水電站土壩輸水涵洞(管)病險(xiǎn)原因分析及加固

林益龍

(福建省宏禹水利水電咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)院，福建?福州?350001)

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水電站土壩輸水涵洞(管)病險(xiǎn)原因分析及加固

林益龍

(福建省宏禹水利水電咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)院，福建?福州?350001)

通過(guò)分析輸水涵洞(管)的病險(xiǎn)原因，重點(diǎn)介紹了福建省歷年來(lái)采取的內(nèi)套新管、新建隧洞、挖除重建等加固技術(shù)，取得了很好的修復(fù)效果。圖1幅。

土壩；輸水涵洞(管)；原因分析；處理措施

1 概 述

小水電是重要的可再生能源和清潔能源,并具有防洪灌溉、生態(tài)涵養(yǎng)、改善民生等多重功能。從2011年起，福建省開(kāi)始推動(dòng)280座老舊小水電站開(kāi)展初步設(shè)計(jì)，2013年實(shí)施增效擴(kuò)容改造，2015年初已完成約100座老舊小水電站改造，取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中，對(duì)樞紐建筑物特別是攔河大壩及輸水涵洞(管)的安全提出了較高的要求，只有確保攔河大壩及輸水涵洞(管)的安全，才能保證向電站正常輸水，保障電站安全運(yùn)行。

福建省小水電站開(kāi)發(fā)較早，20世紀(jì)70年代以前建設(shè)的水電站攔河大壩多為土壩，占總數(shù)的53.26%。在土壩中，輸水建筑物大多采用壩下涵洞(管)，受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件、財(cái)力、物力等限制，輸水涵洞(管)普遍存在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、施工質(zhì)量差、基礎(chǔ)處理不到位、運(yùn)行管理較差、涵洞(管)無(wú)法檢查觀測(cè)等問(wèn)題。經(jīng)多年運(yùn)行后，輸水涵洞(管)老化，加上失修多年及管理不善等，導(dǎo)致輸水涵洞(管)產(chǎn)生裂縫、漏水，不斷帶走涵洞(管)周邊土體，引起壩坡塌陷，甚至引起垮壩，嚴(yán)重影響小水電工程的安全運(yùn)行。

2 輸水涵洞(管)病險(xiǎn)原因分析

2.1 結(jié)構(gòu)缺陷

(1)輸水涵洞(管)一般采用鋼筋混凝土或漿砌石結(jié)構(gòu)，部分涵洞(管)未設(shè)伸縮縫，在其竣工后因干縮和溫度收縮而產(chǎn)生環(huán)向裂縫，從而造成漏水現(xiàn)象。

(2)部分涵洞(管)未設(shè)或少設(shè)截水環(huán)，造成壩體填土與涵洞(管)間存在接觸滲漏問(wèn)題。

(3)有的鋼筋混凝土涵管直接座落在地基上，未設(shè)混凝土“涵衣”，涵管上方填土碾壓時(shí)，容易對(duì)涵管壓裂，直接形成漏水通道。另外，鋼筋混凝土管接頭處理不到位、填充材料老化等也是混凝土涵管產(chǎn)生漏水通道的環(huán)節(jié)之一。

(4)有的涵洞采用漿砌條塊石結(jié)構(gòu)，頂部條石凈跨偏大，受上方荷載作用，造成條石斷裂。

(5)有的涵洞(管)斷面小，難以進(jìn)入檢查，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情。

2.2 材料及施工欠佳

2.2.1 混凝土及澆筑質(zhì)量較差

(1)施工前未做混凝土配合比試驗(yàn)，施工時(shí)采用的水泥質(zhì)量差，往往出現(xiàn)水灰比過(guò)大、骨料過(guò)多等現(xiàn)象，混凝土質(zhì)量得不到保證。

(2)限于當(dāng)時(shí)的施工條件，混凝土大多采用人工拌和，均勻性差；澆筑時(shí)未用振搗器，密實(shí)性差；澆筑后養(yǎng)護(hù)不到位，任其露天冰凍或暴曬，致使開(kāi)裂。因此，混凝土涵洞(管)往往出現(xiàn)蜂窩、麻面、孔洞等現(xiàn)象，給工程留下了安全隱患。

2.2.2 石料及膠結(jié)材料較差

(1)多數(shù)工程處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，交通不便，石料缺乏，砌筑涵洞采取的石料抗壓強(qiáng)度參差不齊，個(gè)別甚至采用風(fēng)化石料，砌石質(zhì)量得不到保證。

