锦屏二级水电站引水隧洞围岩固结灌浆设计与实践

何 江，陈念辉，潘益斌

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 310014）

1 工程概况

锦屏二级水电站利用雅砻江150 km 长的大河弯，截弯取直，开挖隧洞集中水头引水发电。电站最大水头321 m，额定水头288 m，共安装8 台混流式水轮发电机组，单机容量600 MW，总装机容量4800 MW，是雅砻江上水头最高、装机规模最大的水电站。工程引水系统采用4洞8机布置，4条引水隧洞、两条辅助洞和一条施工排水洞平行布置，自西向东横穿跨越近南北向展布的锦屏山。单条引水隧洞平均洞线长度约16.7 km，隧洞开挖直径14.4～12.4 m，隧洞中心距60 m，底坡3.65‰，隧洞承受的最大内水压力约0.81 MPa。隧洞沿线上覆岩体一般埋深1500～2000 m，最大埋深约为2525 m，全洞平均埋深约1610 m，其中埋深大于1500 m的洞段长度占全洞长度的75%左右，最大初始地应力超过70 MPa；锦屏二级引水隧洞具有埋深大、洞线长、洞径大的特点，为超深埋长隧洞特大型地下水电工程。

引水隧洞沿线穿越的主要地层为三叠系中统大理岩，碳酸盐岩占70%～80%，穿越地层地下水丰富，而且埋深大、地应力高；因此，引水隧洞沿线围岩开挖响应特征主要表现为：①东西两端各约1.5 km 靠岸坡洞段范围，岩溶相对发育，出现厅堂式大型溶腔、溶洞，并存在数十处直径或宽度大于0.5 m的中小型溶洞与溶蚀宽缝；②大理岩溶蚀裂隙发育，富水性强、地下水丰沛，开挖揭露的地下水表现出水量大、水压高、随机性强、排泄时间长、衰减缓慢的特点；③引水隧洞埋深大、地应力高、围岩强度应力比低（70%以上的洞段小于2），导致隧洞沿线围岩表层开挖引起的高地应力卸荷松弛破坏普遍且严重，破碎松弛深度一般在1～3 m范围；④隧洞沿线地质条件复杂，开挖揭露出的一些断层破碎带与绿泥石片岩软岩洞段等地质缺陷区域。

锦屏二级水电站装机规模巨大、工程等级高、引水隧洞洞线长、工程地质条件复杂，中部地下水较发育、外水压力较高，引水隧洞末端近岸坡段岩溶相对发育，地下水位低，内水外渗风险较大。另外，由于引水系统规模巨大、引水隧洞洞线长，机组负荷变化过程中水道系统压力波动周期长、衰减较慢，引水隧洞将承受由16.7 km 长隧洞特征带来的频繁水力波动荷载。为了保证引水隧洞结构稳定安全、防止末端内水外渗和中部洞段高外压力的水力渗透破坏，针对引水隧洞现场开挖揭露实际地质条件，科学合理的固结灌浆设计显得尤为重要。

2 引水隧洞固结灌浆设计

锦屏二级水电站引水隧洞结构设计遵循围岩是隧洞主要的承载与防渗结构的设计思想，即把引水隧洞围岩作为承载及防渗的主体，利用喷锚支护体系及时提供围压，达到围岩～支护体系的联合承载效果。引水隧洞固结灌浆主要目的是加固引水隧洞周边围岩，提高围岩的承载力和抗渗能力，以确保引水隧洞的围岩稳定及渗透稳定。灌浆加固圈是保证围岩保持永久稳定，并与支护体系和混凝土衬砌共同承受围岩压力和外水压力的重要结构。

锦屏二级引水隧洞洞线超长，沿线穿越地质条件复杂多变，不同岩性开挖过程中的力学响应特征、力学特性差别较大，如岩溶相对发育、内水压力大于外水压力的引水隧洞末端与外水压力远高于内水压力的引水隧洞中部的差别，以及硬质大理岩与软质绿泥石片岩等的差别。为了保证引水隧洞结构稳定安全、防止岸坡洞段内水外渗和中部洞段高外水内渗的水力渗透破坏，根据开挖过程中揭露的实际地质情况和工程承载与防渗的需要，将锦屏二级引水隧洞固结灌浆细分为如下4大类：

