沙湾水电站引水隧洞地质问题及工程处理措施

谢幼龙，苏建德

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

沙湾水电站引水隧洞地质问题及工程处理措施

谢幼龙，苏建德

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

该水电站引水隧洞为少有的有压、长引水隧洞，末端最大内水压力达1.4MPa，在开挖施工过程中出现的工程地质问题具有普遍性和特殊性，本文阐述了该工程已出现的6大工程地质问题和对应的处理措施，重点论述了地下水、有害气体及围岩失稳的原因和处理方式，可为后续地下工程设计、施工处理相关工程地质问题参考、借鉴、评价。

围岩类别；活动断层；外水压力；有害气体

1 工程概况

水电站位于木里河干流水电规划一库六级方案中的第三级梯级电站，为引水式开发，装机4台，总容量240 MW，右岸引水隧洞长18 775.723 m，开挖直径7.8～8.2 m，衬后直径7.2 m，引用流量124.08 m3／s，从上至下共设0～7号8个施工支洞。引水隧洞工程于2004年10月1日开工，2012年8月20日完成充水试运行，2012年10月4台机组相继投产发电，现已实现安全运行发电近三年。

2 引水隧洞区基本地质条件

隧洞沿线山体雄厚，河谷深切，呈“V”型谷，谷坡陡峻，植被发育。沿线支沟较为发育，从上至下右岸主要有日阿冬沟、阳山沟、茶布朗沟，均为常年性流水沟谷。

引水隧洞沿线出露岩性主要为奥陶系下统瓦厂组（O1W）板岩夹中厚层状层纹理发育变质石英砂岩、千枚岩，人工组（O1r）的中～厚层状层纹理发育的变质石英砂岩夹板岩、千枚岩，少量志留系（S1）的板岩夹千枚岩、硅质岩和印支期辉绿岩，三叠系下统领麦沟组（T1l）的板岩夹千枚岩、硅质板岩。岩层总体产状：N30°～40°W／SW∠15°～50°。围岩类别为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三类，开挖后复核确定Ⅲ类占31.02%，Ⅳ类围岩比例占59.20%，Ⅴ类围岩占9.79%，以Ⅳ、Ⅴ围岩为主。

隧洞区地质构造较为复杂，位于唐央复背斜的南西翼，发育4条区域性断层——圆宝山、尼都、机落、茶布朗断层，破碎带一般宽约20～40 m，机落断层宽达249 m，由碎裂岩、糜棱岩、角砾岩、少量断层泥、裂隙密集带组成，揉皱较发育及层间错动带，带宽0.3～0.5 m，随机发育小断层，宽度0.5～3 m，由碎裂岩、糜棱岩组成。

隧洞区物理地质作用较显著，主要表现为卸荷与崩塌，沿线崩、坡堆积的块碎石分布较广泛，支沟泥石流不甚发育，岩体风化主要受岩性、构造控制，部分地段风化较强。

隧洞区地下水主要为第四系松散堆积物孔隙水和基岩裂隙水两种类型。第四系松散堆积物孔隙水受大气降水控制；基岩裂隙水，其赋存与运移主要受岩性和构造所控制，主要富积于断层及裂隙密集带附近，埋藏较深，向河谷及下游排泄。

3 工程地质问题及处理

3.1 地下水问题

引水隧洞开挖编录统计渗水点共91处，衬后缺陷排查统计股状渗水点25处，线状渗水点217处，面状滴水点30处，地下水在隧洞中的出露位置有靠近地表沟谷和构造破碎带附近，部分渗水点有随开挖时间加长渗水量逐渐减小和雨季渗量增大的特点，根据初设阶段对河水、沟水、泉水进行了取样试验，简分析成果表明，河水水质类型为HCO-3-Ca＋＋型，PH＝8.0～8.1，沟水水质类型为HCO-3-Ca＋＋型或者HCO-3-Na＋型，PH＝7.5～8.1，泉水水质类型为HCO-3-Na＋型，PH＝9.5，据环境水腐蚀性判定标准，初步判断工程区河水、沟水、泉水对混凝土无腐蚀性。施工期揭示引水隧洞地下水丰富，多数洞段地下水具有铁锈色泡沫状析出物，为进一步查明地下水对混凝土的腐蚀性，施工期对引水隧洞重新取样作了水质分析，据环境水腐蚀判定标准，隧洞区环境水对混凝土也无腐蚀性。

