土石壩穿壩涵管險(xiǎn)情分析及加固技術(shù)綜述

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.水利部大壩安全管理中心，江蘇 南京 210029)

穿壩涵管是我國(guó)土石壩建設(shè)中采用最多的一種輸水建筑物，可用于灌溉、供水、發(fā)電、泄洪、放空水庫(kù)及施工導(dǎo)流等，具有施工方便、工期短和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)[1]。由于涵管貫穿土石壩壩體，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，將直接危及大壩安全。我國(guó)90%以上水庫(kù)大壩為土石壩，大多始建于20世紀(jì)50—70年代，很多土石壩建造時(shí)工程質(zhì)量差，再加上后期管理不善，水庫(kù)經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，由于壩體的不均勻沉降或者涵管自身強(qiáng)度不足或者外力的破壞作用，導(dǎo)致穿壩涵管出現(xiàn)不同程度的病險(xiǎn)問(wèn)題，嚴(yán)重威脅土石壩安全。在歷次潰壩事故的統(tǒng)計(jì)中，因穿壩涵管問(wèn)題導(dǎo)致的潰壩數(shù)量，無(wú)論是在潰壩總數(shù)中還是在質(zhì)量原因引起的潰壩事故中都占有較大比重，可見(jiàn)穿壩涵管對(duì)土石壩安全的影響不容忽視。

本文首先介紹穿壩涵管的結(jié)構(gòu)型式，然后總結(jié)穿壩涵管險(xiǎn)情種類，分析各險(xiǎn)情的產(chǎn)生原因，并對(duì)穿壩涵管加固技術(shù)進(jìn)行概述和總結(jié)。

1 穿壩涵管結(jié)構(gòu)型式

1.1 按涵管斷面形狀分類

穿壩涵管結(jié)構(gòu)型式按涵管斷面形狀，可分為圓形、箱形(方形、矩形)、拱形(城門洞形)、馬蹄形、橢圓形和蛋形等。國(guó)內(nèi)外部分水庫(kù)穿壩涵管斷面形狀統(tǒng)計(jì)見(jiàn)下表[2]，可以看出無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，斷面為圓形的涵管所占比例最多，約占1/2。

國(guó)內(nèi)外部分水庫(kù)涵管斷面形狀統(tǒng)計(jì)表

1.2 按管身材料分類

穿壩涵管按管身材料，可分為混凝土、鋼筋混凝土、漿砌塊石、漿砌條石、砌磚、陶瓦管、木管、竹管、鑄鐵管、鋼管、螺紋金屬管(CMP)、鋁管、塑料管和PVC管等。

在表1中，國(guó)外23例涵管中有10例為鋼筋混凝土涵管，5例為螺紋金屬管(CMP)；國(guó)內(nèi)33例涵管中，至少14例為鋼筋混凝土涵管，5例為砌石涵管。由此可見(jiàn)，國(guó)外穿壩涵管多采用鋼筋混凝土及螺紋金屬材料，國(guó)內(nèi)采用鋼筋混凝土及砌石材料較多。

1.3 其他分類

穿壩涵管還可按洞內(nèi)水流形態(tài)，分為無(wú)壓涵管和有壓涵管，有壓涵管多采用圓形混凝土管，承受更大的內(nèi)水壓力時(shí)，可采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管；另外，按控制水流位置，可分為壩前控制和壩后控制型式。

2 穿壩涵管險(xiǎn)情分析

2.1 病險(xiǎn)種類

國(guó)外自20世紀(jì)80年代起，以美國(guó)為主的組織機(jī)構(gòu)和學(xué)者就已經(jīng)開(kāi)展了穿壩涵管病害問(wèn)題研究。1988年，美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)(USACE)調(diào)查顯示，壩內(nèi)混凝土管道最常見(jiàn)的病害是管道裂縫和接縫處漏水[5]；在美國(guó)乃至世界范圍內(nèi)，成千上萬(wàn)座土石壩穿壩涵管采用了螺紋金屬管(CMP)，此類涵管普遍存在金屬腐蝕問(wèn)題；1989年，Koelliker和Lin[6]對(duì)美國(guó)中西部流域50座土石壩內(nèi)CMP涵管進(jìn)行了調(diào)查分析，認(rèn)為滲漏和涵管接縫處的腐蝕是影響涵管使用壽命的主要因素；1999年，Evans和James[7]對(duì)美國(guó)14個(gè)州進(jìn)行了調(diào)研，調(diào)研成果表明共有1115座土石壩穿壩涵管存在管涌問(wèn)題，其中53%為CMP，23%為鋼管，20%為混凝土管；2005年，聯(lián)邦應(yīng)急管理局(FEMA)編寫了《土石壩穿壩涵管工程技術(shù)手冊(cè)》，將穿壩涵管的主要病害歸納為自身劣化、裂縫和接縫脫節(jié)等。