（1）A 型灌浆。应用于主出水带区域洞段的高压防渗固结灌浆，包括无盖重的深层高压防渗固结灌浆及有盖重的表层固结灌浆。

（2）B型灌浆。应用于出水带影响区，以及开挖期间出水、后期干涸洞段的高压防渗固结灌浆，基本为有盖重固结灌浆。

（3）C 型灌浆。应用于常规破碎围岩及岩溶发育洞段的常规固结灌浆，包括岩溶洞段的裸岩固结灌浆及衬砌后的固结灌浆（绿泥石片岩洞段的灌浆也划归此类）。

（4）D 型灌浆。应用于引水隧洞沿线高地应力下表层松弛破坏的浅层固结灌浆，基本为有盖重固结灌浆。

2.1 高压防渗固结灌浆设计

水工隧洞高压防渗固结灌浆目的是加固隧洞围岩、封闭隧洞周边岩体裂隙，提高隧洞围岩的整体性和抗变形能力，增强围岩抗渗能力和长期稳定渗透比降，引水隧洞防渗灌浆加固圈是隧洞围岩承载和防渗阻水的主要结构，也是控制渗漏量的重要结构。

锦屏二级水电站引水隧洞横穿锦屏山，埋深大，揭露地下水流量大、压力较高，据统计，4条引水隧洞施工期共揭露流量大于50L/s 涌水点42 个，其中流量大于1 m3/s的涌水点达6个。前期勘察实测外水压力高达8 MPa，若依靠常规的钢筋混凝土衬砌承载巨大的外水压力是不可能的，通过灌浆加固周边围岩使其成为承载和防渗阻水的主要结构，是本工程隧洞防渗结构设计的主要思想。为此，集中出水洞段通过高压防渗固结灌浆形成一定厚度的有效防渗灌浆圈，以降低围岩的渗透系数，实现承载和阻水的设计目的。因此，集中涌水带及其影响范围，在混凝土衬砌前，结合堵水灌浆进行10～15 m深孔无盖重防渗灌浆，将地下水推至安全距离之外，确保后续混凝土和灌浆顺利施工，同时形成一定厚度的防渗灌浆圈；混凝土衬砌后，再进行6.0 m防渗固结灌浆，以有效加强隧洞周边相对浅层围岩（1 倍隧洞半径）的灌浆质量，实现衬砌混凝土与灌浆圈内围岩的联合承载，确保设计目标的实现。

依据上述灌浆设计原则，实施过程中将高压防渗固结灌浆分为A、B两种类型，对于主出水带且灌浆施工时地下水出露的洞段采用A 型防渗固结灌浆，灌浆孔入岩深度6.0 m（局部区域根据现场实际情况加深至12 m），排距3.0 m，每排16孔，根据涌水段实际地下水发育情况，局部洞段可加密灌浆孔，排距2 m，每排20孔。对于出水带及外围影响区，且灌浆施工时已基本干枯的洞段采用B型防渗固结灌浆，灌浆孔入岩深6.0 m，排距3 m，每排16孔。

灌浆压力的选择：引水隧洞施工阶段由于地下水经辅助洞、施工排水洞的长期排泄，锦屏山地下水位线大幅降低，引水隧洞施工期揭露的最大涌水压力3～4 MPa，引水隧洞东、西两端则更低。结合锦屏二级水电站地下水“以堵为主、堵排结合”的处理原则，西端引水隧洞防渗固结灌浆压力取3.0 MPa，其他洞段除孔口段外统一取6.0 MPa。

2.2 常规破碎围岩固结灌浆设计

2.2.1 C型固结灌浆

引水隧洞沿线局部洞段围岩破碎，须通过高压灌入的水泥浆液固结破碎岩块，改善岩体的力学性能，提高其承载能力和围岩的抗渗性能。引水隧洞断层破碎围岩固结灌浆（划归为C型灌浆，灌浆孔全断面发散布置）主要针对大理岩的Ⅳ类及以下围岩洞段进行，灌浆孔入岩深度一般为6.0 m（不良地质洞段灌浆孔深加深至12 m），灌浆孔间排距根据地质情况确定为2.0～3.0 m，对称布置，灌浆压力3.0～6.0 MPa。

2.2.2 D型固结灌浆

引水隧洞穿越最大覆盖厚度2525 m的锦屏山，大部分洞段埋深在1000 m以上，沿线最大地应力水平超过70 MPa。理论分析和现场开展的大量原型监测显示：

（1）现场实际情况表明，高地应力集中释放的“岩爆”现象发生后，其周边围岩将持续出现破裂、松弛、剥落等破坏，围岩的强度、承载力受到严重削弱，需进行有效的固结灌浆进行加固。

（2）高应力作用下，开挖后完整的围岩由于系统支护不及时等局限性，岩体将不断劣化，损伤区范围也将向深部一定范围扩展。

（3）长期处于高应力、高渗透压环境下，部分锚杆系统可能面临失效，加上锚杆支护时间滞后等问题，仅在施工期进行喷锚支护的围岩体在运行期存在较大的安全风险，采用混凝土衬砌作为二次支护手段以保证引水隧洞围岩长期稳定、提高隧洞安全可靠度是非常必要的，而固结灌浆作为衬砌补强手段在这类地质条件洞段显得必不可少。

