惠蓄电站高压隧洞渗水原因分析及处理措施

余万祥

【摘 要】惠州抽水蓄能电站A厂水道工程于2008年建成，在上游水道首次充水时，位于上游水道系统高压隧洞上方的地勘洞出现了的高压渗水，最大渗水量达183.3 L/s。水道放空后，采用封堵高岔上方地勘洞，高压隧洞内进行深孔水泥固结灌浆+系统化学灌浆及回填F304断层，对高压渗水进行了成功处理，目前电站运行安全，高岔区的总渗水量一直稳定在5.92L/s之内。

【关键词】惠蓄电站；高压隧洞；最小覆盖厚度；水力梯度；最小主应力；灌浆

广东惠州抽水蓄能电站A厂（以下简称为惠蓄A厂），装机容量4×300MW，采用“一洞四机”布置，上库正常蓄水位标高762m，下库正常蓄水位标高231m，上、下库水头差为531.0m。上游水道由上库进出水口、上平洞、上游调压井、中斜井、中平洞、下斜井、下平洞、高压岔管（以下简称高岔）、引水钢支管构成。高岔中心线高程为135m，最大静水头将近627m，主岔管的四个岔支管口连接四条长约138m 的引水钢支管，进入地下厂房后连到四台机组的蜗壳。地下厂房的排水系统由厂房四周的上、中、下层排水廊道和高岔区上方246m高程地勘探洞组成。

上游水道系统于2008年5月31日21点35分开始，首次充水至上库水位751m，在充水其间水位在680m时，在高岔上方、距高岔垂直距离约120m的地勘洞PD01、1+200m桩号附近F304断层的洞壁上，突然出现了喷射状高压渗水，此时的渗水量大约在41.67～55.56L/s，水道充水至上库水位后，渗水最严重的部位集中在地勘洞F304、F273断层揭露部位，1#灌浆廊道F59断层部位呈水帘洞状喷射水，地勘洞总渗水量达到183.3L/s，关闭充水阀，水道总渗水量达到229.7L/s。稳压16d后，2008年7月18日排空上游水道进行全面检查发现：高压隧洞混凝土衬体出现裂缝主要分布在顶拱，且裂缝具有集中成带、斜列式排列的典型特征，均有外水返渗，呈水帘洞状出水，以下平洞AY2+800——AY2+843段最为严重。在AY2+800——AY2+900段顺水流方向右侧腰部有较多的斜向裂缝，分析认为，高压隧洞衬体开裂是地勘洞大量渗水的主要原因。决定在三个方面进行处理：第一方面针对穿过高压隧洞的断层及裂缝节理采取深孔水泥固结灌浆，以及隧洞围岩固结圈系统高压化学灌浆，第二方面，对地勘洞进行混凝土回填。第三方面，对F304断层进行水泥回填灌浆，处理工作结束后，上游水道再次充水，稳压5个月后总渗水量为5.92L/s，区内的渗压计读数也保持了良好的稳定状态。惠蓄A厂高岔在首次充水中，为何会出现如此规模的裂缝和渗漏？针对渗水原因已实施的处理措施能否保证高岔的长期安全运行？是这里讨论的重点。

1.水道渗漏的成因

无论广蓄还是惠蓄以及其它大型抽水蓄能电站，其高压水道的渗漏问题，都有‘矛与‘盾两个方面：‘矛这一方，指的是高内水压力与高水力梯度，而且两者必须同在。仅只要内水压力高而水力梯度很小，并不会造成很大的渗漏，反之亦然。只有两者同在，‘矛才利。‘盾这一方，指的是混凝土衬砌、高压固结灌浆带、未经固结灌浆的岩体的厚度等，它们的作用是增大渗流阻力，堵塞渗流通道，降低水力梯度，只有这三方面做好了，‘盾才坚。

1.1过大的水力梯度是导致A厂高压隧洞出现大量渗漏的原因（渗透稳定）

此次A厂水道充水过程中，当水道水位达到680m时，水道内水压力近5.4MPa时，5m水泥固结圈已发生劈裂，说明实际水力梯度远远大于“临界水力梯度”，此时的“临界水力梯度”在洞段内发育相对较大结构面NW 向构造F59和F43断层形成较大的渗漏通道。在深孔水泥灌浆钻孔发现，大部份钻孔超过9m后都有大量来水，从AY2+840桩号8-1#孔钻孔到9m深穿过F59断层时大量来水，来水量到达110L/min。说明水文地质条件差，在水泥固结范围圈以外有较大的透水带断层，岩石透水性好，保水性差，导致水力梯度过大。