在國(guó)內(nèi)，大批土石壩涵管隨著服役年限的增長(zhǎng)，都出現(xiàn)了不同程度的病險(xiǎn)問(wèn)題，其對(duì)土石壩安全的影響也越來(lái)越受到關(guān)注，很多省區(qū)也對(duì)穿壩涵管病險(xiǎn)問(wèn)題進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計(jì)。20世紀(jì)80年代，山東省調(diào)查了35座大中型水庫(kù)輸水涵管，其中20%以上的水庫(kù)輸水涵管存在裂縫；浙江省多數(shù)水庫(kù)建于20世紀(jì)50—60年代，工程存在標(biāo)準(zhǔn)低、質(zhì)量差等先天不足，加之管理不到位，水庫(kù)放水涵管普遍存在伸縮縫止水片損壞、止水瀝青老化、管身斷裂、漏水等現(xiàn)象；江西省曾調(diào)查了181座土石壩內(nèi)輸水管，95%的水庫(kù)輸水管出現(xiàn)了斷裂和漏水；廣西壯族自治區(qū)曾調(diào)查了4326座水庫(kù)，穿壩涵管存在裂縫、嚴(yán)重漏水的有1298座，占全區(qū)水庫(kù)總數(shù)的30%；2008—2015年，山東省對(duì)5316座病險(xiǎn)水庫(kù)進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，病險(xiǎn)水庫(kù)中80%的水庫(kù)涵管存在坍塌、破裂、移位、裂縫、滲透破壞；2015—2016年，湖南省對(duì)751座小型病險(xiǎn)水庫(kù)壩下涵管進(jìn)行了檢查，其中65%的水庫(kù)壩下涵管存在堵塞現(xiàn)象，22%的水庫(kù)壩下涵管存在滲漏問(wèn)題，僅有13%的水庫(kù)大壩涵管可繼續(xù)使用[3]；湖南省湘西自治州的水庫(kù)中85%以上為土石壩，自2000年以來(lái)，湘西州對(duì)161座水庫(kù)的穿壩涵管進(jìn)行了處理，這些水庫(kù)穿壩涵管主要安全隱患有管身斷裂、堵塞、漏水等；廣東省博羅縣有40多座小型水庫(kù)的輸水涵洞采用條石涵、磚石方涵或其他涵管，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，普遍存在涵管老化和漏水現(xiàn)象。

穿壩涵管病險(xiǎn)問(wèn)題除以上案例中出現(xiàn)的裂縫、滲漏、堵塞和止水損壞外，還包括涵管與壩體接觸部位填土不實(shí)或存在脫空縫隙等。另外空蝕也會(huì)影響穿壩涵管的安全，如管內(nèi)壁長(zhǎng)期經(jīng)受空蝕，材料會(huì)因疲勞而脫落，使管壁出現(xiàn)小凹坑，進(jìn)而發(fā)展成海綿狀破壞，空蝕嚴(yán)重時(shí)，甚至可形成大片的凹坑。

根據(jù)以上國(guó)內(nèi)外對(duì)穿壩涵管病險(xiǎn)問(wèn)題的統(tǒng)計(jì)與研究，可知穿壩涵管主要的病害險(xiǎn)情有裂縫(斷裂)、滲漏、堵塞、空蝕等，其中裂縫和滲漏現(xiàn)象最為普遍。

2.2 險(xiǎn)情成因

a.裂縫。涵管裂縫(斷裂)會(huì)破壞涵管結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生漏水，引起土壩滲透破壞。涵管產(chǎn)生裂縫(斷裂)的原因有：?涵管一般管線較長(zhǎng)，若基礎(chǔ)存在不均勻沉降，則導(dǎo)致管身裂縫(斷裂)；?土石壩斷面為梯形，造成涵管各部位埋深不同，引起管身所受荷載不均;?管壁厚度不足或配筋不夠?qū)е潞茏陨斫Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，引起管身裂縫(斷裂)；?由于管理運(yùn)用不當(dāng)，無(wú)壓涵管汛期有壓運(yùn)行，造成管身斷裂破壞；?涵管未設(shè)沉降、伸縮縫，或結(jié)構(gòu)縫間距過(guò)大，溫度變化導(dǎo)致涵管產(chǎn)生裂縫。