(2)膠結(jié)材料有的采用水泥砂漿，有的采用三合土(石灰、粘土、砂)，其標(biāo)號(hào)均較低，經(jīng)多年運(yùn)行后，膠結(jié)材料出現(xiàn)老化、融蝕、剝落現(xiàn)象，從而形成集中的滲漏通道。

2.2.3 基礎(chǔ)處理不到位

涵洞(管)基礎(chǔ)地質(zhì)條件差或落于不同地層上未經(jīng)處理，造成涵洞(管)施工后不均勻沉陷，從而產(chǎn)生環(huán)向裂縫。

2.2.4 伸縮縫止水材料及施工不到位

(1)伸縮縫止水材料多數(shù)采用橡膠止水，此原材料用量較小，往往被忽視，常常用無(wú)質(zhì)量檢測(cè)或無(wú)出產(chǎn)合格證的橡膠止水帶，經(jīng)多年運(yùn)行后，止水帶老化，形成滲漏通道。

(2)止水帶埋入混凝土施工時(shí)振搗棒控制不好，致使振搗時(shí)碰到止水帶，使之錯(cuò)位、扭曲，直接形成滲水通道。

2.3 運(yùn)行管理不到位

中、小型水庫(kù)在管理上人員很少，專(zhuān)業(yè)人員更少，特別是小型水庫(kù)無(wú)專(zhuān)門(mén)的管理人員，輸水涵洞(管)進(jìn)口閘門(mén)常年處于全開(kāi)狀態(tài)。而多數(shù)涵洞(管)采用無(wú)壓設(shè)計(jì)、斷面不大，在汛期涵洞(管)進(jìn)口閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，放水流量過(guò)大，容易造成涵洞(管)處于有壓、無(wú)壓交替運(yùn)行狀況，產(chǎn)生氣蝕，破壞涵洞(管)結(jié)構(gòu)。

3 主要加固措施

3.1 內(nèi)套新管

3.1.1 應(yīng)用條件及優(yōu)缺點(diǎn)

當(dāng)涵洞(管)內(nèi)部尺寸較大，可滿(mǎn)足套管施工時(shí)，可利用鋼管、PE管、預(yù)制混凝土管或其他材料的管道套進(jìn)原涵洞(管)，再對(duì)套進(jìn)的管道與原涵洞(管)壁間進(jìn)行回填混凝土或水泥砂漿，同時(shí)進(jìn)行必要的灌漿處理，使套進(jìn)的管道、原涵洞(管)及壩體間形成連續(xù)防滲體系。

此方法工程量小、工期短，但套管后過(guò)水?dāng)嗝鏈p小，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)復(fù)核、對(duì)比加固前后涵洞(管)的過(guò)流能力。

3.1.2 工程實(shí)例

(1)基本情況

六甲水庫(kù)位于福建省武平縣武東鄉(xiāng)六甲村，是1座以灌溉、發(fā)電為主，兼有防洪、養(yǎng)殖等效益的中型水庫(kù)。水庫(kù)樞紐工程由主壩、副壩、溢洪道、輸水涵洞及壩后電站等組成，于1988年11月建成。壩后建有二級(jí)電站，總裝機(jī)容量1 250 kW。

輸水涵洞為砌石涵洞，全長(zhǎng)130 m，洞型為城門(mén)型，底寬2.0 m，高2.3 m，頂部為直徑2.0 m的半圓。施工時(shí)為滿(mǎn)足壩后電站發(fā)電需求，在涵洞內(nèi)安裝了內(nèi)徑為1.2 m的壓力鋼管，但未對(duì)鋼管與涵洞壁間的空隙進(jìn)行回填處理。

自從涵洞建成后，就發(fā)現(xiàn)涵洞頂部及側(cè)墻常年存在漏水現(xiàn)象，并夾帶有泥漿和細(xì)沙。分析其主要原因是涵洞砌體砂漿標(biāo)號(hào)低、不飽滿(mǎn)，存在滲水通道；涵洞洞身段未設(shè)截水環(huán)，砌體和壩體的接觸面容易形成滲漏通道，部分滲水流至涵洞內(nèi)。

