隧洞大流量地下水排水技术

Posted 2023-01-13 泵站

篇首语：历史是知识分子文化活动的结果。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了隧洞大流量地下水排水技术相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

在地质复杂的长隧洞中，往往有较多的裂隙水存在。当隧洞为长距离反坡时，地下突涌水无法顺坡自然排到洞外，所有地下水将汇集到掌子面区域，如不采取措施及时抽排，掌子面积水将越积越深，造成隧洞无法掘进施工，甚至水淹整个洞段。合理的排水系统、理想的排水效果是实现隧洞快速施工及施工安全的重要保证。设计科学、先进、合理的排水系统，配置高效的排水设施是解决排水难题的根本。

1 工程概况

上昆嵩水电站位于越南昆嵩省公伯陇县，电站装2台容量110 MW的冲击式机组。电站主要由挡水建筑物、泄洪建筑物、引水发电建筑物等组成，输水线路总长约20 km。其中引水隧洞长约17 km，规划前5 km洞段采用钻爆法开挖，后12 km采用隧洞掘进机开挖。

前5 km钻爆法开挖洞段为反坡隧洞，平均纵坡-7.165%。每隔200 m陡坡段设置一段30 m的缓坡段，陡坡段坡度为-8.09%，缓坡段坡度为-1%。隧洞开挖典型断面为6 m×5 m（高×宽），根据开挖情况，每隔200～400 m设置一个错车道。

2 涌水情况及水量预测

2.1 已开挖洞段的涌水情况

引水隧洞前1.9 km揭露洞段岩性为黑云母花岗岩，局部洞段沿构造面夹绿片岩，总体呈中厚到厚层状，块状构造，岩石致密坚硬，一般埋深90～270 m，最大埋深312 m。隧洞穿越岩性为相对隔水的非可溶岩，岩体本身不含水，通过对隧洞前1.9 km已揭露洞段的统计，洞内涌水以裂隙水为主，表现形式主要为渗滴水，局部揭露线状淋水与流（涌）水。

从（1+600）～（1+900）m段地下水发育情况可知，揭露1+870 m大水点之前，在前面洞段未出现相对集中的出水现象，单点流量在3～4 L/s范围不等。总体看，地下水沿结构面具有一定连通性，开挖时地下水多沿结构面持续向掌子面延伸，地下水的发育受构造控制明显。通过对已揭露洞段的调查分析，开挖时揭露的出水点大多已经衰竭或减小，大多无明显稳定补给，衰减较快，隧洞埋深加深后，地下水在衰减一段时间后呈稳定出水态势，隧洞前1.9 km总稳定涌水量达20～35 L/s。

引水隧洞前1.9 km洞段初始大于0.5 L/s的出水点见表1。

2.2 未开挖洞段的出水量预测

引水隧洞1.9～5.0 km洞段地层岩性仍为黑云母花岗岩，随隧洞埋深增加，岩石以厚层块状新鲜岩石为主，裂隙随埋深的增加发育程度相对减弱，结构面的发育程度以中等发育到较发育为主。根据目前隧洞揭露出水点可知，稳定涌水点一般沿较大规模的地质构造发育，其补给、径流条件相对较好，三次大涌水从地形图上看均与地表冲沟有一定的联系，受隧洞走向地质构造控制的长大裂隙将是隧洞涌水的关键因素。以区域水文地质为基础，结合钻爆法前1.9 km已揭露的水文地质信息，对引水隧洞1.9～5.0 km段的稳定涌水量和瞬时最大涌水量进行了预测。

2.2.1稳定涌水量预测

采用大气降雨入渗法、水文地质比拟法、柯斯嘉科夫法以及经验法对稳定涌水量进行分析预测。

（1）大气降雨入渗法：以地表补给面积以及大气降水量为依据，考虑一定的折减系数，预测未开挖洞段稳定涌水量约55～65 L/s。

（2）水文地质比拟法：根据预测洞段的表面积及已揭露隧洞单位面积涌水量，利用地质条件相似的已揭露隧洞的实际涌水量进行比拟推算，预测未开挖洞段稳定涌水量约20～35 L/s。