b.滲漏。一類為垂直于洞壁方向：外水內(nèi)滲，水流由壩體通過(guò)涵管的裂縫、接頭處進(jìn)入管內(nèi)；內(nèi)水外滲，當(dāng)涵管有壓運(yùn)行時(shí)，若涵管出現(xiàn)裂隙，水流將從管內(nèi)向管外滲透。這類滲漏多是由于涵管存在裂縫、伸縮縫止水老化、接頭處理不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致。另一類為沿洞壁方向：滲流沿著涵管與壩體接觸，嚴(yán)重時(shí)形成接觸沖刷，導(dǎo)致滲透破壞。這類滲漏多由涵管周圍土體夯壓不實(shí)、管壁與填土結(jié)合不緊密導(dǎo)致；另外，未設(shè)置截水環(huán)或截水環(huán)損壞，導(dǎo)致滲徑縮短，也使管外壁和土體間易產(chǎn)生接觸滲漏。

c.堵塞。涵管堵塞主要發(fā)生在斷面尺寸小、強(qiáng)度低的小型水庫(kù)輸水涵管。設(shè)計(jì)未考慮運(yùn)行管理上的需要，只考慮滿足灌溉流量的要求，因此，涵管斷面尺寸一般只有0.2～0.4m，常被塊石、樹(shù)枝、淤泥及其他雜物堵塞；有些涵管由于結(jié)構(gòu)承載能力低而被外力壓破堵塞。

d.空蝕?？瘴g形成的原因多是涵管進(jìn)口形狀設(shè)計(jì)不當(dāng)、運(yùn)行時(shí)無(wú)壓變有壓等，導(dǎo)致管內(nèi)水流流態(tài)不順及多變，水流在與管內(nèi)壁接觸處的壓力低于它的蒸汽壓力時(shí)形成氣泡，或溶解在水流中的氣體析出形成氣泡，當(dāng)氣泡受壓力變化潰滅時(shí)產(chǎn)生極大的沖擊力，使材料產(chǎn)生疲勞而脫落。

3 穿壩涵管加固技術(shù)

人們?cè)陉P(guān)注穿壩涵管病害險(xiǎn)情及其成因的同時(shí)，更加注重涵管除險(xiǎn)加固措施的研究，并在實(shí)際工程中加以應(yīng)用。

目前在實(shí)際工程的穿壩涵管加固中，采用的加固技術(shù)和方案主要分為四種：貼補(bǔ)和灌漿加固、壩體開(kāi)挖原址重建涵管、封堵原管另建新管(或隧洞)、壩體非開(kāi)挖內(nèi)襯套管。

3.1 貼補(bǔ)和灌漿加固

對(duì)于管道表面的裂縫和接縫漏水、麻面及表層混凝土碳化脫落、鋼筋外露銹蝕等病險(xiǎn)問(wèn)題，多采用抹環(huán)氧砂漿、貼敷環(huán)氧玻璃鋼等方法進(jìn)行加固。這種方法能使裂縫閉合，防止?jié)B漏，提高強(qiáng)度，適合斷面較大、管身結(jié)構(gòu)質(zhì)量尚可、人員可進(jìn)入施工的涵管。對(duì)于涵管空蝕的處理，可用環(huán)氧樹(shù)脂基液和環(huán)氧樹(shù)脂砂漿補(bǔ)平，也可采用丙乳砂漿進(jìn)行修補(bǔ)。

近年來(lái)碳纖維布在涵管的加固中也得到了應(yīng)用，碳纖維布是一種柔性較好的高強(qiáng)抗拉材料，極限抗拉強(qiáng)度達(dá)3790～4825MPa，彈性模量達(dá)220～235GPa，延伸率大于1.4%。對(duì)于承受內(nèi)水壓力且抗裂性能不滿足要求，管身存在裂縫、空蝕等問(wèn)題的涵管，在管壁粘貼1～3層高強(qiáng)碳纖維布內(nèi)襯，可以達(dá)到增強(qiáng)涵管結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和防滲的目的。