(2)處理方案

首先拆除原壓力鋼管，然后采用現(xiàn)場(chǎng)焊接方法進(jìn)行壓力鋼管施工，最后在壓力鋼管與拱涵之間回填C15混凝土，并分段對(duì)涵洞進(jìn)行回填灌漿。在重新安裝鋼管前對(duì)涵洞砌體還進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)灌漿，采用風(fēng)鉆鉆孔，灌注水泥漿，通過(guò)砌體補(bǔ)強(qiáng)灌漿以解決砌體滲漏問(wèn)題。

在鋼管更換、回填混凝土至大壩垂直防滲墻處，即壩軸線位置的涵洞時(shí)。首先拆除2道寬0.6 m的拱涵砌體，并向基礎(chǔ)砌體外多挖0.5 m，兩側(cè)和頂部挖至大壩防滲已施工完成的三管高壓旋噴蓋座處(砌體外0.1～0.2 m)；隨后在挖開(kāi)的范圍內(nèi)澆筑C20混凝土，并待混凝土干縮后，對(duì)混凝土與三管高壓旋噴蓋座進(jìn)行接觸灌漿；同時(shí)在截滲墻位置的鋼管上焊接2道鋼制止水環(huán)。通過(guò)以上處理，在壩軸線位置套管與大壩防滲體(三管高壓旋噴、單管高壓旋噴及帷幕灌漿)形成了一道連續(xù)防滲體，有效解決了壩體與涵洞砌體間的接觸滲漏問(wèn)題(見(jiàn)圖1)。

圖1 輸水涵洞加固縱剖面

該工程經(jīng)加固后，目前輸水涵洞一切運(yùn)行正常。

3.2 新建隧洞

3.2.1 應(yīng)用條件及優(yōu)缺點(diǎn)

當(dāng)有適宜開(kāi)挖隧洞的地形、地質(zhì)條件時(shí)，可采取新建輸水隧洞及對(duì)原涵洞(管)進(jìn)行封堵處理，使輸水建筑物遠(yuǎn)離大壩，提高工程運(yùn)行的安全可靠性。

此方法安全、可靠；但工程量、投資較大，工期較長(zhǎng)。

3.2.2 工程實(shí)例

新建輸水隧洞及對(duì)原涵洞(管)進(jìn)行封堵處理在福建省多座水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中得到應(yīng)用，如漳浦縣楊美水庫(kù)、漳浦縣后井水庫(kù)、漳浦縣石過(guò)陂水庫(kù)、閩侯縣三溪口水庫(kù)、建寧縣東風(fēng)水庫(kù)等。

(1)基本情況

后井水庫(kù)位于漳浦縣杜潯鎮(zhèn)過(guò)洋村，是1座兼具灌溉、發(fā)電、供水等綜合利用的中型水庫(kù)。水庫(kù)樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水涵洞及壩后電站等組成，工程于1960年2月建成。壩后電站裝機(jī)容量630 kW。

輸水涵洞原為砌石結(jié)構(gòu)，尺寸1.6 m×1.0 m(高×寬)，1982年涵洞內(nèi)套鋼管，管壁與涵洞間回填C15混凝土，鋼管內(nèi)徑為φ0.9 m，管壁厚8 mm，涵洞長(zhǎng)135 m。

由于漿砌石水泥砂漿標(biāo)號(hào)低，砌石質(zhì)量差，水庫(kù)蓄水后，發(fā)現(xiàn)涵洞漏水145處，較大漏水39處。隨后進(jìn)行灌漿、洞內(nèi)套鋼管處理，但均不夠徹底，套管后涵洞出口仍存在漏水現(xiàn)象，給工程留下安全隱患。

(2)處理方案

為了徹底全面解決輸水涵洞滲漏問(wèn)題、消除隱患。2011年水庫(kù)除險(xiǎn)加固時(shí)，采用新建輸水隧洞，同時(shí)對(duì)原輸水涵洞進(jìn)行封堵處理。

新建輸水隧洞布置在左岸壩肩，總長(zhǎng)176 m，斷面型式為城門(mén)型，開(kāi)挖尺寸為2.4 m×2.4 m(底寬×高)，襯砌后為圓形，洞徑1.8 m。

原輸水涵洞封堵采用沖擊鉆將防滲墻處的舊涵管沖擊挖除，然后澆筑低彈?；炷练罎B墻，與大壩其他部位低彈?；炷练罎B墻連成整體。

該工程于2014年進(jìn)行完工驗(yàn)收，目前輸水建筑物一切運(yùn)行正常。

3.3 挖除重建

3.3.1 應(yīng)用條件及優(yōu)缺點(diǎn)

