安徽省小型土石壩輸水洞主要病害及加固措施★

龐牧華 李瑞忠 梁 建

(1.安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230088； 2.山東電力建設(shè)第三工程有限公司，山東 青島 266100)

1 概述

安徽省位于長(zhǎng)江下游、淮河中游及新安江上游，長(zhǎng)江、淮河橫穿省境南部和北部，天然的將全省分為江南、江淮之間和淮北三大區(qū)域。截至目前安徽省在冊(cè)水庫(kù)共計(jì)5 916座，其中江南區(qū)水庫(kù)多為山區(qū)水庫(kù)，江淮之間水庫(kù)多集中在沿江丘陵地區(qū)及江淮分水嶺，淮北地區(qū)水庫(kù)則以平原水庫(kù)為主。這些水庫(kù)多興建于20世紀(jì)50年代～70年代，水庫(kù)的投入運(yùn)行，充分發(fā)揮了防洪和興利效益。三大區(qū)域間水庫(kù)差異較大，同一區(qū)域內(nèi)的水庫(kù)又存在較大共性。受水庫(kù)建設(shè)年代條件限制，多數(shù)工程防洪標(biāo)準(zhǔn)低、質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、后期管理不善等因素，成為病險(xiǎn)水庫(kù)。輸水洞是水利樞紐工程中的重要建筑物之一，其安全性直接關(guān)系到大壩乃至整個(gè)樞紐的安危[1]。

在工程質(zhì)量問(wèn)題中，輸水洞的質(zhì)量差，占了很大的比重[2]，加固前輸水洞大都存在不同程度的老化和病害問(wèn)題，如裂縫、止水老化失效、洞身滲水、洞身混凝土碳化、鋼筋外露銹蝕、空蝕、閘門(mén)銹蝕變形及啟閉設(shè)備老化等。輸水洞的這些病害不僅對(duì)工程正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，危害結(jié)構(gòu)本身安全，對(duì)下游人民的生命財(cái)產(chǎn)也造成巨大威脅。

文章根據(jù)水庫(kù)規(guī)模、類(lèi)型、區(qū)域，選取安徽省76座不同區(qū)域內(nèi)小型水庫(kù)輸水洞為研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)輸水洞病害及相應(yīng)加固措施。將選取的水庫(kù)樣本按照所屬區(qū)域，分為江南區(qū)水庫(kù)、江淮之間水庫(kù)和淮北地區(qū)水庫(kù)三大區(qū)域，統(tǒng)計(jì)各區(qū)域水庫(kù)輸水洞病害問(wèn)題，總結(jié)規(guī)律，旨在為小型水庫(kù)輸水洞除險(xiǎn)加固中選取科學(xué)合理的加固措施提供幫助。

2 主要病害統(tǒng)計(jì)分析

2.1 主要病害統(tǒng)計(jì)及成果

樣本中輸水洞的病害問(wèn)題主要有接觸滲漏、結(jié)構(gòu)老化損毀、圬工結(jié)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)失效等，如圖1所示。

由圖1可知，江南區(qū)小型水庫(kù)輸水洞病害中接觸滲漏占比56.3%，江淮之間的小型水庫(kù)輸水洞病害中接觸滲漏占比67.57%，這與筑壩材料及施工質(zhì)量有很大關(guān)系，山區(qū)水庫(kù)及沿江丘陵區(qū)水庫(kù)受地理?xiàng)l件限制，黏性土儲(chǔ)量少，筑壩土料黏粒含量少，大多數(shù)水庫(kù)在“邊勘測(cè)、邊設(shè)計(jì)、邊施工”情況下興建，施工質(zhì)量難以保證，因而這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)輸水洞常出現(xiàn)接觸滲漏現(xiàn)象。抽查樣本顯示，淮北區(qū)域輸水洞病害問(wèn)題中圬工結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)老化損毀占比100%，接觸滲漏占比83.3%，淮北平原區(qū)黏性土儲(chǔ)量多，但由于輸水洞為圬工結(jié)構(gòu)，多年運(yùn)行后均出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的老化損毀，水流經(jīng)損毀的洞身進(jìn)入壩體加速了接觸滲漏的形成，這也是淮北地區(qū)土石壩雖然黏性土含量較高但接觸滲漏占比仍高于其他兩個(gè)區(qū)域的原因所在。

2.2 主要病害原因分析

1)接觸滲漏。輸水洞漏水多數(shù)是因?yàn)榱芽p造成，如施工質(zhì)量不好，防滲處理不當(dāng)，或使用的材料差等原因使洞身有空隙孔洞[1]。根據(jù)抽查樣本顯示，輸水洞常見(jiàn)裂縫為環(huán)向裂縫，這種裂縫又分全環(huán)裂縫和局部環(huán)向裂縫。此類(lèi)裂縫的產(chǎn)生與施工質(zhì)量密切相關(guān)，施工中混凝土養(yǎng)護(hù)不當(dāng)、伸縮縫設(shè)置間距大等原因，導(dǎo)致混凝土體、新老混凝土連接處或混凝土與砌體連接處形成溫度裂縫。輸水洞正常運(yùn)行中，閘門(mén)部分開(kāi)啟時(shí)，受水流影響產(chǎn)生較大振動(dòng)，輸水洞進(jìn)口附近洞身也會(huì)產(chǎn)生裂縫。另外，洞身縱向裂縫也存在于部分輸水洞中，該種裂縫的形成與后期運(yùn)行管理不當(dāng)，洞身上部荷載超過(guò)設(shè)計(jì)值有關(guān)。