在對(duì)管身進(jìn)行加固的同時(shí)，為使涵管與壩體接合緊密，解決沿管壁接觸滲漏問(wèn)題，確保大壩安全，可采用充填灌漿處理涵管外周邊的空隙。灌漿孔位間距一般為1～1.5m，孔深至涵底以下1m，灌漿壓力不大于0.05MPa，以免劈裂壩體形成新的缺陷；每孔復(fù)灌3次以上，每次復(fù)灌間歇時(shí)間不少于5天，以確保灌漿效果。對(duì)沿管壁接觸滲漏問(wèn)題，也可采用高壓噴射灌漿進(jìn)行截水處理，高壓噴射有定噴、擺噴、旋噴等形式。除灌漿外，還可在涵管外側(cè)增設(shè)截水環(huán)。

貼補(bǔ)和灌漿加固對(duì)結(jié)構(gòu)沒(méi)有大問(wèn)題的舊涵管收效較好，但對(duì)于出現(xiàn)較大破壞險(xiǎn)情(斷裂、移位和嚴(yán)重滲漏)的涵管采用這類措施往往不能從根本上解決問(wèn)題。

3.2 壩體開(kāi)挖原址重建涵管

當(dāng)涵管結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，特別對(duì)于那些強(qiáng)度低的木、瓦、磚、素混凝土、鋼絲網(wǎng)薄殼等結(jié)構(gòu)涵管，進(jìn)行局部修補(bǔ)灌漿，已不能使其達(dá)到正常使用要求時(shí)，一般只能廢除新建。另外，對(duì)于無(wú)法進(jìn)人作業(yè)的堵塞涵管，根據(jù)堵塞體在涵管內(nèi)位置的不同，當(dāng)采取在涵管出口和潛水員在進(jìn)口捅擊堵塞體等辦法無(wú)法疏通時(shí)，也只能廢除新建。

破壩開(kāi)挖土體又稱明挖法，在原涵管處按梯形斷面開(kāi)挖壩體，開(kāi)挖底寬為2～3m，開(kāi)挖過(guò)程中需及時(shí)做好邊坡的防護(hù)措施。拆除原涵管后，在開(kāi)挖基礎(chǔ)上澆筑水泥砂漿墊層。新建涵管應(yīng)考慮運(yùn)行管理要求，斷面尺寸不宜過(guò)小，以方便日后檢查維護(hù)和加固施工。

壩體開(kāi)挖重建涵管在小型工程和低壩中采用較多，對(duì)于涵管埋設(shè)較深、壩高較高的工程，考慮到導(dǎo)流和度汛風(fēng)險(xiǎn)，涵管斷面壩高超過(guò)10m時(shí)應(yīng)慎重選擇該方法。壩體開(kāi)挖原址重建涵管可徹底解決原涵管存在的安全隱患，但該方法不僅工程量大、造價(jià)高，同時(shí)破壞壩體結(jié)構(gòu)，且原壩體與新填筑壩體的結(jié)合質(zhì)量難以保證，涵管處以及涵管接頭部位的土體亦難以夯實(shí)，易留下安全隱患。

3.3 封堵原管另建新管

封堵原管另建新管，即首先將原病險(xiǎn)涵管封堵，然后在壩體其他位置興建涵管或在壩體以外的壩肩位置新建輸水隧洞。涵管封堵有混凝土堵塞法、平行灌漿法、逆向灌漿法、十字灌漿法等，封堵長(zhǎng)度以接近1/3涵管長(zhǎng)為宜。

對(duì)壩肩地質(zhì)條件較好、具備開(kāi)挖隧洞條件的，宜優(yōu)先考慮封堵原病險(xiǎn)涵管另建輸水隧洞方案，徹底消除穿壩涵管對(duì)土石壩安全的威脅。

對(duì)壩肩地質(zhì)條件差、不具備開(kāi)挖隧洞條件的水庫(kù)，可考慮拆除或者封堵存在病害的原涵管，在大壩合適部位重建輸水涵管，采用這種措施需要開(kāi)挖壩體，應(yīng)做好施工導(dǎo)流、圍堰等臨時(shí)工程措施。

封堵原管另建新管(隧洞)可徹底解決涵管病險(xiǎn)問(wèn)題，但這種處理方案投資大，有時(shí)還會(huì)受庫(kù)區(qū)兩岸地形地質(zhì)條件限制難以實(shí)施，此時(shí)可以采用虹吸管作為輸水設(shè)施代替壩內(nèi)涵管，如浙江、廣東、廣西、江西等省份先后推廣采用虹吸管，并取得了不錯(cuò)的運(yùn)行效果。虹吸管利用真空管大氣壓原理，通過(guò)虹吸作用將庫(kù)水吸入管內(nèi)，并通過(guò)控制閥出水。虹吸管具有操作簡(jiǎn)單、投資省、工期短、度汛風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是不易對(duì)大壩安全造成隱患，同時(shí)維護(hù)檢修方便。但虹吸管吸出高度往往有限，受大氣壓強(qiáng)、施工工藝、水頭損失、材料等因素影響，虹吸管的最大吸出高度為8m，超出此范圍則可能發(fā)生管道振動(dòng)、斷流等情況，不能保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，虹吸管不適宜中、高壩，一般只適用于壩高12m以下、放水流量小于0.5m3/s的水庫(kù)。

