局部钢衬在高水头不良地质洞段处理中的应用

张建辉，宋守平，范永，刘文斌

1 工程概况

蒲石河抽水蓄能电站，位于辽宁省宽甸满族自治县境内，该电站是我国东北地区在建的第一座大型纯抽水蓄能电站，总装机容量1200MW，单机容量300MW，共4台机组。机组单机额定流量111m³/s（抽水流量为97m³/s），最大静水头394m，系统最大压力5MPa。水电站于2006年8月开工，于2011年底首台机组投产发电，2012年9月4台机组全部投产发电。

枢纽建筑物主要由下水库泄洪排沙闸坝，上水库钢筋混凝土面板堆石坝、输水系统、地下厂房系统及地面开关站等建筑物组成。

蒲石河抽水蓄能电站输水系统是由引水系统及尾水系统组成。发电引水系统是由上水库进/出水口、引水上平段、引水斜洞段、引水下平段、引水高压岔管和压力钢管组成。引水发电系统布置为二洞四机，两条引水隧洞下平段两洞中心线间距为60m，洞径8.1m，全部采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚60cm。

2 引水下平段地质条件

引水洞下平段围岩为混合花岗岩，岩石较坚硬。节理较发育，见有F₃、fy₆₀、fy₁₂₀、fy₁₂₁等30余条断层破碎带通过，大部分洞段为Ⅱ～Ⅲ类围岩。局部范围为Ⅲ～Ⅳ类围岩，主要分布在以下位置：

（1）引Ⅰ0+467.46～引Ⅰ0+525。发育F₃、fy₁₂₀、fy₁₃₄、fy₁₃₅、fy₆₀、fy₁₆₁、fy₁₆₂等7条断层。其中，F₃断层及上、下盘影响带宽约22m，沿断层渗水严重，性状差；fy₆₀宽0.3～1m；其他断层宽度多小于10cm。开挖时局部有掉块，多处有渗水现象。围岩局部稳定性差，属Ⅲ～Ⅳ类围岩。

（2）引Ⅱ0+465.52～引Ⅱ0+525。发育F₃、fy₆₀、fy₁₁₂～fy₁₃₀、fy₁₃₂等20条断层。其中，F₃断层及上、下盘影响带宽约25.5m，沿断层渗水严重，性状差；其他断层宽度多小于30cm。岩体中节理较发育，岩体较破碎。开挖时多处有渗水现象。围岩局部稳定性差，属Ⅲ～Ⅳ类围岩。

3 下平段断层处理必要性分析

3.1 高水头钢筋混凝土衬砌压力管道的岩体临界水力梯度

北京院前总工邱彬如总结了国内广蓄、天荒坪、惠州、宝泉等抽水蓄能电站以及国外的几个抽水蓄能电站的经验，提出对于采用钢筋混凝土衬砌的高水头压力管道，其岩体临界水力梯度的建议值如下：

完整岩石：水力梯度不大于15～20。

节理裂隙闭合的岩体：水力梯度不大于8～10。

张性节理裂隙密集带和断层破碎带：水力梯度不大于3～5甚至更小。

3.2 下平段断层危害性分析

由于断层破碎带比较软弱，若处理不当，其中夹泥和碎屑部分受到水的作用会溶蚀或软化，进而降低围岩强度，导致结构破坏，影响工程的使用及安全。

（1）对距离最近的压力钢管上部排水廊道及厂房边墙等建筑物的影响。运行工况下，受断层影响洞段若发生内水外渗，压力钢管上部排水廊道及厂房边墙有可能发生大量渗水，危害建筑物安全。厂房及排水廊道均位于F₃断层下盘新鲜完整的岩体内，岩体属于微～极微透水岩石。根据高压岔管区域的原位试验成果，高压压水试验压力低于5MPa时，裂隙或节理不会被劈开而大量渗水，隧洞运行时最大内水压力为4.8MPa，未超过围岩的劈裂压力。受断层影响洞段与压力钢管上部排水廊道及厂房间的最近距离为110m左右，水力梯度最大约为5，小于完整岩石的临界水力梯度。因此，对压力钢管上部排水廊道及厂房基本无影响。

（2）下平段断层若在山体表面有出露点或与山体表面断层衔接连通，运行时内水将沿山体产生渗漏，进而引起山体失稳的可能性。该工程隧洞围岩最小覆盖厚度达280m，其水力梯度仅为1.8，小于断层部位的临界水力梯度。因此，运行工况下，假设引水隧洞的围岩中断层的固结灌浆圈失去防渗能力，也不会造成大量渗漏，引起渗透失稳。

（3）F₃断层在2号、4号支洞出露部位产生内水外渗的可能性。F₃断层在2号、4号施工支洞出露部位与2号引水隧洞间的最近距离约为160m，水力梯度最大约为3，满足张性节理裂隙密集带和断层破碎带临界水力梯度3～5的要求，安全裕度稍小。