當(dāng)土壩涵洞(管)處壩高在10m左右，可采用沿涵洞(管)軸線進(jìn)行挖除重建，以達(dá)到徹底處理的效果。

此方法直觀、可控，舊涵洞(管)直接挖除，可減少隱患；但對(duì)新涵洞(管)施工、壩體開(kāi)挖后的土方回填施工及度汛要求高。

3.3.2 工程實(shí)例

尤溪縣康林水庫(kù)，原砌石涵洞斷面尺寸為0.3 m×0.3 m(寬×高)，長(zhǎng)度為56 m，砌石涵洞處壩高約為11 m。原涵洞砌筑質(zhì)量差，砂漿不飽滿(mǎn)，當(dāng)庫(kù)水位高于涵洞進(jìn)口高程4.0 m時(shí)，水流經(jīng)壩體后滲入涵洞，存在較大滲漏問(wèn)題。2013年水庫(kù)除險(xiǎn)加固時(shí)，對(duì)輸水涵洞進(jìn)行挖除重建。具體措施如下：

首先沿涵洞軸線對(duì)壩體進(jìn)行開(kāi)挖，挖除現(xiàn)有涵洞，并挖至巖基；然后新建鋼筋混凝土涵洞，每5 m設(shè)1道C25混凝土截水環(huán)，每15 m設(shè)1道伸縮縫；接著對(duì)涵洞頂以上壩體土方按規(guī)范要求進(jìn)行夯填。

此次加固效果顯著，目前放水涵洞一切運(yùn)行正常。

3.4 新建涵管

新建涵管首先要根據(jù)工程實(shí)際情況合理選定新管位置，然后確定合適的施工方法。根據(jù)不同施工方法，新建涵管主要分為以下兩種：

3.4.1 壩外明挖新建

當(dāng)兩岸有合適的地形時(shí)，可選擇避開(kāi)大壩進(jìn)行明挖新建，并對(duì)原涵管進(jìn)行封堵處理，避免大壩與輸水建筑物交叉，提高工程運(yùn)行安全可靠性。該方案首先將管基開(kāi)挖至巖基，然后進(jìn)行管道施工、設(shè)置截水環(huán)，最后碾壓回填管道上方的土體。如晉安市新安水庫(kù)，原砌石涵洞為污工砌石結(jié)構(gòu)，由于不均勻沉陷導(dǎo)致涵洞出現(xiàn)3處裂斷，給工程留下重大安全隱患。除險(xiǎn)加固時(shí)，對(duì)原輸水涵洞進(jìn)行報(bào)廢，在右岸采用明挖法新建輸水涵管。經(jīng)加固后，輸水涵管一切運(yùn)行正常。

3.4.2 頂管法新建

頂管法是一種不開(kāi)挖或少開(kāi)挖的管道埋設(shè)施工技術(shù)，其施工就是在工作井內(nèi)借助頂進(jìn)設(shè)備產(chǎn)生的頂力，克服管道與周?chē)寥篱g的摩擦力，將管道頂入土中。一節(jié)管道完成頂入土層后，再進(jìn)行第二節(jié)管道繼續(xù)頂進(jìn)。

該方法開(kāi)挖及回填土方量小、工期短、投資小，但由于頂進(jìn)的管道與壩體間的接觸滲漏、管節(jié)間的防滲問(wèn)題較難解決，且在大壩加固中工作量小、專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍難找。因此，在福建省還未能廣泛、成功地應(yīng)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

水電站土壩輸水涵洞(管)病險(xiǎn)性是多種原因造成的。福建省歷年來(lái)根據(jù)輸水涵洞(管)病險(xiǎn)原因分析，采取了內(nèi)套新管、新建隧洞、挖除重建、壩外明挖新建等加固技術(shù)，效果顯著，大大提高了水電站的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益。

[1] 張啟岳.土石壩加固技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社,1999.

[2] 林耀輝.小型水庫(kù)輸水涵洞除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)[J].黑龍江水利科技,2013,41(8):146_147.

[3] 陸炳群.水庫(kù)壩下涵管險(xiǎn)情分析及應(yīng)對(duì)措施[J]. 中國(guó)水利,2007(6):67.

責(zé)任編輯 吳 昊

2015-06-03

林益龍(1981-)，男，工程師，主要從事水利水電工程咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)等工作。 E_mail:66714607@qq.com