3.4 套管加固

當(dāng)涵管已嚴(yán)重破壞，管內(nèi)施工不便時(shí)，也可采用套管對(duì)病險(xiǎn)涵管進(jìn)行加固。套管施工完成后，應(yīng)在涵管進(jìn)口段開(kāi)挖重新回填黏土并夯實(shí)，同時(shí)在下游出口做好反濾。在投資、工期、施工、管理等方面，同其他涵管加固技術(shù)相比，套管施工更便捷，不用開(kāi)挖回填，施工期短、度汛風(fēng)險(xiǎn)小、造價(jià)低，同時(shí)可以利用原涵管，保留原進(jìn)水口的開(kāi)關(guān)設(shè)施。套管施工技術(shù)因上述優(yōu)勢(shì)，在穿壩涵管的加固中得到了廣泛應(yīng)用。

目前在實(shí)際工程的穿壩涵管除險(xiǎn)加固中，使用較多的套管有PE管、PVC管、玻璃管、鋼管等。如遼寧省大石橋市周家水庫(kù)，采用壩體非開(kāi)挖內(nèi)襯PE管的方式對(duì)壩下涵管進(jìn)行了加固，并在PE管與原涵管內(nèi)壁之間的空隙灌水泥砂漿，解決了內(nèi)水外滲的問(wèn)題[8]；PVC-U管因具有較高的強(qiáng)度和耐腐蝕性，被應(yīng)用于廣東省博羅縣多座小型水庫(kù)涵管除險(xiǎn)加固中，對(duì)于管徑800mm以下的涵管加固效益明顯[4]；湖南省平江縣211座小型水庫(kù)輸水設(shè)施主要采用涵臥管輸水，其中小(2)型水庫(kù)臥管除險(xiǎn)加固時(shí)全部采用φ300PVC管做內(nèi)模，現(xiàn)澆鋼筋混凝土；濟(jì)南市石店水庫(kù)在放水洞涵管的加固工程中，采用了涵管內(nèi)襯玻璃鋼管加固的方法，取得了不錯(cuò)的效果[9]；廣西柳江縣采用原涵管內(nèi)套鋼管的加固方法，對(duì)13座小型水庫(kù)放水涵管進(jìn)行了加固，并在新舊管之間及涵管外圍空隙充填灌漿，施工期短，投資較小[10]。

當(dāng)前還有一種較為新式的穿壩涵管加固方法，即承插管施工技術(shù)。所謂的承插管施工技術(shù)，就是指為了連接管道，把管道兩端制成承口與插口，把插口插入承口內(nèi)，然后密封接縫的管道或管系。承插管施工技術(shù)具有受外界影響小、施工便捷、造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

穿壩涵管作為水庫(kù)大壩的重要組成部分，其自身的安全問(wèn)題及其對(duì)土石壩安全的影響不容忽視，水庫(kù)運(yùn)行管理單位必須加強(qiáng)巡視檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行處理。

本文對(duì)土石壩穿壩涵管病害險(xiǎn)情進(jìn)行了總結(jié)分析，并概述了4種目前主要的涵管加固技術(shù)。從當(dāng)前的研究成果及實(shí)際加固工程可以看出，幾種加固技術(shù)和方案各有優(yōu)劣，應(yīng)結(jié)合涵管斷面尺寸、埋設(shè)深度、地質(zhì)條件等綜合選用。近年來(lái)，我國(guó)絕大部分病險(xiǎn)水庫(kù)穿壩涵管都實(shí)施了除險(xiǎn)加固，各種加固技術(shù)和方案也都取得了不錯(cuò)的效果，但部分工程由于各種原因，病險(xiǎn)涵管的處理未達(dá)預(yù)期效果，因穿壩涵管導(dǎo)致的大壩垮塌及潰決事故仍時(shí)有發(fā)生。因此，如何進(jìn)一步提高穿壩涵管加固效果，并減少因加固施工對(duì)大壩產(chǎn)生的二次危害，還需因地制宜，積極探索穿壩涵管加固改建的新技術(shù)、新方法。