引水隧洞在高地应力洞段，须进行浅层固结灌浆加固（D 型固结灌浆），以加固洞壁表层已松弛岩体。灌浆孔入岩深度要求穿越松弛区，灌浆孔间排距满足边顶拱灌浆圈的形成，灌浆压力在常规灌浆技术要求范围内尽量取上限，以提高灌浆补强质量。根据现场实际检测成果，引水隧洞沿线高地应力围岩松弛深度一般为1～3 m，部分IV 类围岩及埋深较大洞段松弛深度超过4.0 m。因此确定D 型固结灌浆孔深为3.0～6.0 m，间排距3.0 m，每排16 孔，灌浆压力取3.0～6.0 MPa。

2.3 岩溶发育洞段的固结灌浆设计

锦屏二级水电站引水隧洞沿线多处于浅变质大理岩中，围岩属强富水性可溶岩。虽然整体岩溶不发育，但近岸坡段岩溶较集中发育，并以竖直型岩溶裂隙通道为主，局部呈中、小规模溶洞，岩溶率相对较低。且岩溶发育洞段多位于引水隧洞末端，毗邻地下厂房及高压管道，内水压力高，发生内水外渗的后果严重，是锦屏二级水电站工程的重点防渗区域。因此，岩溶洞段的固结灌浆目的主要是防渗（内水外渗）和补强（划归为C类灌浆）。考虑施工进度及结合岩溶处理原则，引水隧洞岩溶洞段固结灌浆分为两步完成，第一步即在引水隧洞完成喷锚支护后进行围岩深层低压无盖重裸岩固结灌浆，第二步在引水隧洞完成混凝土衬砌之后进行的浅层高压有盖重固结灌浆。

裸岩灌浆是一种低压充填型灌浆，在喷混凝土支护施工完成后进行。一方面可以满足灌浆过程中的围岩稳定需要；另一方面可以利用喷层提供一定的盖重，减少漏浆，减少浪费。灌浆材料可以根据岩溶空腔体积大小以及灌浆过程中的耗灰量不同分别考虑采用混凝土、细石混凝土、水泥砂浆以及纯水泥浆。同时通过裸岩灌浆钻孔可以揭露隧洞周边的“潜伏”性溶洞，探明“潜伏”性溶洞的发育情况，以便在混凝土衬砌前制定专门的处理措施。灌浆加固深度宜按洞径和水力渗透梯度要求确定，裸岩灌浆压力则根据内水压力及围岩条件综合确定。根据规范要求，固结灌浆孔深入岩的深度不低于1倍隧洞半径，灌浆压力一般为1～2倍内水压力；同时按围岩抗渗透稳定要求考虑，根据类似工程经验，需确保围岩承受的水力梯度不超过5。综合以上两点要求，裸岩灌浆压力取1.5～2.5 MPa，灌浆孔深度取12～20 m，表层0～4 m 段不进行裸岩固结灌浆。

对于隧洞沿线孔隙较大围岩，衬砌前无盖重裸岩灌浆吸浆量大，灌浆效果好，但由于裸岩灌浆压力受边界条件限制无法提高，灌浆密实度和可靠度不高，浆液扩散半径有限，尤其是表层不具备良好的压力灌浆条件。且裸岩灌浆仅针对岩溶集中发育洞段，因此为有效防止内水外渗，混凝土衬砌后有必要进行有盖重固灌浆加强处理。衬砌后固结灌浆排距2.0 m，每排20孔，孔深入岩6.0 m（约一倍隧洞半径，与裸岩灌浆表层0～4 m 未灌浆段有一个2 m的搭接段）。考虑内水压力、灌浆质量及耐久性等方面因素，东端近岸坡段（调压室上游侧约1.3 km范围）及引水隧洞中部岩溶发育段衬砌后固结灌浆提高压力至6.0 MPa，西端岩溶段衬后固结灌浆仍为3.0 MPa。

2.4 绿泥石片岩洞段灌浆设计

引水隧洞西端T1 地层绿泥石片岩主要出露在1号引水隧洞与2号引水隧洞。绿泥石片岩岩体强度低，具有遇水软化特性；出露地层的埋深较高，一般在1550～1850 m 之间，在高地应力条件下显现出典型的软岩破坏特征。绿泥石片岩段施工期塌方、围岩大变形、支护结构损坏等情况时有发生，其中1号、2号引水隧洞共发生大规模坍塌4次，单次坍塌方量为500～1000 m3。开挖支护后，经实测有约一半的断面最大变形超过了0.5 m，其中最大变形量约1.2 m。针对绿泥石片岩的大变形问题，现场采取了二次扩挖等工程处理措施。

