涔天河水库工程引水发电洞内水外渗探查及处理

詹双桥，郑 洪，杨志明

（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙410007）

1 工程概况

涔天河水库扩建工程位于湖南省永州市江华瑶族自治县境内的湘江支流潇水上游峡谷出口处，下距江华县城12 km。涔天河水库系潇水流域开发的第一个梯级，为潇水流域开发的龙头水库，控制流域面积2 466 km2。

涔天河水库扩建工程是具有灌溉、防洪、下游补水和发电，兼顾航运等综合利用效益的Ⅰ等大（Ⅰ）型水利水电工程。水库正常蓄水位为313 m，总库容15.1亿m3，设计灌溉面积扩大到111.5万亩，电站装机容量200 MW。枢纽建筑物主要包括拦河坝、泄洪隧洞、放空隧洞、引水发电系统和灌溉渠首（隧洞）等。拦河大坝为1级建筑物，设计洪水标准500年一遇，校核洪水标准10 000年一遇。

水库正常蓄水位313.0 m，设计洪水位317.76 m，校核洪水位320.27 m。

2 引水发电洞总体布置

引水发电洞布置在右岸山体内，进口位于大坝右坝头与1#泄洪洞之间，紧挨老坝右坝头布置，隧洞总长499.3 m。进口段与泄洪洞平行布置，至桩号0+060.262，平面向左转弯44.6°，轴线转弯半径R=50 m，至桩号0+274.223处竖向下弯，下弯段终点桩号0+339.376，高压隧洞段与机组中心线呈60°夹角。

引水隧洞由混凝土衬砌平洞段、混凝土衬砌斜洞段、钢板混凝土衬砌高压平洞段等组成。隧洞沿线为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩，K0=2～70 MPa/cm，断层、软弱夹层等结构发育。引水发电洞洞径9.5 m，进口底板高程256.5 m，下平洞中心线高程215 m，考虑停机水锤压力，设计最大工作水头140 m。

3 渗压监测情况

自2017年6月底至2018年8月底正常蓄水位验收前，引水发电洞共经历4次充水——放空——充水过程，充水放空期间库水位维持在282 m左右运行。发电洞充水前后衬砌外渗压计监测数据反映以下现象：

1）闸门井下游渐变段洞顶渗压计P1测值基本与库水位持平，且不随隧洞充水、放空而变化。

2）上平洞及斜洞段渗压计P2～P7测值随洞身充水、放空涨落，隧洞充水，渗压计测值与库水位作用水头基本持平，隧洞放空，渗压计测值恢复至充水前水平。

3）钢衬段两支渗压计P8、P9测值随着隧洞充水放空有少许变化，量值很小，且时间有滞后现象。

4 渗压异常原因分析

1）渗压与引水洞充放水相关原因分析。渗压计P3～P7及地下水位监测孔OP9～OP11监测数据均表明，衬砌外水压力变化与引水发电洞充水相关，多次充放水验证，基本可以判定内水外渗现象存在。内水外渗的可能原因主要有以下几个方面：

①洞身衬砌存在尚未发现的渗水通道。引水洞放空后多次进洞检查发现，洞身衬砌存在裂缝渗水、施工缝渗水、灌浆孔洞渗水等现象，虽然已发现的混凝土缺陷已经处理完成，但不排除一些尚未发现的衬砌混凝土缺陷的存在，而且本工程混凝土所用水泥水化热较高，混凝土干缩裂缝比较多。

②衬砌分段止水可能部分失效。引水洞上平洞衬砌采用钢模台车浇筑，每段衬砌长度9 m；斜洞段衬砌采用满堂脚手架、普通模板浇筑，分上弯段、斜洞段和下弯段三段。衬砌厚度0.6～1.0m，各段衬砌之间设置铜片止水，止水片位于衬砌中部。洞内、特别是斜洞段施工条件较差，衬砌为薄壁结构，可能存在止水片周边混凝土浇筑不密实、止水片安装偏差的现象。

上述可能的衬砌质量缺陷均有可能形成渗漏通道，进而导致内水外渗。

2）渗压仅与库水位相关原因分析。引水发电洞进口闸门井下游渗压计P1测值基本与库水位持平，且不随引水洞放空和充水变化，进口洞段山体内新增的两个地下水位观测孔测得地下水位与库水位基本平齐，两组监测数据均反映进口洞段衬砌外地下水与库水位已经连通。分析原因认为，进口闸门竖井下游洞段洞身围岩为Ⅲ类，洞顶及左侧临库上覆岩体较单薄，闸门竖井和洞身在此处交叉，竖井采用自下而上全断面爆破开挖导致围岩松动、破碎，库水位上升，对山体地下水进行补给，导致进口段山体地下水位与库水位持平。

