供水压力隧洞突发强渗漏水的成因分析和紧急抢修处理

2011 年 9 月 21 日下午 5 时 20 分，福建泉州湄洲湾 南岸供水工程桩号 G1 2 + 837 处的见口供水压力隧洞附近 突然发生大面积的强渗漏水 、 漏水的险情： 地面突然暴 发多处冒水泉眼； 附近村庄井内 水 位 出 现 不 同 程 度 上 升； 洞周地面低洼地带均出现积水现象； 洞轴线周边地 面民房发现细裂缝等。 突发的强渗漏水事件给当地村民 造成了极大恐慌。为避免渗漏水事件的进一步恶化，在 政府主管部门的直接督办下，湄南供水工程立即启动应 急供水预案，立即关闭泵站抽水机组，从湄南供水线路 下半段的陈田、菱溪水库进行应急替代供水 。 次日，即 组织有关人员进入洞内，实地检查和制定紧急堵漏和防 渗抢修方案。
22. 1Fra bibliotek见口隧洞工程概况和围岩衬砌混 凝土施工质量
见口隧洞工程概况和水文工程地质条件概述
2. 3
隧洞施工方法及遗留工程质量问题
由于见口隧洞工程地质情况差，岩体风化强烈，围
见口隧洞 为 压 力 隧 洞，压 力 水 头 50 m 以 上，全 长 230 m， 城门型断面 （ 宽1. 9 m， 高2. 25 m） ， 洞进出口两端 与内径为 DN2300 的现浇混凝土管道相连接，全洞段均 采用35 cm厚的双筋混凝土衬砌。洞身围岩为燕山早期二 长花岗岩。区域内地质构造复杂，岩体风化强烈。 压力 隧洞经过的地段地形平缓，为低缓的台地地貌类型 。 隧 洞压力线均高于洞线的地面高程 。 隧洞底高程6. 1 m， 洞 轴线最高地面高程21 m， 进出口地面高程分别为 11. 4 和 10 m， 隧洞沿线地表为坡残积覆盖，厚度 5 ～ 10 m。 由于 本段洞顶上覆岩体较薄，洞身围岩一般呈全 － 强风化， 按土颗粒组成命名，进出口基本为残积或全风化土的少 黏粉土或粉土。地下水埋深为 0. 5 ～ 3. 0 m， 地下水受大 ［ 收稿日期］ ［ 作者简介］
的运行观测，在泵站提水压力接近50 m 时，便可滿足设
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第 18 卷第 7 期 2012 年 7 月
水利科技与经济
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Vol. 18 No. 7 Jul. ，2012
计流量要求，也就是说设计扬程尚有一定的安全调整空 间。由表 1 计算成果可知，钢衬后的水头损失仅比钢衬 前增加0. 18 m， 远小于系统的安全调整空间，方案设计的 1. 8 m管径能滿足过水流量要求 。
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抢修方案比较
方案一： 沿着以上 167 m 混凝土衬砌质量较差洞段 表 1 隧洞钢衬前后水头损失计算结果
水头损失 钢衬前 钢衬后 沿程水头损失 / m 0. 18 0. 32 局部水头损失 / m 0 0. 04 总水头损失 / m 0. 18 0. 36
湄南供水工程泵站的设计提水扬程为 60 m， 经多年
2. 4
隧洞竣工通水时的补强处理
根据当时的监理工作报告，1998 年隧洞全线试通水
时，发现见口隧洞进出口顶部伸缩节严重漏水，洞进口 15 m处的地面冒水，30 m 处地面出现塌陷，周边水井水 停水后，进洞检查发现，在 2 + 824. 7 － 2 + 位上升3 m。 833. 7 处，出现裂缝 10 条，最短200 cm， 最短18 cm， 宽度 小于0. 5 mm有 5 条，0. 5 ～ 1 mm 有 1 条，1 ～ 2 mm 有 1 条，混凝土不密实处有 3 条。 随后，根据裂缝分布情况 决定以下处理方案： 对全洞段布设 130 个灌浆孔进行补 强灌浆，同时在 2 + 790. 7 － 2 + 836. 7 处采用钢板衬处 理。但恢复通水后，隧洞进出口段仍然存在渗漏水情况， 日漏水量约500 m 左右，由于当时没有停水检修的条件， 只好采取明沟引流等消极临时处理办法，让渗透水流继 续长期冲蚀围岩中的二长花岗岩的风化土 （ 粉土、 少黏 粉土） ，使渗透冲刷变形、 扩大、 贯通，致使内水外渗 范围不断扩大。
