高水头、长距离输水隧洞排水方案探析

赵 芳

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳 550002)

1 概 述

黔中水利枢纽工程位于位于贵州中部，地处株六复线经济带的核心部位，是贵州省城市最密集、工业基础最好、人口最集中的地区。一期工程的任务是以灌溉和城市供水为主、兼顾发电等综合利用。包括水源工程、一期输配水工程。输水工程包括总干渠工程、桂松干渠工程、一期支渠工程。其中桂松干渠总长84.77km，从桂家湖水库取水，自流到双堡岩山院，设革寨1号泵站、2号泵站提水后，分别进入贵阳红枫湖水库，松柏山和花溪水库。

桂家湖水库取水为库内取水，采用岸塔式取水口，进口设弧形工作门后和消力将有压流转变为无压流后连接大山哨隧洞。大山哨隧洞全长8.64km，无压隧洞，城门洞型断面。引水设计流量14.571m3/s，加大流量16.963m3/s，隧洞底坡为1/3000。

大山哨隧洞是典型的长距离输水建筑物隧洞，穿越岩溶山区，高水头、渗水量大。如果不能处理好隧洞开挖和衬砌中隧洞排水问题，一方面会给开挖和衬砌施工带来巨大的困难；另一方面也由于隧洞开挖降低了地下水，给穿越带带来一系列社会问题。

2 地质评价

大山哨隧洞埋深10-200m。围岩为三叠系中统关岭组第二段(T2g2)灰色中层灰岩夹厚层白云岩和三叠系中统关岭组第三段(T2g3)灰色、浅灰色白云岩、白云质灰岩及灰岩。岩层产状平缓，120°-125°∠3°-6°。

隧洞均处在地下水位以下，岩溶发育，溶洞、地下河较多见，水文地质极为复杂。开挖洞隙率5%-10%左右。多为地下水沿洞向向桂家湖低邻谷排泄所形成的岩溶管道，隧洞渗水、涌水量较大。

强、弱风化带岩体为Ⅲ和Ⅳ类围岩。

3 排水方案

3.1 永久排水方案

大山哨隧洞全长8.64km，埋深10-200m ，沿线穿越贵州云马厂、5处村寨，水塘等建筑。隧洞均处在地下水位以下，岩溶发育，溶洞、地下河较多见。若隧洞设置排水孔，将降低地下水位线，影响沿线厂矿村寨居民的正常生活取水用水，且对周边环境造成众多不可估计的破坏[1]。故保持原生态，恢复地下水位是大山哨隧洞的设计原则。

根据多次对大山哨隧洞沿线地下水进行水质化学分析发现：沿线局部段水质类型为[S]CaⅡ型，即为硫酸盐钙质水。该类型水对混凝土结构物无一般酸性型、碳酸型、重碳酸型、镁离子型等腐蚀性，但对混凝土结构物有硫酸盐强腐蚀。

故经过多方位考察研究、参照已建工程运行情况，大山哨隧洞永久衬砌不设置纵向排水及横向排水孔，采用封闭式城门洞型衬砌。施工中考虑临时排水措施，施工完成后逐渐恢复地下水位[2]。

大山哨隧洞水文地质条件复杂，地下水位高，不设置永久排水系统，隧洞衬砌将承受较大的水头作用，为节约工程量，按地下水水头、围岩类别进行衬砌结构分类设计，详见表1。

表1 大山哨隧洞衬砌设计

3.2 临时排水方案

大山哨隧洞线路长、地下水头高、出水量大，水文地质条件极其复杂，施工中排水设计极为重要。由于岩溶发育，岩层产状平缓，隧洞开挖掘进过程中，地下水沿层面、裂隙集中或分散的通过隧洞排泄。

若采用抽排方式将水抽排至地表河流排向下游，地下水向隧洞内排泄将造成局部带地下水位下降，引起地表溶沟溶槽充填物下陷。而局部渗水地段在进行衬砌施工时，衬砌混凝土初凝前，渗水部位的水流会在高水压的挤压下穿透衬砌，形成渗水，给衬砌施工带来极大的难度。

