引水隧洞混凝土襯砌開(kāi)裂成因及應(yīng)對(duì)措施

韓金明，劉 武

(四川鹽源甲米河水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川鹽源，615700)

1 概述

水工隧洞設(shè)計(jì)理念在其100多年的發(fā)展歷史中已經(jīng)發(fā)生了顯著變化，尤其是對(duì)水荷載作用形式、隧洞襯砌與圍巖的聯(lián)合承載機(jī)理等方面都有了更為深入的認(rèn)識(shí)。傳統(tǒng)的鋼板襯砌結(jié)構(gòu)雖然防滲效果良好，但其工程量較大、造價(jià)高，且施工困難，對(duì)施工進(jìn)度有較大影響。出于經(jīng)濟(jì)效益和施工方面的考慮，目前水工隧洞中大量采用鋼筋混凝土襯砌。

我國(guó)水電站壓力隧洞混凝土襯砌在內(nèi)水壓力作用下的配筋，已由早期的“抗裂設(shè)計(jì)”改革為“限裂設(shè)計(jì)”，它要求最大裂縫寬度 Wmax＜0.2mm～0.25mm。因?yàn)槿舨蝗菰S開(kāi)裂，計(jì)算得到的配筋量往往很大，Ⅳ類(lèi)和Ⅴ類(lèi)圍巖中的隧洞尤其如此，且施工極為困難。

混凝土襯砌裂縫形成的原因非常復(fù)雜，往往是多種不利因素綜合作用的結(jié)果，主要有施工不規(guī)范、材料質(zhì)量差或配合比不合理以及荷載作用引起的開(kāi)裂等因素?；炷烈r砌裂縫會(huì)產(chǎn)生若干不利影響:裂縫形成新的滲水通道，影響發(fā)電量，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生管涌引發(fā)山體災(zāi)害。我國(guó)許多水電工程，如天生橋一級(jí)、公伯峽、周寧、惠蓄等工程的水工隧洞，均不同程度地存在內(nèi)水外滲現(xiàn)象。部分隧洞充水運(yùn)行后產(chǎn)生嚴(yán)重滲水，影響電站正常運(yùn)行，并給隧洞維護(hù)帶來(lái)難度。

本文主要分析內(nèi)水作用下混凝土襯砌開(kāi)裂過(guò)程及不同工況下襯砌裂縫寬度變化情況，同時(shí)針對(duì)襯砌開(kāi)裂提出了預(yù)防和應(yīng)對(duì)措施，并將分析結(jié)論引用到甲米河二級(jí)水電站引水隧洞襯砌實(shí)例中。

2 引水隧洞混凝土襯砌開(kāi)裂成因分析

2.1 襯砌開(kāi)裂過(guò)程分析

混凝土結(jié)構(gòu)本身受拉能力較低，當(dāng)內(nèi)水壓力較小時(shí)，拉應(yīng)力完全由混凝土承擔(dān)，襯砌不會(huì)開(kāi)裂(出現(xiàn)宏觀(guān)裂紋)。

當(dāng)內(nèi)水壓力較大，達(dá)到某一臨界值時(shí)，襯砌在較高內(nèi)水壓作用下發(fā)生裂縫，且裂縫特征(形態(tài)、開(kāi)度、分布、數(shù)量等)與襯砌應(yīng)力狀態(tài)有密不可分的關(guān)系〔1〕，其過(guò)程實(shí)質(zhì)為水壓作用下襯砌內(nèi)部的微裂紋萌生、擴(kuò)展及貫通，直到最后宏觀(guān)裂紋產(chǎn)生并發(fā)展的過(guò)程。由于裂縫的存在，隧洞襯砌是透水的，內(nèi)水會(huì)沿裂縫滲入圍巖內(nèi)，在內(nèi)水作用下襯砌大部分范圍是與圍巖脫開(kāi)的，內(nèi)水壓力大部分由圍巖承擔(dān)，襯砌只分擔(dān)很小一部分，且鋼筋應(yīng)力和裂縫寬度隨配筋面積增加不會(huì)有明顯改善，此時(shí)改善圍巖參數(shù)能有效減小裂縫寬度和改善鋼筋應(yīng)力情況。

當(dāng)內(nèi)水壓力很大，達(dá)到某一臨界值時(shí)，高壓水會(huì)沿裂縫通道作用于圍巖，會(huì)使巖體裂縫擴(kuò)展、貫通，產(chǎn)生水力劈裂現(xiàn)象，形成大的滲漏通道，危害隧洞運(yùn)行安全。