［ 摘 要］ ［ 中图分类号］ TV52 ［ 文献标识码］ B ［ 文章编号］ 1006 － 7175 （ 2012 ） 07 － 0086 － 03
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隧洞突发强渗漏水情况简介
气降水补给，雨季时地下水位高，储水量丰富。 全风化 土松散，遇水易软化、 崩解。 隧洞围岩多属不稳定 Ⅳ 类 和极不稳定Ⅴ类，工程地质条件很差。
5. 2
管壁厚度计算
钢衬段由于隧洞覆盖层薄，外水压力小，管壁厚度
主要从内水压力方面考虑确定，按照 《水电站压力钢管 ） 、《村镇供水工程技术规范 》 设计规范》 （ LS 281 － 2003 （ LS 310 － 2004 ） 及 《钢 板 的 厚 度 允 许 偏 差 标 准 》 （ GB 709 － 2006 ） 等，按以下公式计算： PD 2 σ 式中： p 为 钢 管 的 设 计 内 压，0. 5 MPa； D 为 钢 管 直 径， 1 800 mm； 为焊缝系数，取 0. 9 ； σ' 为估算管壁厚度用 δ= 的钢材允许应力，由于估算中仅考虑内水压力，故比正 常的允许应力低 20 % ～ 30 % 。 根据计算得出管壁厚度为10 mm， 按规范要求，管壁 应比计算值增加2 mm， 考虑湄南供水工程水质的氯离子 含量相对较高，管壁厚度给予增加2 mm 腐蚀增量，总设 计厚度定为14 mm。
2012 － 04 － 10 许志伟 （ 1958 － ） ，男，福建惠安人，工程师，从事水利水电工程管理工作 .
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许志伟： 供水压力隧洞突发强渗漏水的成因分析和紧急抢修处理
根据设计资料，本段隧洞上覆岩体较薄，洞身围岩 呈全 － 强风化，岩体风化强烈，但设计图仅对 2 + 895. 27 － 2 + 933. 77 的38. 5 m洞段实施补强固结灌浆，其长度仅 占全洞段长度230 m的 17% ，加固长度明显不足。
在对供水压力隧洞突发强渗漏水原因分析的基础上 ， 通过方案比选后， 实施了钢 衬应急处理措施，成功解决了洞周突发环境水文地质问题。 观测情况表明， 处理效果良好。 同时从勘察、设计、施工、质监等方面总结洞周突发强渗漏水的教训 ，对相似有压隧洞工程 有启示意义。 ［ 关键词］ 供水压力隧洞； 内水外渗； 粉土； 少黏粉土； 钢衬方案
2 L ν2 ν 和 H 局部 = ξ 2g d 2g
式中： H 局 为局部水头损失， m； h 沿程 为沿程水头损失， m； ξ 为 局 部 水 头 损 失 系 数 0. 164 ； g 为 重 力 加 速 度， 9. 81 m / s2 ； ν 为管中水流速， m / s； L 为管道总长， m； d 为钢管直径，1. 8 m； λ 为沿程水头损失系数，查穆迪图 得： 钢衬前 0. 011 ，钢衬后 0. 012 。
3
3
隧洞突发强渗漏水的原因分析
综上所述，因渗漏水隧洞上覆岩体薄，洞身围岩呈