（4）当一洞运行一洞检修时，由于检修洞段内为临空面，而两洞间水力梯度为9.5，水力梯度较大，致检修隧洞侧可能会出现大量渗水，进而导致两洞间不良地质段的岩体失稳。

3.3 下平段断层处理的必要性

结合蒲石河抽水蓄能电站的布置及下平段的地质情况，有多条断层贯穿两引水隧洞，两洞间岩体厚度为50.7m，最大静水头为394m，最大静水头下的水力梯度约为8，大于3～5，因此，两洞间岩体存在渗透稳定的风险。

根据以上下平段断层危害性的分析，对于本工程受断层影响洞段，若处理不当最有可能产生的危害是：①运行时，隧洞内水外渗，有可能于F₃断层在2号、4号支洞出露部位产生渗漏，进而影响结构安全；②一洞运行一洞检修时，由于断层影响，被检修的洞内大量渗水，围岩稳定受到威胁。同时，失去二洞四机运行的灵活性。

因此，为确保工程质量，需要对引水隧洞下平段进行处理，并确定合理处理方案。

4 下平段断层处理方案研究

对于受断层影响的引水隧洞下平段，设计最初处理的原则为：对于F₃断层，由于断层较宽且性状较差，采用混凝土塞作为刚性楔体，藉以将压力传递于破碎带两侧的岩石上。同时，结合水泥固结灌浆，提高围岩的变形模量，降低通过混凝土塞及围岩固结圈的渗透水压力值，进而减少对固结圈外断层的侵害，以保证运行安全。对于其他小规模的断层，采用水泥固结灌浆的方式进行处理。鉴于当时该洞段衬砌及回填灌浆的已完成的实际情况，因此，在最初方案的基础上拟定以下3个方案进行比较。

（1）水泥固结灌浆。对断层及其影响范围内的洞段进行水泥固结灌浆，孔深入岩10m，先用普通水泥灌浆，然后采用磨细水泥灌浆，灌浆压力为5MPa。

（2）环氧材料—水泥复合固结灌浆。入岩10m范围内先进行水泥固结灌浆，再进行补充环氧固结灌浆，灌浆压力为5MPa。

（3）局部钢衬方案。对受断层影响洞段采用局部钢衬，内径6.9m，采用600MPa级钢板，壁厚46mm，加劲环及加劲环间的钢管的抗外压能力按最大外水头考虑。

3个方案相比较如下。

（1）复合灌浆方案中环氧材料灌浆施工工艺较为复杂，需要有专门从事环氧材料化灌的专业队伍进行施工；环氧材料高压固结灌浆的过程及质量难以控制。

（2）高压水工隧洞采用环氧材料—水泥复合灌浆在国内应用较少，灌后效果也难以确定。

（3）环氧固结灌浆的吸浆量和可灌性只有通过现场灌浆实验才能确定；复合灌浆方案的投资只能根据概算定额来估算，与实际的环氧材料固结灌浆有很大的差别，投资控制具有不确定性。

（4）在高压水长期作用下，无论是水泥固结还是复合固结灌浆都可能会失效，即灌浆的耐久性问题。若失效，则需要停机、放空、补灌。补灌需要将球阀拆除，施工人员及设备才能从压力钢管段进入到引水隧洞下平段，施工难度较大，停机时间较长。

（5）对于高水头压力隧洞，遇到不良地质洞段且对防渗要求较高的隧洞，宜选抗裂设计衬砌方案，即钢衬方案。与复合固结灌浆方案相比，钢衬方案有以下特点。

1）钢衬方案可有效地解决内水外渗的问题。

2）钢管施工工艺成熟，施工单位的施工经验较多，不存在不确定因素。施工难度主要是现有施工空间限制，现场管节瓦片组圆对接较为困难。尽管钢衬方案施工难度较大，但是施工工艺容易控制，对于压力钢管的检测明确，能较好地保证钢衬的施工质量。

3）钢衬方案缺点是投资相对较大。

综上比较，钢衬方案是防止内水外渗和外水内渗的最可靠、最有效的方法，施工质量容易保证；固结灌浆方案施工质量不容易控制，灌浆效果难以确定。另外，固结灌浆方案还有耐久性的问题，若失效，则需要停机、放空、补灌，这样造成的损失会更大。经综合比较，最终确定采用局部钢衬方案。

5 结语

自2011年6月末开始，蒲石河抽水蓄能电站相继进行了输水系统充排水试验、机组有水调试及上水库蓄水等工作，于2011年底首台机组发电，2012年9月4台机组全部投入运行。历经近2年多的运行考验，通过一系列的相关试验和机组正常运行期间对断层处理部位的检查和监测，充分证明了下平段断层处理采用局部钢衬方案的合理性，有效地解决了下平段断层部位的内水外渗的问题，使得一洞运行一洞检修的工况得以实现，进而保证了引水系统二洞四机运行的灵活性，为工程安全、稳定、合理地运行奠定了基础。

对于采用混凝土衬砌或钢筋混凝土衬砌的高水头隧洞，围岩中有断层等软弱结构时，宜选择局部钢衬方案。尽管一次性投资较其他方案略大，但它是解决内水外渗最有效的办法，能够保证运行后无后顾之忧。局部钢衬设计时外排水系统布置起来较为困难，因此外水压力可按可能最大外水考虑，采用加密加劲环、增加加劲环的高度和厚度等方式，提高其抗外水压力能力。