能力不足,1號(hào)水倉(cāng)采用高揚(yáng)程小流量水泵配消防軟管將上游來(lái)水直接抽排水至支洞外；

表1 水泵設(shè)備參數(shù)表

（4）隧洞內(nèi)用電設(shè)備隨著隧洞施工進(jìn)尺的累加而遠(yuǎn)離電源端頭,考慮到電壓降壓、多臺(tái)抽水設(shè)備啟動(dòng)及運(yùn)行（啟動(dòng)瞬間電流為正常運(yùn)行電流的3倍左右）影響,在原來(lái)95 m3電纜進(jìn)洞的基礎(chǔ)上,增加2條240 m3的電纜,同時(shí)增加1臺(tái)630A電流補(bǔ)償穩(wěn)壓器專供下游抽水設(shè)備。

3 抽排水方案比選

現(xiàn)將原抽排水方案與兩個(gè)改造優(yōu)化的抽排水方案進(jìn)行綜合分析比較,見(jiàn)表2。

表2 抽排水方案綜合分析比較

綜上分析,改造優(yōu)化后抽排水方案相比較原方案而言,反坡段抽排水無(wú)論從設(shè)備正常運(yùn)行功率還是最大抽水能力都有所提高,優(yōu)化改造抽排水方案二無(wú)論從應(yīng)急處置能力、工程施工安全性和工期控制方面又具有極大優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然方案二需增加的投資較多,從隧洞施工長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮,一旦再次發(fā)生異常涌水現(xiàn)象,原抽排水方案和改造優(yōu)化抽排水方案一將不能及時(shí)有效應(yīng)對(duì),必將導(dǎo)致隧洞淹沒(méi)、短期內(nèi)無(wú)法施工,由此造成的人員、機(jī)械閑置,進(jìn)度無(wú)法推進(jìn)的時(shí)間成本等,將遠(yuǎn)大于改造優(yōu)化排水方案二所需的費(fèi)用。因此,優(yōu)化改造抽排水方案二最適合應(yīng)用于本工程施工。

4 結(jié)語(yǔ)

泉州市惠女水庫(kù)引調(diào)水工程C4標(biāo)引水隧洞工程針對(duì)隧洞突發(fā)性涌水,對(duì)隧洞原抽排水方案進(jìn)行改造優(yōu)化后,極大提高了隧洞抽排水能力和突發(fā)性涌水的應(yīng)急處置能力,為后續(xù)隧洞施工提供了安全、可靠、便利的施工環(huán)境,克服本工程隧洞施工的最大難題,從而有效推進(jìn)工程進(jìn)度,可為今后地質(zhì)條件較為復(fù)雜的水工隧洞突發(fā)性涌水抽排水方案提供成功的實(shí)際應(yīng)用案例。