（3）柯斯嘉科夫法：根据隧洞单位长度涌水量和隧洞底板以上含水岩土层厚度，考虑一定的渗透系数，结合各段剖面对各洞段稳定涌水量进行计算，预测未开挖洞段的稳定涌水量约27～42 L/s。

（4）经验法：经验法的计算原理与柯斯嘉科夫法类似，对渗透系数的取值差别较大，通过经验法对洞内的水量预测最大为95 L/s。

2.2.2瞬时涌水量预测

采用大岛洋志法、经验公式法对瞬时突涌水量进行预测。

（1）大岛洋志法：用隧洞上覆地下水水头和隧洞洞周的渗出面积为主要参数，以一定的渗透系数下渗，分段计算（1+900）～（3+000）、（3+000）～（4+000）、（4+000）～（5+000）的最大瞬时涌水量分别为29 L/s、33 L/s和46 L/s。

（2）经验公式法：公式把隧洞上覆地下水水头作为直线函数的变量，利用已开挖洞洞段地下水情况计算出函数的经验系数，再分段计算最大瞬时涌水量分别为31 L/s、35 L/s、52 L/s。

综合上述方法的分析计算，考虑一定的安全裕度，预测的未开挖洞段稳定涌水量约65～95 L/s，瞬时最大突涌水量为55 L/s，具体分段预测结果见表2。

3 排水方案

3.1 总体抽排水方案

本项目引水隧洞坡度陡（综合坡-7.165%），反坡洞段长，从隧洞0+000～隧洞5+000，形成洞内外最大352 m高差，造成抽水扬程高，排水困难。为高效、稳定抽排地下涌水，确定抽排水方案如下：

抽排水系统由设在隧洞沿线的固定泵站、移动泵站及掌子面排水泵等三级排水设备设施组成。

整个5 km隧洞设置3个一级固定泵站，在固定泵站与掌子面间每隔230 m设置二级移动泵站，掌子面采用潜水泵抽排至二级泵站，在移动泵站达到4个以后，即可设置固定泵站，将移动泵站迁移至后续洞段。引水隧洞前5 km的泵站布置见图1。

3.2 抽排水水量

3.2.1掌子面排水量

隧洞掌子面后方的沿程地下水可直接引流至附近固定泵站和移动泵站排出，不汇集到掌子面，掌子面排水量主要参考瞬时突涌水。

掌子面施工工序中，出渣时段石渣装载作业无法进行抽排水，积水达到一定深度无法装渣时，需开始抽排积水，抽排水强度必须大于出水量。抽水作业对放炮、通风、出渣、打孔的作业工序均有影响，为保证引水隧洞总体施工工期，需尽量压缩纯抽水作业工序时间，必须加大掌子面的抽排水强度。在最大瞬时突涌水时，一个小时无法抽排的积水必须在下一个小时内甚至更短时间排出，这样，掌子面的抽排水能力必须大于出水量的两倍。在相应洞段的掌子面，抽排水能力需分别大于62 L/s、70 L/s、110 L/s。

3.2.2移动泵站排水量

移动泵站各阶段排水量按掌子面排水量叠加沿程稳定涌水量确定，掌子面桩号在（1+900）～（3+000）、（3+000）～（4+000）、（4+000）～（5+000）时，移动泵站排水量分别为87 L/s、98 L/s和152 L/s。

3.2.3固定泵站排水量

隧洞开挖至各个桩号，对固定泵站的排水能力大小要求不同，上一级固定泵站排水能力按不小于本段沿程稳定涌水量与下一级固定泵站或移动泵站的排水量之和进行配置。隧洞开挖越深，总的稳定出水量越大，各级泵站排水能力要求越高。各固定泵站的排水水量见表3。

3.3 管道选型

抽排水管道结合固定泵站与移动泵站进行选型，为减少安装拆卸工作，固定泵站与移动泵站选用同一种管道类型。考虑到采购以及安装难度，结合排水水量，选取经济流速为2.5 m/s 的Dg150 钢管，其1 000 m的沿程水损为79 m，一条管道的排水水量为42 L/s。掌子面排水考虑方便移动，采用PE软管，管径根据水泵的型号选用。