襯砌裂縫和圍巖裂隙的存在會(huì)導(dǎo)致隧洞內(nèi)水外滲現(xiàn)象發(fā)生，隧洞的滲漏量與混凝土襯砌和洞周?chē)鷰r的滲透性密切相關(guān)。圍巖的裂隙開(kāi)度及其滲透性與圍巖原先的滲透性和開(kāi)挖過(guò)程中爆破卸荷關(guān)系密切，在開(kāi)挖完成后即已基本決定，之后隧洞的充水加壓對(duì)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和裂縫開(kāi)度影響較小(水壓過(guò)大會(huì)導(dǎo)致水力劈裂)，其滲透性在充水過(guò)程中變化不大?；炷恋臐B透性與裂縫特征和結(jié)構(gòu)所處的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，在不受外力的情況下，襯砌自身的滲透性非常小，可近似認(rèn)為是不透水材料，由于微裂紋的擴(kuò)展，其滲透性會(huì)逐漸提升，在襯砌出現(xiàn)宏觀(guān)裂縫后，混凝土的滲透性將隨裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展而急劇增加，因此改善混凝土襯砌的受力狀態(tài)和圍巖滲透性，是改善隧洞滲漏的有效途徑。

2.2 不同工況下襯砌寬度變化分析

2.2.1 施工期(襯砌完成且圍巖固結(jié)灌漿完成)工況。此時(shí)結(jié)構(gòu)幾乎處于無(wú)水狀態(tài)，襯砌受自重和圍巖應(yīng)力作用，襯砌受力狀態(tài)良好，以壓應(yīng)力為主，局部拉應(yīng)力極小，襯砌幾乎不開(kāi)裂，頂拱與邊墻處由于應(yīng)力集中可能出現(xiàn)局部開(kāi)裂。

2.2.2 充水運(yùn)營(yíng)期(隧洞充水完成)工況。此時(shí)襯砌受自重、內(nèi)水壓力和圍巖應(yīng)力共同作用，襯砌應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為內(nèi)力均為拉應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)水壓力較小時(shí)，拉應(yīng)力不會(huì)超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，襯砌不會(huì)出現(xiàn)宏觀(guān)裂紋;當(dāng)內(nèi)水壓力較大，大于臨界值，拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)宏觀(guān)裂縫，且裂縫寬度在一定程度上隨拉應(yīng)力增大而變寬，且較大裂縫多出現(xiàn)在拱頂?shù)撞扛浇?/p>

2.2.3 放空檢修工況。此時(shí)襯砌受自重、孔隙水壓力和圍巖應(yīng)力共同作用，由于此時(shí)裂縫內(nèi)孔隙水壓力近似于外水壓力作用，襯砌應(yīng)力狀態(tài)仍表現(xiàn)為壓應(yīng)力，襯砌裂縫寬度較運(yùn)營(yíng)期時(shí)有一定幅度的減小。

3 襯砌裂縫預(yù)防與處理措施

3.1 裂縫預(yù)防措施

3.1.1 從保證襯砌混凝土強(qiáng)度出發(fā)，加強(qiáng)原材料質(zhì)量控制，控制好混凝土的塌落度和配合比，嚴(yán)格控制混凝土施工工藝，做好混凝土振搗和養(yǎng)護(hù)。

3.1.2 合理設(shè)置施工縫長(zhǎng)度，通常采取8m～12m，施工縫采用止水材料填縫。

3.1.3 在內(nèi)水壓力較大的部位，采用強(qiáng)度較高且抗?jié)B等級(jí)高的混凝土，也可考慮采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌或鋼板和混凝土聯(lián)合襯砌。

3.1.4 在內(nèi)水壓力很大的部位，采用高強(qiáng)度混凝土的同時(shí)，可通過(guò)固結(jié)灌漿和回填灌漿改善圍巖滲透特性，提高圍巖承載能力，從而改善襯砌受力情況，并適當(dāng)增加襯砌配筋率，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化鋼筋應(yīng)力，減小襯砌裂縫寬度。

3.2 裂縫處理措施

經(jīng)放空檢查發(fā)現(xiàn)裂縫時(shí)，可采取以下幾種處理措施:

3.2.1 表面修補(bǔ)。表面壓實(shí)抹平，涂抹環(huán)氧粘結(jié)劑，噴水泥砂漿或細(xì)石混凝土。

3.2.2 局部修復(fù)。常采用充填法，必要時(shí)可鑿去重新澆筑。

3.2.3 水泥壓力灌漿或化學(xué)灌漿，適用于縫寬較大的穩(wěn)定裂縫。

4 工程實(shí)例分析

4.1 工程概況

甲米河二級(jí)水電站總裝機(jī)容量為24MW，正常蓄水位2054.4m。工程區(qū)位于橫斷山脈北西側(cè)的雅礱江右岸三級(jí)支流甲米河下段，地貌單元屬青藏高原東南緣向四川盆地過(guò)渡之川西高山區(qū)中部。工程引水隧洞總長(zhǎng)約5.14km，斷面形狀為城門(mén)洞形，斷面尺寸為4.4m×5.5m，引水線(xiàn)路沿線(xiàn)物理地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為巖體的風(fēng)化卸荷和局部崩塌，滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育。引水隧洞穿越地層較多，巖性較復(fù)雜，主要由三疊系的砂巖、石灰?guī)r、泥灰?guī)r和砂礫巖等組成。圍巖類(lèi)別為引水隧洞前段以Ⅲ類(lèi)為主，后段部分洞段為Ⅳ、Ⅴ類(lèi)。