輸水洞長(zhǎng)期超載運(yùn)行或者洞身強(qiáng)度不足，洞身周?chē)馏w回填質(zhì)量控制不好，回填土料差，黏粒含量低，壓實(shí)度不足等因素，致使水庫(kù)在高水位運(yùn)行過(guò)程中，水流在壓力作用下沿輸水洞外壁四周滲入壩體，形成滲漏通道[3]。

2)結(jié)構(gòu)老化損毀。我省小型水庫(kù)多興建于20世紀(jì)，經(jīng)數(shù)十年運(yùn)行，輸水洞身混凝土老化、碳化現(xiàn)象嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，運(yùn)行中水流沖刷更加劇結(jié)構(gòu)老化損毀程度。調(diào)查樣本顯示，省內(nèi)水庫(kù)輸水洞多建于壩基或直接位于壩身填土上，受當(dāng)時(shí)條件限制，輸水洞基礎(chǔ)多數(shù)未處理，洞身無(wú)基座，且沿洞身軸線壩體荷載不一，決定洞身結(jié)構(gòu)受力的不均勻，洞身極易產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致斷裂，破壞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3)圬工結(jié)構(gòu)。省內(nèi)不少水庫(kù)輸水洞為圬工結(jié)構(gòu)，有些輸水洞因砌體接縫不密實(shí)、砂漿強(qiáng)度低，經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行，產(chǎn)生風(fēng)化剝落、碳化、氣蝕等問(wèn)題，破壞結(jié)構(gòu)整體性，降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。輸水時(shí)水流沿砌體接縫滲漏，侵蝕砌縫砂漿，破壞原圬工結(jié)構(gòu)。

4)金屬結(jié)構(gòu)失效。水利工程建設(shè)中金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量方面存在的問(wèn)題多種多樣，主要表現(xiàn)在安全性、耐久性、功能性、基本品質(zhì)、適用性等方面[4]。我省小型水庫(kù)輸水洞根據(jù)啟閉形式不同可分為塔式放水涵、斜拉桿放水涵、斜臥涵和虹吸式等，輸水洞閘門(mén)常采用鑄鐵閘門(mén)型式，配備螺桿式啟閉機(jī)。根據(jù)本次抽查樣本顯示，閘門(mén)門(mén)體變位，滾輪銹蝕卡阻，門(mén)體漏水，螺桿變形，啟閉設(shè)備操作困難等現(xiàn)象較為常見(jiàn)，這與門(mén)體安裝質(zhì)量、運(yùn)行期操作不當(dāng)及后期養(yǎng)護(hù)管理不到位等原因有關(guān)。

3 加固措施

在對(duì)本次抽取樣本加固措施調(diào)研的基礎(chǔ)上，作者總結(jié)出省內(nèi)輸水洞的病害除險(xiǎn)加固措施主要有涵洞封堵、拆除重建、新建輸水隧洞、涵洞套管等，如圖2所示。

由圖2可知，安徽省內(nèi)江南區(qū)域封堵原病險(xiǎn)涵洞措施占比43.8%，其次為拆除重建和新建輸水隧洞，占比均為31.3%，該區(qū)域涵洞套管也是常用處理措施，占比15.5%，江南區(qū)山區(qū)水庫(kù)壩體高，壩長(zhǎng)短，對(duì)埋深淺的輸水洞可采用拆除重建措施，埋置較深的輸水洞常采用封堵涵洞并結(jié)合新建輸水隧洞的措施，有些水庫(kù)為縮短工期也常選擇涵洞套管措施。江淮之間拆除重建措施占比89.2%，涵洞封堵占比16.2%，新建輸水隧洞占比5.4%，涵洞套管占比2.7%，江淮之間沿江丘陵區(qū)水庫(kù)壩體較長(zhǎng)，輸水洞埋深較淺，因而較多采用拆除重建措施，對(duì)不易拆除的輸水洞采用封堵涵洞措施，有時(shí)也結(jié)合采用新建輸水隧洞措施，涵洞套管措施雖然在江淮之間水庫(kù)運(yùn)用占比不高，但其工期短的特點(diǎn)在一些輸水洞病害應(yīng)急處理中常被采用。淮北地區(qū)多為平原水庫(kù)，拆除重建措施占比100%，這與壩體不高，輸水洞埋深淺，壩體黏性土含量高，可采用較小開(kāi)挖斷面有關(guān)。