外水压力受很多条件影响，通常外水压力的确定需查明地下结构地区的地下水位，按水柱高度的静水压力值计算，有条件的情况下，利用长期观测网直接观测运行期的各段地下水位，或利用埋设在隧洞内的渗压计，可以确定可靠的外水压力。引水隧洞受条件限制，将已开挖隧洞地下水发育段，可能受外水压力影响段，根据该段隧洞埋深和地下水对围岩稳定的影响按GB50287-2006《水力发电工程地质勘察规范》中附录Q外水压力折减系数确定各段外水压力值，引水隧洞埋深在180～534 m，各地下水发育段外水压力值在0.38～1.3 MPa之间，由于隧洞内水压力大，仍以内水压力控制衬砌设计，经衬砌结构计算均能承受外水压力要求，从运行期各监测断面渗压计观测值对应反映各段外水压力值均小于所提供的外水压力值。

由于引水隧洞开挖后地下水较丰富，给施工增加了难度，泥质炭质板岩、千枚岩等软弱岩石遇水后易软化，开挖时间较长后不及时支护易产生塌方和变形，底板部位易产生超挖，整条隧洞在施工过程中没有采用埋管引出地下水至下游施工支洞的措施，仅衬砌时局部埋管将地下水引到隧洞内，后对其进行水泥和化学灌浆堵水处理。

3.2 围岩稳定问题

开挖过程中发生了27处大塌方，塌方量大于100 m3，分析塌方发生的地质原因大致有4种，一是因存在高压有害气体，在开挖放炮过程中产生二次爆炸塌方，如其代表性的2号塌方段；二是受软弱岩性和地下水控制产生的塌方如其代表性的25号塌方段；三是受岩层结构面不利组合和地下水控制产生的塌方，如17号塌方段；四是构造断层破碎带和地下水原因产生大塌方，如其代表性的18号段大塌方，大塌方段位置及处理简述见表1。

表1 引水隧洞大塌方段位置及处理简述

3.3 引水隧洞穿越活动断层（基落断层）和过沟浅埋问题

基落断层为区域活动断层，具有明显的全新世活动性，表现为左旋走滑兼逆冲运动特征。其滑动速率估计为2.1±0.3 mm／a，未来百年内可能发生的最大突发位错（地震位错）量为1.44±0.33 m，估计基落断裂的发震能力为6.8～7.0级。

引水隧洞在桩号8＋078～8＋327 m穿越该断层，该段围岩类别为Ⅴ类，开挖时一期支护采用系统锚杆＋挂网＋型钢＋喷混凝土，二期支护采用增加衬厚和配筋，由一般Ⅴ类围岩的C20混凝土50 cm衬厚增加为80 cm衬厚，内层配置2层Φ32＠12.5、外层配置1层Φ32＠12.5，为加强型钢筋混凝土；为尽量提高衬砌适应变形能力，该段衬砌每个混凝土浇筑段之间均设伸缩缝，缝宽2 cm，缝内设橡胶止水和铜片止水各一道。在桩号8＋293 m布设了安全监测断面2—2，对该活动断裂及衬砌进行监控。

隧洞过沟浅埋段最小岩石埋深约为25 m，隧洞采用钢板衬护，洞径缩小为6 m。钢板采用16MnR，壁厚采用22 mm；管外设置加劲环以保证抗外压稳定。

3.4 有害气体问题

隧洞有害气体的出现是有先兆的，从桩号2＋180（2007年11月16日）开始至2＋485 m段异味气体增浓，并有发出哧哧声的气体出露，越接近富集气体带，异味感（臭鸡蛋味）越强，在2008年3月27日凌晨2点左右1号支洞下游2＋495 m开挖发生施工人员中毒事故。整个引水系统洞室开挖以2＋180～2＋642 m段有害气体最为严重，其它部位也多处有气体溢出，但浓度小危害相对较轻。