3.2.1 集中出水点处理

出水点的监测和统计：施工开挖中，对隧洞桩号1+300-1+802段的涌水点分集中渗水点和分散相对集中渗水点进行检测如下：

1)集中渗水点：①隧洞桩号1+300底板0.2m直径的小溶洞涌出，初测涌水量11L/s。②隧洞桩号1+490右侧墙起拱位置沿张开的裂隙集中涌出，初测涌水量10L/s。③隧洞桩号1+587竖井内距地表10m左右，距隧洞顶板16m左右，沿张开裂隙集中涌出，初测涌水量35L/s。④隧洞桩号1+715左侧距底板3m处沿张开的裂隙集中涌出，推出水量涌15L/s。⑤隧洞桩号1+800右侧距底板3.8m处沿张开的裂隙集中涌出，初测涌水量 20L/s。⑥隧洞桩号1+802顶板上方有一45cm，圆形溶洞，基本上垂直隧洞顶板涌水，初测涌水量50L/s。

2)分散相对集中渗水：①隧洞桩号1+460--1+480涌水段，右侧墙起拱位置沿层面涌水，初测涌水量16L/s。②隧洞桩号1+690--1+700全断面涌水，现以做一次支护，初测涌水量25L/s。③隧洞桩号1+740隧洞涌水两侧起拱位置沿层面涌出，初测涌水量18L/s。④隧洞桩号1+760--1+780隧洞左右侧墙沿层面涌水及顶拱沿张开裂隙涌水，初测涌水量35L/s。

3.2.2 处理方案

根据以上统计成果，对隧洞开挖出水点按出水流量大小进行分类。对较大的集中出水点进行洞内封堵处理，以恢复地下水的补排关系并减少洞内出水量。

1)对出水流量Q≤5L/s的出水点做好引排工作，暂时可不进行封堵。

2)对出水流量10L/s≥Q≥5L/s的出水点适当开挖后采用管道引排，然后采用快干混凝土封闭即可(见图1)。

图1 示意图一10L/s≥Q≥5L/s

③对出水流量Q≥10L/s的出水点，进行扩挖后采用管道引排并在周围增加钢支撑，同时采用C10混凝土(快干水泥)等材料对管道和岩层的周边空腔进行封堵，封堵完毕并达到强度后，采用反压灌浆的方法将出水点彻底封闭(见示意图2)；

图2 示意图二Q≥10L/s

3.2.3 防水层及排水处理

隧洞开挖后对出水点进行排水和封堵处理，但由于出水点多，出水量大，压力大，且隧洞围岩呈水平状，有大量沿层面的分散出水点，对隧洞衬砌施工带来了困难，如衬砌混凝土初凝前，渗水部位的水流会在高水压的挤压下穿透衬砌，形成渗水等。故针对衬砌施工，进行了以下处理措施。

1)边墙渗水段：

边墙渗水段衬砌在初期支护(或隧洞岩面)与衬砌之间铺设分离式防水层，防水层背后设置Ф50环向盲沟(由Ф50排水盲管组成)，每4m设一道，若隧洞边墙渗水较大时应每1m设置一道；距衬砌底50cm处墙角位置设置Ф100纵向盲沟(由Ф100排水盲管组成)，左右各设一道，纵向与环向盲沟均与边墙Ф50泄水孔相通，边墙渗水均由边墙泄水孔流出，泄水孔布置数量与环向盲沟数量相同。泄水孔在衬砌施工完毕后，采用灌浆方式进行封堵。

衬砌环向施工缝采用中埋式橡胶止水带加背贴式橡胶止水带复合构造形式；隧洞底板与衬砌边墙、衬砌边墙与衬砌的纵向施工缝采用遇水膨胀止水条单一构造形式。在隧洞衬砌型式变化处或软硬岩分界处设置永久施工缝，永久施工缝采用中埋式钢边橡胶止水带，遇水膨胀止水条加背贴式橡胶止水带复合构造形式，并以沥青木丝板，聚硫橡胶胶填缝。

2)底板渗水段：

隧洞底板渗水段在衬砌底板浇筑前首先对衬砌底板岩面进行清理干净，在底板与衬砌之间铺设分离式防水层。并于防水层下设置Ф50盲沟(由Ф50排水盲管组成)2道，衬砌底板渗水由Ф50排水盲管引出(见图3)。

衬砌底板施工缝采用中埋式橡胶止水带加背贴式橡胶止水带复合构造形式；在隧洞衬砌底板型式变化处或软硬岩分界处放置永久施工缝，永久施工缝采用中埋式钢边橡胶止水带、遇水膨胀止水条加背贴式橡胶止水带复合构造形式，并以沥青木丝板、聚硫橡胶胶填缝。

图3 示意图三

4 结 语

隧洞开挖及衬砌实施过程中，排水方案取得了良好效果，减少了高水头大流量隧洞开挖的排水量，降低了排水费用，衬砌施工得以顺利进行，并降低了施工风险和由于地下水变化给隧洞穿越带来的一系列的社会问题。