淺談引水隧洞混凝土襯砌裂縫及結(jié)構(gòu)安全分析

游 志 純， 劉 婷， 翟 曉 斌

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 宜昌 443002)

淺談引水隧洞混凝土襯砌裂縫及結(jié)構(gòu)安全分析

游 志 純， 劉 婷， 翟 曉 斌

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 宜昌 443002)

以中梁一級水電站引水隧洞充水運(yùn)行中襯砌段出現(xiàn)裂縫為例，通過對該電站襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全復(fù)核計(jì)算及影響結(jié)構(gòu)安全敏感性因素進(jìn)行分析，明確了出現(xiàn)裂縫的原因，并對裂縫處理提出了具體措施。運(yùn)行結(jié)果表明：該電站所采用的裂縫成因分析合理、處理方式可行。

隧洞；裂縫；結(jié)構(gòu)分析；處理；中梁一級水電站

隧洞襯砌結(jié)構(gòu)通常是由拱或環(huán)形構(gòu)造為主體的承壓構(gòu)件組成，水工隧洞襯砌設(shè)計(jì)一般采取限裂設(shè)計(jì)，其裂縫問題是普遍存在且不易解決的工程實(shí)際問題。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，鋼筋混凝土襯砌在保證施工質(zhì)量的前提下, 圓形隧洞在承受100 m內(nèi)水壓力以內(nèi)時(shí) 襯砌開裂很少,且開裂的裂紋細(xì)。但如果施工過程中存在缺陷，則襯砌裂縫多且裂縫開展寬度容易超過標(biāo)準(zhǔn)值，隨著裂縫繼續(xù)開裂、擴(kuò)大、貫穿結(jié)構(gòu)時(shí)，裂縫不僅影響襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，還會因裂縫滲水而影響到隧洞的安全運(yùn)行。筆者對中梁一級水電站引水隧洞出現(xiàn)的裂縫問題進(jìn)行了分析、探討。

1 概 述

中梁一級水電站位于重慶市巫溪縣境內(nèi)長江三峽河段北岸大寧河干流上，是一座以發(fā)電、防洪為開發(fā)目的的長引水式地面電站，電站裝機(jī)容量為3×24 MW。引水有壓隧洞從進(jìn)水口末端至調(diào)壓井中心全長7 890.58 m，隧洞中心線高程為581.25～546 m，坡度為0.447 8%。隧洞斷面為圓形，采用鋼筋混凝土襯砌和素混凝土噴護(hù)兩種型式。鋼筋混凝 土 襯 砌 段(洞 徑4.5 m)總 長5 026.58 m，噴護(hù)段總長2 857 m。

引水隧洞軸線走向與地層走向斜交，埋深15～722 m。沿線穿越三疊系嘉陵江組、大冶組、二疊系上、中統(tǒng)各巖組地層，主要為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，少量為黑色炭質(zhì)頁巖、鋁土巖、煤層等。圍巖類別主要為Ⅲ類，部分為Ⅱ類，局部為Ⅳ～Ⅴ類，圍巖局部穩(wěn)定性差。

圖1 水平縫滲水伴析出物

圖2 Y5+850附近的貫穿水平縫

2012年4月16～22日，中梁一級水電站引水隧洞首次充水試運(yùn)行后進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)引水隧洞各段混凝土襯砌有多條裂縫，尤其是樁號Y4+800～Y6+900段襯砌混凝土裂縫較多；其中溫度縫較少，多數(shù)裂縫呈水平(圖1)，亦有較多混凝土施工冷縫，裂縫寬度基本大于0.1 mm，部分寬度大于0.3 mm。2012年5月7日，再次進(jìn)洞檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)洞兩側(cè)和下半部的多數(shù)裂縫滲出黃(白)色的“細(xì)物質(zhì)”，鉆孔取芯表明：部分裂縫為貫穿性裂縫，樁號Y5+850洞段附近隧洞右側(cè)下半部有一條1.3 mm寬的貫穿水平裂縫(圖2)。