5 外部验证及加强排水减压处理

1）新增地下水位监测孔验证。为了进一步验证衬砌外渗压计反映情况的真实性，在引水发电洞下游洞段顶部山体增设3个地下水位观测孔，其中OP9位于上平洞末端，孔底高程269 m，OP10位于下弯段，孔底高程233 m，OP11位于洞轴线与1#滑坡体之间，孔底高程269 m。新增地下水位观测孔见图1。

图1 地下水位观测孔布置图

2018年9月22至10月31日再次对引水发电洞放空充水，新增地下水位孔监测数据也反映与引水洞放空充水相关，监测数据见图2。

图2 地下水位观测孔水位变化过程曲线图

2018年9月22至10月31日这次放空充水过程，渗压计和地下水位监测孔两组监测数据反映出几乎相同的现象及变化趋势，隧洞充水，测值升高，隧洞放空，测值下降。两组监测数据变化基本可以判断引水洞充水后存在内水外渗并抬高围岩地下水位的现象。

2）排水减压洞延长加强排水。将2#排水减压洞平行引水洞轴线向上游延伸，提高排水洞排水减压效果，排水洞延长段与主洞之间围岩厚度10 m，排水洞向上游延伸布置见图3。加强两个排水洞排水流量监测，如出现陡然增大现象，立即关闭引水发电洞进口检修门、放空引水洞，采取有效措施对洞身衬砌进行检修堵漏处理。

图3 引水发电洞下游排水洞布置图

平行主洞的2#排水洞延长段向上游掘进约35 m至发电洞上平洞末端对应位置时，排水洞右侧壁上岩石裂隙发育部位出现明显涌水，且有缓慢增大趋势，引水发电洞放空，涌水量明显减小直至为零，期间2#排水洞出口量水堰实测最大流量达13.67 L/s。排水洞涌水量进一步印证了发电洞存在内水外渗现象。

6 洞内探查及封堵处理

由于引水发电洞内水外渗现象经过多次洞内检查处理均未得到缓解，2020年3月，项目业主引进第三方再次对引水发电洞内水外渗进行探查处理。

6.1 洞内探查

1）洞内探查要求。由于引水发电洞通气孔尺寸仅1 m×2 m，施工吊篮及检查设备无法经通气孔进入引水发电洞，且有近70 m高，仅靠爬梯上下，存在一定安全风险；为了保证进洞探查方案顺利实施，需从引水发电洞进口EL324平台竖井进入发电洞洞内，利用叠梁门挡水，叠梁门门顶高程为EL287.5，需降低库水位，保证叠梁门达到挡水条件。考虑本次检修时间紧、任务重、临近汛期库水位变化较快等因素，建议本次检修将上述两个通道都利用起来，分层取水门下游闸门井作为设备及人员进出主要通道，通气孔可作为人员进出备用通道。

2）探查方法：

①无人机探查。为初步探查大的渗漏点，由于引水发电洞净高9.5 m，拟采用无人机摄像探查，在OHP9、OHP11及2#排水洞洞内两个观测孔注水后采用无人机在发电洞洞内对上平洞末端及斜洞段进行摄像探查，若发现红色或集中出水位置，即为渗漏通道，及时做好记录。②钻孔取芯及压水试验。针对引水发电洞内探查后发现的渗水部位、表面缺陷部位，及地质雷达扫描后发现的壁后有空腔的部位，进行钻孔取芯检查，孔径为50 mm，孔深穿过混凝土，部分进入壁后岩层，取芯后观察芯样是否密实完整,并进行压水试验，摸清透水情况。③表观人工探查。为更清楚地对表观进行探查，先采用30 MPa高压水枪对洞壁附着物进行清洗，直至出露混凝土面。上平洞人工探查采用移动式脚手架工作平台进行。上弯段及斜洞段人工探查采用浮排，从水位高程在EL258.25开始，先对EL258.25高程以上3.0 m部位探查后，再设置2.0 m为一个探查区段，通过电站厂房控制尾水放水速度，分区段探查，直至降低水位到EL252.25。④地质雷达探查。在引水发电洞上平洞布置4条地质雷达线进行扫描检测，根据现场实际情况将4条地质雷达线分别布置在左右拱腰、左右边墙，在斜洞段根据施工冷缝情况，沿轴向及环向布置地质雷达线。⑤注水连通试验。通过多次充放水时监测情况表明，下游地下水位观测孔与引水发电洞充放水高度相关，故本次拟采用连通试验的方法进行，在引水发电洞放水完成后，在OHP9、OHP11及2#排水洞渗水处分别采用1台SH高压水泵持续注水（若注水量无法满足要求需适时增加水泵），水中增加胭脂红食用色素，人为抬高下游上覆山体地下水位，在发电洞放水期间造成外水内渗现象。