3.4 水泵选型

水泵需根据扬程、排水量以及工作环境的要求选择，为减小设备采购、运行维护难度，应尽量减少水泵配置的型号。固定泵站扬程高、水量大，宜选用矿用耐磨多级泵；移动泵站的扬程相对较小，普通离心泵或多级泵均可满足要求；掌子面为方便移动，只能选用潜水泵。

3.4.1固定泵站

除1号固定泵站的扬程为120 m外，其他两个固定泵站的扬程均为83 m左右。对于1号固定泵站，其沿程水头损失约为150 m，抽水扬程为117 m，因此，1号固定泵站的水泵扬程需大于267 m，可选择MD155-30×9型多级泵，单台功率160 kW。2号、3号固定泵站的水损约为80 m，抽水扬程约83 m，可选择MD155-30×6型多级泵，单台功率为110 kW。

3.4.2移动泵站

移动泵站的抽水扬程为19 m，采用Dg150管道水损为20 m，可选用150S78A 型的单级双吸中开泵，其扬程55 m，流量为47 L/s，功率45 kW，流量与固定泵站的泵型基本匹配。

3.4.3掌子面

掌子面至移动泵站的长度随掌子面的延伸而变化，最大长度为230 m，因此最大抽水扬程为19 m，拟配置两种类型的水泵供不同扬程时匹配使用。高扬程的100QW87-28-15型潜水排污泵，每台抽水能力24.2 L/s，扬程28 m，功率15 kW，重量约为180 kg。低扬程的100QW65-15-5.5 型潜水排污泵，排水能力18 L/s，功率5.5 kW，重量约为120 kg。

根据上述泵站水泵的选型，按掘进至终点时的最大排水能力，排水设备的配置见表4。表4不包括备用设备。

上述水泵以及管路配置可以根据地下水的实际出水情况进行安排，一、二级泵站的水泵和管路按一台水泵配一条水管，可抽排42 L/s的水量，超过42 L/s需增加一套管路及水泵。。

4 电力设备配置方案

反坡排水的供电保障是重点，只有电力有了保障，抽水才有保障，一旦电力供应出现问题，水泵停止工作，如此大流量的地下水很快就会淹没掌子面，甚至淹没各级泵站。

洞内施工用电设备主要有水泵、空压机260 kW、接力风机220 kW 和扒渣机150 kW。因最大排水强度时非出渣及钻孔时段，扒渣机和空压机可不考虑，接力风机可考虑110 kW的使用功率。洞内用电负荷大，必须采用10 kV线路进洞，洞内降压，施工用电设备按最大用电负荷组合进行变压器配置。

（1）在桩号1+900附近布置1 000 kVA变压器，供应1号固定泵站；

（2）在掌子面桩号为3+000～4+000时，在桩号3+000附近布置1 000 kV变压器，供应2号固定泵站、移动泵站以及掌子面施工设备用电。待掌子面开挖超过4+000时，3+000处改用630 kVA变压器，供应2号固定泵站及接力风机；

（3）桩号4+100附近布置1 000 kVA变压器，供应3号固定泵站、移动泵站及掌子面施工设备用电。

5 抽排水运行管理

现场排水安排3个工班，轮班作业，每个班配备专职电工，并在固定泵站专人值守。运行人员需针对水量的大小调整工作泵的台数，并进行供电线路、排水管路以及集水坑巡检、维修和清理，保证整个排水设施的顺畅运行。

截至2013年10月底，隧洞已掘进至2+700处，洞内最大排水量为120 L/s，目前配置的3套管路能够满足抽排水要求，在外部供电正常的情况下，隧洞能正常掘进施工。自桩号1+900开始，掘进过程中掌子面不时遭遇地下水，后续洞段施工过程中应及时增加抽排水设备，做到有备无患，保障隧洞掘进工作正常顺利进行。