绿泥石片岩大变形洞段岩性较为软弱，浅部围岩卸荷松弛，RQD 值较低，以及经受施工期洞室开挖的施工扰动、长期变形和地下水侵蚀等影响后围岩承载能力减弱，需要进行松动圈及深部围岩的固结灌浆，以改善岩体的力学性能，减少流变变形，提高岩体自身承载能力和抗渗性能，减少衬砌负荷。现场试验成果表明:灌浆加固对围岩质量有一定的提高作用，波速提高大概在6%左右。根据现场灌浆试验，9 m的灌浆深度能够满足设计要求，孔口0～3 m 是低波速集中区域，需要重点补充加固。绿泥石片岩固结灌浆分为三步：裸岩固结灌浆、衬后普通水泥灌浆和细水泥灌浆。

（1）裸岩固结灌浆。裸岩固结灌浆主要针对绿泥石片岩大塌方洞段，通过隧洞落底开挖前对上半断面隧洞系统塌方空腔采用水泥浆液或混凝土进行回填，灌浆和回填范围距离隧洞洞周不小于12 m，灌浆压力1.5～2.0 MPa。

（2）普通水泥灌浆。隧洞衬砌后，通过高压固结灌浆对引水隧洞承载范围内的岩体进行全断面系统加固，提高围岩的整体性、抗渗性和抗变形能力。普通水泥固结灌浆孔深为9 m，灌浆压力3～6 MPa。

（3）超细水泥灌浆。超细水泥灌浆在普通水泥灌浆完成并检查合格的基础上进行，对岩体内的隐性裂隙和局部脱空死角进行补强加固，达到进一步提高围岩承载、防渗和耐久性的目的，超细水泥灌浆孔深为4 m，灌浆压力2～3 MPa。

3 固结灌浆质量检查及合格标准

锦屏二级引水隧洞固结灌浆质量采用压水检查为主、声波检查为辅的双重控制标准。压水试验采用单点法，检查孔数量不少于灌浆孔总数的5%，声波检查孔数量不少于灌浆孔总数的2%。灌后检查合格标准，根据引水隧洞不同部位防渗要求及重要程度的不同而有所区别。

对于A、B 类灌浆段，当灌浆压力不大于3 MPa时，检查孔压水试验压力为1.0 MPa，85%以上试段的透水率不大于1.0 Lu，其余试段的透水率值不超过1.5 Lu，且分布不集中时为合格；当灌浆压力大于3 MPa 时，检查孔压水试验压力为2.0 MPa，85%以上试段的透水率不大于3.0 Lu，其余试段的透水率值不超过4.5 Lu，且分布不集中时为合格。

对于C、D 型固结灌浆，压水试验压力为均为1 MPa，85%以上试段的透水率不大于1.0 Lu，其余试段的透水率值不超过1.5 Lu，且分布不集中时为合格。

衬后固结灌浆灌后声波检查合格标准为85%的测试值不小于4500 m/s，小于4250 m/s 的测试值不超过3%，且分布不集中时为合格。

鉴于锦屏二级引水隧洞工程等级高、隧洞防渗要求严格，为确保灌浆质量满足设计要求，施工过程中除强化现场灌浆质量过程管理和在监理工程师监督下进行灌后质量检查外，建设方还引进了独立的第三方进行灌后质量检查。以先期投产的1号引水隧洞为例，1 号引水隧洞灌后第三方共抽检1515 段压水试验，其中一次合格1507 段，一次合格率达99.5%，岩体质量得到有效改善。

4 结语

锦屏二级水电站引水系统隧洞的整体设计思路是以围岩作为承载及防渗的主体，混凝土衬砌起到减糙、与围岩联合承载及保护表层围岩的作用，而灌浆圈是加固围岩、提高围岩承载能力的重要结构。从灌浆效果来看，锦屏二级水电站围岩岩性为大理岩，有良好的可灌性，通过灌浆可有效地减小围岩透水率、提高围岩弹性抗力系数及波速。设计根据不同围岩条件下的地质缺陷问题，提出了不同类型的固结灌浆方式，有针对性的通过固结灌浆完成了各种围岩条件下的缺陷处理，达到了较好的预期效果。以先期投产的1号引水隧洞为例，2012年10 月，1 号引水隧洞一次充水成功，16.7 km 的引水隧洞实测渗漏量仅18.58 L/s，小于设计允许渗漏量；同年底1 号引水隧洞正式投产运行，至今已安全运行近8个年头。锦屏二级水电站引水隧洞围岩固结灌浆的成功设计经验可供类似工程参考。