6.2 主要探查成果

采用30 MPa高压水枪对洞壁进行冲洗后，进行表观检测，通过初步表观检查，发现渗水点（包括未完全封堵的原灌浆孔）12处；渗水环向施工缝13处（桩号0+76至桩号0+208），上平洞渗水裂缝24处，斜洞段施工冷缝20处，渗水结构缝1处，混凝土蜂窝孔洞5处。

在引水发电洞上平洞末端及斜洞段（EL220以上）渗水裂缝、渗水结构缝处钻孔取芯，共完成49个孔，发现部分衬砌混凝土壁后钻孔岩芯破碎或部分壁后存在空腔。

通过对地质雷达数据采集、处理及分析发现：检测段内混凝土衬砌所在的岩层部分轻微破碎、破碎或严重破碎；检测段内发现有部位衬砌混凝土内部疏松不密实。检测段内发现有部位混凝土衬砌与所处岩层脱空等现象。

6.3 洞内封堵处理

针对探查发现的渗水（漏水）通道，提出如下处理措施及要求：

1）结构缝漏水：

①采用柔性堵漏材料（如HW水溶性聚氨酯、堵水胶等）灌浆封堵漏水结构缝，分别钻斜孔至止水片内侧缝面和在止水片外侧钻骑缝孔灌浆；②止水片周边衬砌混凝土浇筑不密实部位采用环氧类材料灌浆封堵；③漏水结构缝灌浆封堵后，沿缝周黏贴20 cm宽的胎基布，表面涂刷30 cm宽、3 mm厚聚脲条带封闭。

2）衬砌混凝土浇筑不密实（含施工缝）渗水：

①针对衬砌混凝土浇筑不密实部位，采取钻孔并用环氧类材料（如低粘度、高渗透性环氧树脂浆液等）灌浆封堵；②衬砌缺陷灌浆封堵后，表面涂刷2 mm厚聚脲封闭，具体范围根据渗水点分布及灌浆范围确定。

3）灌浆孔洞封堵不密实渗水。处理措施与“2）衬砌混凝土浇筑不密实（含施工缝）渗水”相同。

4）衬砌贯穿裂缝渗水：

①在贯穿裂缝（宽度大于0.2 mm）两侧钻斜孔，采用环氧类材料灌浆封堵；②裂缝灌浆封堵后，沿表面涂刷10 cm宽、2 mm厚聚脲封闭。

5）混凝土蜂窝、孔洞修复。对洞内混凝土蜂窝、孔洞修复处理，采用环氧砂浆进行修补。对需要修补的部位凿成一定的深度，对已锈蚀的钢筋除锈后，并重新植筋；基面周边应垂直表面切除。对较深的部位，应采用分次分层回填处理的方法进行施工，层与层之间采用界面剂涂刷后再回填环氧砂浆。

6）衬砌混凝土壁后处理。由于前期对混凝土明显渗水部位施工缝灌浆处理过程中，为了保证灌浆效果，在对施工缝处理前，采用聚氨酯灌浆材料对渗水进行封堵，发现部分位置吸浆量大，研究确定在灌入聚氨酯达到20 kg/孔后仍无压力时，改灌水泥-水玻璃双液浆进行充填。

7 处理效果

本次洞内封堵处理完成后，在2020年4月14日对发电洞进行充水，充水前2#排水洞流量0.82 L/s，充水后流量1.51 L/s（包含地下水及降雨影响），增幅0.69 L/s；处理前最大流量达13.67 L/s，平均流量10.48 L/s，减小幅度达85.6%，减小明显。

近2个月运行期库水位上涨至EL303 m时，在遇长时间强降雨情况下，2#排水洞流量2.23 L/s；同比2019年库水位EL303 m时，2#排水洞流量10.64 L/s，本次处理后减小幅度达79.0%，监测结果表明，处理后的效果达到了预期要求。