1.2最小覆盖厚度 （挪威准则）

设计采用有限元法计算，认为衬体砼仅是传力给岩石，允许砼开裂，按限制裂缝宽度0.2mm，作用在围岩上的水压力接近于内水压力，受力和防渗主要靠围岩起作用，要使衬砌隧洞能保持稳定，并不因渗水过大而不能正常运行，必须保证衬砌隧洞有足够的埋深，使隧洞洞身的垂直及侧向岩石覆盖厚度大于最小覆盖厚度。保证围岩不产生渗透失稳和水力劈裂。

挪威准则是经验准则，其原理是要求隧洞上覆岩体重量不小于洞内水压力。采用最薄埋厚代替岩体垂直及侧向覆盖厚度，如下式：

De≥？奕w×（H/？奕r）×cosβ·K（式2）

式中： De为压力隧洞计算点到地面的最短距离，单位：m；？奕w为水的容重；β为山坡的平均坡角；K为安全系数（一般取1.3～1.5）λ=K？奕/？奕R；？奕r为岩体的容重；

根据挪威准则公式计算得出：

高压隧洞最小覆盖厚度一般取1.2H， 安全系数K为（一般取1.3～1.5） ，从表3计算得出，在侧向（靠断层F304方向）无法满足高压隧洞最小覆盖厚度要求。

在高压隧洞段，由于透水性好的F304断层与隧洞近平行，且处于隧洞的下盘，隧洞与断层的距离在60～200m间。

1.3洞内静水压力大于最小主应力 （水力劈裂）

最小主应力准则是建立在“岩体在地应力场中存在预应力”的基础上的，其原理是要求衬砌高压隧洞沿线任一点的围岩最小主应力σ3大于该点洞内静水压力，并有1.2～1.3倍的安全系数。完整的岩块透水性微弱，水在岩体中的运动主要是通过岩体中的裂隙或节理。实际上对有节理裂隙的岩体进行劈裂，所需的渗透压力小于主应力测试时劈裂完整岩体的劈裂应力；劈裂NW向构造所需渗透压力小于最小主应力，在高压水作用下岩体断续裂隙（空隙）发生扩展，连通率增大，改变了岩体原有的结构，使渗透性大大增加，同时伴随侵蚀及泥化等作用。渗透性的增加又会加速渗流，使水力劈裂作用进一步加强。

另一方面下高压隧洞场区的NW、NNW向断层发育， 断层构造是张性透水构造，张性性质的断层不是单独的一条，而是相互平行的一组构造，其中一条或某几条NW向构造发生劈裂时，未被劈裂的其它张性NW向裂缝将被压缩，并不受最小主应力的控制。因此，相对而言，劈裂成组产出的张性构造的渗透压力又低于劈裂单条产出的张性构造所需的压力。设张性裂隙在法向应力为σn条件下等效水力隙宽为a，则在一定水力梯度J作用下通过裂隙的流量与隙宽3次方成正比，裂隙的等效水力隙宽将增大Δa。即q=-kaJ=-ga3/12νJ（3）式中：g为重力 加速度；ν为水的运动粘滞系数；k=ga2/12ν为裂隙的导水系数。有几组NW向透水裂隙（F59、F43与F65）连通高压隧洞及地勘洞。设与隧洞相交的裂隙的法向应力为σn。如果？奕hs>σn，则在水的作用下，裂隙法向应力将变为拉应力，裂隙将张开。假如裂隙劈裂后隙宽a增大一倍，则由式（3）知其渗流量将增大到原来的8倍。

2.下平洞及高岔衬砌砼开裂形成顶部燕尾形裂缝原因

位于衬砌顶部的裂缝具有集中成带、斜列式排列的典型特征，根据ltasca（武汉）咨询有限公司的咨询报告，衬砌顶部的裂缝显著地不同于内水压力作用下的衬砌破坏，而是具有典型的剪切性质，不同于内水压力作用产生的张破裂特征。而其剪切性质属于隧洞两侧出现比较明显的差异变形。从地质条件分析，发生渗水的三大原因导致水道两侧围岩出现比较明显的差异，靠F304断层一侧内水进入围岩并达到F304，说明这一侧围岩的断层结构带成为较大的渗流通道，主要为F59、F43、F65断层通向F304，从深孔水泥灌浆情况看也证明这一点，而靠在A厂厂房一侧则有1#灌浆廊道，整理围岩得以较好加固。由于隧洞两侧围岩加固存在差异，高压水导致隧洞两侧实际受力状态和围岩变形性能的进一步变化，先是围岩发生微弱变形，使灌浆固结圈范围发生破坏，导致在衬砌砼顶部（衬砌砼受力最薄弱的部位）出现集中成带的剪切裂缝。