针对洞内出现的气体，进行了现场气体检测，使用简易便携式仪器：北京FD216环境氡测量仪、德国德格尔Miniwarn三合一检测仪、德国德格尔X-am300四合一检测仪；并对洞内水、气取样，送实验室分析，取样时是在通风状态下进行，检测结果局部洞段CO2、CO和O2含量超安全标准。

2008年4月26日咨询项目组在现场检测时，隧洞内气体组份中还有二氧化碳CO21.7%～2.9%，二氧化硫SO20.000 1%～0.000 76%，甲烷0.0%～0.3%。

2008年6月23日进入引水隧道1号支洞，抽取两袋气样，于24日送攀钢集团环境监测站对气体进行检测，其结果见表2：

表2 气体检测结果

现场检测CO2远比其它气体浓度高，放炮诱发岩石与CO2突出，CO2窒息加SO2、H2S中毒能引发安全生产事故。

针对开挖作面有害气体爆炸的应对措施是采取各工序的预防和防范措施，在钻孔和装药过程中，施工人员必须佩戴长管呼吸器作业，并随身佩带化学氧气自救器。长管呼吸器保证每位作业人员呼吸到洞外新鲜空气，隔绝洞内可能产生的有害气体。发生紧急情况（如检测到大量有害气体涌出）时，先打开化学氧自救器，进行一次深呼吸后屏住呼吸，取下长管呼吸器，迅速戴上化学自救器进行呼吸，30 min内撤离洞外。整个过程中保证人员不会呼吸到洞内气体。

每一次开挖循环，采用掌子钻孔6 m先导孔，爆破1.5～2 m的方法。钻孔6 m为超前钻探，对岩体内可能存在的气囊进行提前释放卸压。爆破1.5～2 m，留4～4.5 m岩壁，具有足够的抵抗力，防止高压气囊冲破薄层岩壁，以免造成气体和岩石突出。

钻进作业期间，随时有一名专职检测人员进行旁站气体检测，发现异常，立即通知所有作业人员撤离洞外。作业期间，洞外空气压缩机不得关停，发生停电等情况时，迅速组织人员撤离。

执行洞外放炮、加强通风，直至洞内空气质量达到安全标准为止。

3.5 地热问题

主要发生在5号支洞下游和6号支洞上游，洞内温度高达35～40℃，隧洞垂直埋深在400～500 m，其地热与埋深和洞内通风密切相关，地热较高地段一般地下水不发育，处理方法是加强通风，增加施工人员饮水和缩短洞内工作时间。

3.6 岩爆问题

主要发生在深埋的硬质岩中，开挖过程中，仅在SW／CI-1标段奥陶系下统（O1r）地层中的砂岩里发生过一次轻微岩爆，岩块弹出距离很短，产生岩爆位置埋深约420 m，此外没有发现有岩爆发生，基本不存在岩爆问题。

4 结 语

该水电站自2012年10月全部机组投运以来，经历了2013、2014两年完整的水文年运行检验，累计发电量14.66亿kW·h，单机运行时间2 000 h以上，根据引水隧洞安全监测成果资料分析表明，引水隧洞围岩变形已基本趋于稳定，混凝土结构应力和变形较小，基岩面与衬砌面结合度较好，目前引水系统处于安全稳定运行状态。

简讯

桐子林水电站工程首批机组通过启动验收

10月13日，国网四川省电力公司在蓉组织召开桐子林水电站工程首批（1号、2号机组）启动验收会议。国网四川省电力公司、四川省各级政府部门、水电水利规划设计总院、国投、川投、水电工程质量监督总站、雅砻江水电开发有限公司、中国电建水电七局、华咨监理公司等单位领导及代表、我院机电处相关负责人及桐子林项目部参会。

会议通过认真讨论，桐子林水电站工程首批机组顺利通过启动验收。

（本刊编辑部）

TV554

B

1003-9805（2015）04-0077-03

2015-06-29

谢幼龙（1957-），男，四川成都人，高级工程师，从事水利水电工程地质勘察工作。