2 結(jié)構(gòu)安全復(fù)核及分析

水工隧洞混凝土裂縫是常見現(xiàn)象，但是貫穿性裂縫產(chǎn)生的滲漏、涌水將直接威脅隧洞襯砌的安全。為確保該隧洞的運(yùn)行安全，消除安全隱患，筆者對引水隧洞進(jìn)行了承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下的驗(yàn)算。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)核計(jì)算

引水隧洞混凝土襯砌按限裂要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)圍巖類別，Ⅲ類圍巖段采用的襯砌混凝土厚度為40 cm，配單層構(gòu)造鋼筋；Ⅲ～Ⅳ類圍巖段采用的襯砌混凝土厚度為60 cm，配雙層鋼筋；Ⅳ～Ⅴ類圍巖段采用的襯砌混凝土厚度為80 cm，配雙層鋼筋?；炷翉?qiáng)度等級為C25。

根據(jù)引水隧洞開挖后的地質(zhì)素描及隧洞襯砌最后實(shí)施情況，選取樁號Y0+409.9(襯砌厚度60 cm)，樁號Y6+622(襯砌厚度80 cm)兩個(gè)典型斷面進(jìn)行了結(jié)構(gòu)復(fù)核，其復(fù)核結(jié)果見表1。

表1 襯砌計(jì)算參數(shù)及復(fù)核成果表

注： 表中檢修時(shí)考慮放空檢查，外水水頭變動(dòng)，外水取內(nèi)水最大水頭計(jì)算。

復(fù)核結(jié)果表明：各工況下襯砌結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)鋼筋配置滿足規(guī)范要求，正常使用極限狀態(tài)下裂縫寬度最大為0.25 mm，滿足規(guī)范規(guī)定的允許裂縫寬度要求。

2.2 敏感性分析

影響襯砌結(jié)構(gòu)安全的主要因素還有混凝土強(qiáng)度等級、圍巖完整性以及圍巖與混凝土是否緊密結(jié)合。對樁號Y6+622(襯砌厚度80 cm)典型洞段進(jìn)行分析得知：不同的圍巖參數(shù)與不同的混凝土強(qiáng)度等級對結(jié)構(gòu)的敏感性分析成果見表2、3。由表2、3可見，混凝土強(qiáng)度等級或圍巖單位彈抗系數(shù)達(dá)不到設(shè)計(jì)值時(shí)，均容易造成裂縫寬度超過規(guī)范要求。灌漿施工質(zhì)量的優(yōu)劣、圍巖彈抗系數(shù)的變化更明顯地影響到裂縫寬度，將直接影響到隧洞的安全運(yùn)行。

3 裂縫原因分析及所采取的處理措施

表2 襯砌段不同彈性抗力取值分析成果表

注： 表中襯砌混凝土強(qiáng)度等級為C25。

3.1 裂縫產(chǎn)生的原因分析

由于實(shí)際最大裂縫寬度超過0.3 mm，超過了設(shè)計(jì)限值(0.25 mm)及規(guī)范允許值(正常運(yùn)行2次不大于0.25 mm，檢修工況不大于0.3 mm)，故排除了因設(shè)計(jì)缺陷因素引起隧洞襯砌裂縫寬度超標(biāo)的可能性。

查閱竣工資料可知:所有進(jìn)場的水泥、鋼筋均有出廠合格證, 抽樣試驗(yàn)亦完全合格;砂子和碎石骨料品質(zhì)也達(dá)到了規(guī)范要求;施工過程中混凝土取樣試驗(yàn)合格。因此，亦排除了因混凝土強(qiáng)度不足引起裂縫超標(biāo)的可能性。