4.2 臨界內(nèi)水壓力及裂縫寬度計(jì)算方法

引水隧洞混凝土襯砌出現(xiàn)宏觀(guān)裂紋，襯砌與圍巖脫開(kāi)時(shí)，臨界壓力按下式計(jì)算:

式中有關(guān)符號(hào)及推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)〔2〕。

導(dǎo)致圍巖裂紋擴(kuò)展，發(fā)生水力劈裂的臨界內(nèi)水壓力表達(dá)式為:

式中有關(guān)符號(hào)及推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)〔3〕。

襯砌開(kāi)裂裂縫寬度2a按下式計(jì)算:

式中有關(guān)符號(hào)及推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)〔4〕。

4.3 計(jì)算參數(shù)

引水隧洞最大內(nèi)水壓力0.48MPa，Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖采用底板襯混凝土20cm，邊墻、頂拱噴12cm，系統(tǒng)錨桿 φ22mm(L=2m)間距 1.8m、排距1.5m;Ⅳ類(lèi)圍巖采用鋼筋混凝土全襯40cm(C20(二)，鋼筋布置主筋 φ22mm@25cm，分布筋φ18mm@25cm)，Ⅴ類(lèi)圍巖采用鋼筋混凝土全襯60cm(C20(二)，鋼筋布置主筋φ25mm@20cm，分布筋φ18mm@25cm)，主要材料強(qiáng)度見(jiàn)表1所示。

表1 計(jì)算力學(xué)參數(shù)

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

4.4.1 甲米河二級(jí)引水隧洞中導(dǎo)致襯砌出現(xiàn)宏觀(guān)裂紋與圍巖脫開(kāi)時(shí)的臨界內(nèi)水壓力，Ⅳ類(lèi)圍巖為1.22MPa，Ⅴ類(lèi)圍巖為0.81MPa，而甲米河二級(jí)引水隧洞最大內(nèi)水壓力僅為0.48MPa。計(jì)算結(jié)果表明在目前支護(hù)方案情況下，洞內(nèi)襯砌不會(huì)出現(xiàn)宏觀(guān)裂紋，設(shè)計(jì)擬采用抗?jié)B混凝土方案是不必要的。

4.4.2 甲米河二級(jí)引水隧洞中導(dǎo)致圍巖裂紋擴(kuò)展，出現(xiàn)水力劈裂現(xiàn)象的臨界內(nèi)水壓力為Ⅳ類(lèi)圍巖1.36MPa，Ⅴ類(lèi)圍巖為2.12MPa。而甲米河二級(jí)引水隧洞最大內(nèi)水壓力僅為0.48MPa，表明引水隧洞圍巖條件不會(huì)出現(xiàn)水力劈裂現(xiàn)象。但因引水隧洞后段局部洞段在開(kāi)挖初期出現(xiàn)過(guò)塌方，其圍巖參數(shù)較低，裂隙較為發(fā)育，應(yīng)做好固結(jié)灌漿和回填灌漿，改善圍巖強(qiáng)度參數(shù)和滲透性能。

4.4.3 按最大內(nèi)水壓力計(jì)算，考慮襯砌最易開(kāi)裂的滿(mǎn)水運(yùn)營(yíng)工況，甲米河二級(jí)隧洞混凝土襯砌最大裂縫寬度為0.08mm，低于規(guī)范規(guī)定的上限值(最大裂縫寬度Wmax＜0.2mm～0.25mm)。

4.4.4 隧洞放空檢查時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)檢查引水洞后段(尤其是樁號(hào)4+000m以后)及塌方洞段，根據(jù)檢查結(jié)果采取適當(dāng)處理措施。

5 結(jié)語(yǔ)

5.1 當(dāng)內(nèi)水壓力較小時(shí)，襯砌承擔(dān)拉應(yīng)力較小(不超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度)，一般不會(huì)開(kāi)裂，此時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)減小襯砌，降低配筋率，以節(jié)約投資。

5.2 當(dāng)內(nèi)水壓力較大時(shí)，襯砌一般會(huì)發(fā)生開(kāi)裂，裂縫的寬度與襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，此時(shí)靠增大配筋率，增加襯砌厚度，對(duì)裂縫寬度的減小效果并不明顯，可通過(guò)提高混凝土等級(jí)或采用預(yù)應(yīng)力混凝土來(lái)減小裂縫寬度。

5.3 當(dāng)內(nèi)水壓力很大時(shí)，襯砌必然會(huì)開(kāi)裂(此時(shí)靠提高混凝土等級(jí)和增大配筋率不起作用)，且裂縫寬度較大，高水壓沿裂縫通道作用圍巖裂隙，導(dǎo)致水力劈裂，會(huì)形成大的滲漏通道。此時(shí)應(yīng)通過(guò)固結(jié)灌漿和回填灌漿填充圍巖裂隙，改善圍巖特性，同時(shí)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌，以達(dá)到減小裂縫寬度的效果。

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