3.高压隧洞防渗处理三大措施

渗流量的大小，总是由三种因素决定的。水力梯度与渗流系数（即渗流阻力）决定了渗流的流速，渗流通道的面积与渗流流速的乘积决定了渗流量的大小，所以解决高压隧洞的防渗问题，也应从‘矛与‘盾两方面入手，采取三大措施。

3.1封堵高岔上方地质探洞，将渗水封闭在山体内，降低水力梯度，以增大渗流阻力，减小渗流通道出口的面积

A厂高压隧洞出现大量渗漏的根本原因是高压隧洞至上方地质探洞之间的水力梯度过大。要想从根本上解决裂缝和渗漏问题，确保在日后的运行中衬砌不再产生新的裂缝、围岩不产生劈裂，则必须降低排水探洞至高岔之间岩体的水力梯度，有效的抬高H2，以减小内外水压力差。将地质探洞所有渗水断层构造带（主要为F304及F273断层揭露处、1#灌浆廊道F59断层揭露处） （见图1）用混凝土进行回填封堵、预埋管回填灌浆。

图1 地勘洞及1#灌浆廊道封堵平面图

3.2 高压隧洞内进行深孔水泥固结灌浆+系统化学灌浆，尽可能堵塞渗水通道，增加渗流阻力

加固围岩松动圈及围岩与衬砌混凝土间的接缝得到有效紧密结合。

针对穿过高压隧洞的断层构造带及裂缝节理带，在隧洞顺水流方向右侧腰部及顶拱布置深孔高压水泥固结灌浆，目的在于将环绕高压隧洞的围岩固结起来，增加围岩整体性、弹模和抗力，提高围岩的承载力，将穿过高压隧洞的断层节理构造及张性裂隙等渗流通道加以延长封闭，增加渗流阻力，使最小主应力大于洞内最大静水压力。此次水道渗水放空后灌浆参数，新增的深孔水泥固结灌浆孔深15～20m，压力7.5MPa，下平洞总灌浆孔84个，灌浆工程量1331.5m，总耗灰量202.28t，平均单耗151.92kg/m，最大单孔耗灰量95.97t。高岔总灌浆孔95个，灌浆工程量1482.0m，总耗灰量76.92t，平均单耗51.91kg/m，最大单孔耗灰量9.36t。平均水泥灌浆孔深15.72m，在高岔、下平洞及下斜井下弯段采取系统化学灌浆，孔深由原设计的5m加深至7.5m（局部9m），排距也由原设计的3m加密至1.5～2.0m，化学灌浆材料为改性环氧高分子材料，灌浆压力7.5 MPa，下平洞总灌孔数700个，灌浆工程量4702m，总耗浆87.654t，平均单耗19kg/m，最大单孔耗浆量9.3t。高岔总灌浆孔470个，灌浆工程量3929m，总耗浆89.3t，平均单耗23 kg/m，最大单孔耗浆量9.46t。大面积化学灌浆既可以修复衬体的裂缝，又可以尽可能多地封堵衬体后围岩灌浆固结圈中被高压水劈裂和冲蚀出的透水通道、增大渗流阻力，同时还起到了加固围岩松动圈、提高围岩抗力的作用。

3.3 F304断层回填灌浆

F304断层在地质探洞246高程以下的空腔水泥灌浆，由于有F304断层在高压隧洞的下盘，断层宽度为10～15m，水道与F304断层直线距离最小处只有65m， 隧洞在侧向（靠断层F304方向）不能满足高压隧洞最小覆盖厚度要求。采取水泥灌浆填充空腔部分及断层裂缝，提高围岩的完整性及受力传递，能有效提高隧洞侧向最小覆盖厚度要求，水泥回填灌浆总共灌入1812.4吨，灌浆压力3.5MPa。

4.结论

由于惠蓄电站水文地质条件复杂，岩石透水性好，保水性能差，有几条NW向断层构造带穿过下平洞及高岔，F304断层又处于水道下盘，惠蓄A厂高压隧洞钢筋混凝土开裂和大量高压内水外渗的根本原因是高岔至上方地勘洞的水力梯度过大；水道侧向最小覆盖厚度不能满足要求，水道放空后，对下平洞及高岔进行深孔水泥灌浆+高压系统化学灌浆和回填高岔上方地勘洞及F304断层水泥灌浆的处理措施是有效的、必要的；处理后的钢筋混凝土岔管的长期安全运行是有保障的。