全 － 强风化，属Ⅳ － Ⅴ 类围岩，设计方案不合理，质检 监理不力。虽然施工及整改阶段曾进行过二次低压渗入 式灌浆，但由于对全、 强风化的二长花岗岩的可灌性认 识不足。实际上，常规低压渗入式灌浆，水泥浆液难以 全部渗入土体孔隙中，起到固结防渗的作用，灌浆效果 欠佳。再加上混凝土衬砌工程施工质量差，防渗能力低， 为内水外渗通道提供条件 。 在地下水和水压力长期冲蚀和接触冲刷作用之下， 二长花岗岩的全风 化 土 （ 粉 土、 少 黏 粉 土） 因 黏 结 力 差，遇水易于软化或崩解特性，使部分颗粒或整体发生 移动，成为洞周围岩中的漏水或渗流通道，并不断扩大， 形成了大范围的内水外渗，发生大面积隧洞周边的环境 水文地质问题。 第二次补强灌浆方案处理后，对隧洞进出口仍然存 在的大渗漏水情况，没有在思想上引起足够重视，没有提 交设计单位作深入的分析论证，提出补救方案。只是采取 消极引导处理，使洞内外渗压力水流能够继续长期冲刷围 岩中土体； 透水范围逐渐扩大，导致大范围的有压隧洞内 水外渗，使洞周边的环境水文地质条件大为恶化。
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供水压力隧洞突发强渗漏水的成因分析和 紧急抢修处理
许志伟
（ 泉州湄洲湾南岸供水有限公司，福建 泉州 362000 ）
5
5. 1
钢衬方案的压力水头和过水能力 的复核
钢管直径
3 湄南供水工程的隧洞设计流量为6 m / s， 在隧洞断面
的有限空间内如何最大可能地提高钢管直径，满足设计 流量要求，是钢管直径设计的基本原则 。 根据隧洞断面 按公式计算隧洞 宽度，钢衬方案的最大管径定为1. 8 m， 钢衬前和钢衬后的水头损失按以下公式计算，计算成果 见表 1 。 h 沿程 = λ
2. 2
围岩衬砌混凝土质量实地检查情况
停水后，进洞内检 查 发 现： 位 于 桩 号 G1 2 + 816 －
G1 2 + 983 之间长167 m 的原混凝土衬砌段，共存在 8 条 裂缝和 13 个孔洞，其中裂缝最长420 cm， 最短23 cm， 宽 度小于2 mm有 6 条，2 ～ 5 mm 有 2 条。 围岩衬砌混凝土 最小1 cm。 最长的裂缝位于洞 中，孔洞口径最大3. 5 cm， 壁侧面腰线以下30 cm， 检查时尚在往洞内渗水，射出的 出水量约为180 L / min， 其余裂缝和孔洞 水流长度约3 cm， 也存在着不同程度的滴水和周 边 湿 润 等 现 象 。 所 有 裂 缝、孔洞处的周边混凝土强度均较低，手指用力挤压有 轻微下陷现象发生。
第7 期
先采用超细水泥进行高压灌浆，辅以衬砌混凝土表面的 堵漏和全面环氧砂浆防渗喷浆，以提高原衬砌混凝土和 洞周围岩的抗渗能力，本方案初步估算投资为 30 万元， 工期15 d。 方案优点是： 投资低于方案二； 缺点是： 隧洞 覆盖层薄，原有的隧洞地面又全部被抢建为民房，且基 本为土石结构，基础浅，质量差。 灌浆压力难以控制， 因高压灌浆必须加大灌浆压力，势 必 造 成 地 面 大 量 冒 浆，浆体外溢，并极有可能造成地面房屋破坏和污染村 民自建水井的生活饮用水源 。 若灌浆压力过小，则无法 达到灌浆加固土体的效果 。 对质量差、 具有孔洞和裂缝 的衬砌混凝土，采用灌浆方法处理，其处理效果主要取 决于布置孔位与孔洞间的连通性，难以保证。 方案二： 采用钢衬办法进行全洞段封闭防渗，即对 以上167 m混凝土衬砌质量较差的洞段实施最大直径的 钢管衬砌，以此达到全洞段的防渗作用，本方案估算投 资为 120 万元，计划工期20 d。 方案的优点是： 抗渗漏效 果好，可一次性解决见口隧洞渗漏冒水问题，抢险加固 队伍有较丰富施工经验，时间上、 质量上较有保证。 缺 点是投资大于方案一。 通过方案比较认为，方案一虽然投资少于方案二 90 万元，但抢修的安全风险大，处理不好，对村民的赔偿 代价将远大于工程投资 。 另外，灌浆处理虽然可以达到 一定防渗效果，但其彻底性肯定次于钢衬效果 。 由于提 供停水抢修的替代水源只有 20 d， 如不能一次性处理成 功，就可能造成中断供水的严重后果 。 经利弊分析，决 定采用方案二进行抢修 。