隧洞襯砌段兩側(cè)和下半部的多數(shù)裂縫有溶蝕(白、黃)漿液析出, 而洞頂卻少有, 這很有可能是由于回填或固結(jié)灌漿未做好、襯砌與圍巖間有空隙、圍巖的單位彈抗系數(shù)達(dá)不到設(shè)計(jì)值、不能產(chǎn)生有效的巖石抗力而被拉裂形成裂縫。襯砌開裂后, 內(nèi)水壓力水流向襯砌外的空隙擠壓裂縫, 使裂縫寬度加大，從而導(dǎo)致出現(xiàn)局部裂縫超過標(biāo)準(zhǔn)值的情況。

3.2 所采取的處理措施

表3 不同混凝土強(qiáng)度等級取值分析成果表

注： 表中圍巖單位彈抗系數(shù)和山巖壓力系數(shù)取值同表1。

據(jù)裂縫成因分析并經(jīng)參建各方會議討論后，設(shè)計(jì)單位提出了處理方案：(1)裂縫處理：對于縫隙<0.1 mm的裂縫，進(jìn)行表面封閉處理，縫面采用水泥基滲透結(jié)晶材料防滲涂刷；對于縫隙≥0.1 mm的裂縫，采取化學(xué)灌漿處理，化學(xué)灌漿材料采用LPL高滲透改性環(huán)氧漿材。(2)灌漿處理：對混凝土襯砌頂拱120°范圍內(nèi)重新掃孔，進(jìn)行回填補(bǔ)灌。對樁號Y4+800～Y6+900襯砌段全部采用固結(jié)灌漿處理，固結(jié)灌漿孔孔深5 m，灌漿壓力為0.5 MPa，對隧洞樁號Y6+200～Y6+340以及樁號Y6+500～Y6+630段實(shí)施加強(qiáng)灌漿，固結(jié)灌漿孔孔深10 m，分三段按壓力0.5 MPa、0.8 MPa、1.5 MPa灌注。灌漿效果采用壓水實(shí)驗(yàn)單點(diǎn)法檢查，對檢查不合格的裂縫進(jìn)行補(bǔ)灌，直到其滿足要求后方可封孔。

4 結(jié) 語

(1)水電工程引水隧洞襯砌段按限裂設(shè)計(jì)。由于灌漿未做好、襯砌與圍巖間有空隙或空洞, 從而使襯砌與圍巖沒有形成整體, 不能產(chǎn)生有效的巖石抗力, 改變了設(shè)計(jì)襯砌受力條件、不能限制裂縫的發(fā)展而導(dǎo)致裂縫寬度超規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值。

(2)影響引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)安全的主要因素有混凝土強(qiáng)度等級、圍巖完整性以及圍巖與混凝土是否緊密結(jié)合、混凝土強(qiáng)度等級或圍巖單位彈抗系數(shù)達(dá)不到設(shè)計(jì)值均容易造成裂縫寬度超過規(guī)范要求。灌漿施工質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響到隧洞的安全運(yùn)行。

(3)工程實(shí)施時(shí)，采用以灌漿為主，裂縫處理為輔的處理方式，加固了圍巖，使襯砌與圍巖形成整體,產(chǎn)生了有效的巖石抗力, 有利于襯砌結(jié)構(gòu)受力。處理完后的隧洞充水運(yùn)行至今已達(dá)4年多，無異常，表明裂縫成因分析合理、裂縫處理方式可行。

[1] SL279——2016，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 祝遠(yuǎn)波, 馮振西. 和平水電站引水隧洞襯砌裂縫原因分析及修復(fù)設(shè)計(jì)[J]. 廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2003, 1(4):52-54.

[3] 胡忠瑞. 隧道襯砌裂縫成因分析及處理措施[J]. 建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì), 2014，2(10):230-230.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-10-10

TV7;TV554;TV544

B

1001-2184(2017)02-0083-03

游志純(1978-)，女，江西南城人，高級工程師，工程碩士，從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；

劉 婷(1968-)，女，湖南攸縣人，教授級高級工程師，學(xué)士，從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；

翟曉斌(1980-)，男，河南鞏義人，高級工程師，學(xué)士，從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作.