3.1 涵洞封堵

調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，省內(nèi)山區(qū)水庫(kù)由于大壩高，壩長(zhǎng)短，涵洞埋深大，采用拆除重建措施時(shí)造成的開(kāi)挖斷面較大，為滿(mǎn)足穩(wěn)定開(kāi)挖邊坡坡比要求，需破壞較長(zhǎng)壩段，因而在具體加固工程實(shí)施時(shí)不采用開(kāi)挖方式，多數(shù)采取涵洞封堵的方式。

涵洞封堵可在進(jìn)口或者出口段進(jìn)行局部開(kāi)挖，澆筑混凝土堵頭或者采用毛石混凝土堵頭，并結(jié)合采用涵身周?chē)靥罟酀{方法；對(duì)于可進(jìn)人涵洞，也采用洞內(nèi)澆筑混凝土堵頭并采用接觸灌漿方式封堵。

涵洞封堵方式有澆筑工程量小、投資少、不涉及較大斷面開(kāi)挖等優(yōu)點(diǎn)，常用于輸水洞埋管較深，拆除重建開(kāi)挖回填工程量極大的情況。進(jìn)出口段澆筑堵頭方法需在大壩壩坡造孔對(duì)涵洞進(jìn)行回填灌漿，這要求對(duì)涵洞位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位，否則回填灌漿很難達(dá)到預(yù)期效果[5]。洞內(nèi)封堵則對(duì)接觸灌漿質(zhì)量要求較高，施工前需進(jìn)行試驗(yàn)，采用合理的施工工藝，對(duì)圬工結(jié)構(gòu)洞身施工前還需對(duì)原洞身進(jìn)行加固。

3.2 拆除重建

江淮之間及淮北地區(qū)輸水洞埋深較淺，拆除重建時(shí)開(kāi)挖斷面較小，因此該區(qū)域輸水洞除險(xiǎn)加固時(shí)廣泛采用拆除重建的措施。具體實(shí)施時(shí)根據(jù)輸水洞病害情況，可采用局部拆除重建和整體拆除重建的方式。

拆除重建輸水洞有著處理較為徹底，施工難度小，施工工藝簡(jiǎn)單，可根據(jù)運(yùn)行管理要求選用不同的建筑形式及涵身尺寸等優(yōu)點(diǎn)，多用于壩高較低水庫(kù)。整體拆除重建輸水洞的除險(xiǎn)加固措施，回填時(shí)應(yīng)采用黏粒含量較高土體并控制回填土的壓實(shí)度，防止后期運(yùn)行中出現(xiàn)滲漏通道；局部拆除重建輸水洞的除險(xiǎn)加固措施，設(shè)計(jì)施工時(shí)新老建筑物接觸位置的銜接處理尤為重要，如處理不當(dāng)極易造成縫隙存在，提供滲漏通道，影響大壩安全。由于壩體形狀決定輸水洞洞身受力不均勻，采用拆除重建措施時(shí)洞身基礎(chǔ)及自身強(qiáng)度應(yīng)有足夠的可靠度。

3.3 新建輸水隧洞

新建輸水隧洞的除險(xiǎn)加固措施在江南區(qū)域運(yùn)用較為常見(jiàn)，江淮之間也有一定的比例。該除險(xiǎn)加固措施一般結(jié)合涵洞封堵措施使用，為水庫(kù)樞紐提供新的放水通道，保證灌溉及水庫(kù)防洪需求。

對(duì)于壩內(nèi)涵管滲漏嚴(yán)重、有條件打隧洞的水庫(kù)應(yīng)優(yōu)先采用打放水隧洞替代原壩內(nèi)輸水洞涵管方案，封堵原壩內(nèi)涵管[6]。江南區(qū)域及江淮之間的山區(qū)水庫(kù)，大壩高，壩長(zhǎng)短，不適宜拆除重建現(xiàn)有輸水洞，也不適合在壩體新建輸水洞，另選新址建設(shè)輸水隧洞就成為最有效的除險(xiǎn)加固措施。新建輸水隧洞有一定的施工難度，施工過(guò)程中可能遇到涌水、涌泥、坍塌等情況，因此施工中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)尤為重要。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，可大大提高設(shè)計(jì)、施工人員對(duì)圍巖狀態(tài)、特性的判定，超前謀劃科學(xué)的開(kāi)挖方式及合理有效的支護(hù)方案[7]。

3.4 涵洞套管

調(diào)查研究結(jié)果顯示，涵洞套管措施在江南區(qū)域和江淮之間水庫(kù)中有一定占比，淮北地區(qū)則很少使用。涵洞套管措施多采用在原輸水洞內(nèi)套PE管的方法，這種措施施工技術(shù)簡(jiǎn)單，不需開(kāi)挖土石方，極大縮短工期，同時(shí)可充分利用原輸水洞洞身支撐作用，涵洞內(nèi)套管所受外力較小，減少工程投資。

PE管物理性能優(yōu)良：柔性好，耐扭曲，抗強(qiáng)震。耐磨損，耐沖擊，耐低溫性能好等；化學(xué)穩(wěn)定性好，耐各種酸、堿、鹽腐蝕；管材結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，內(nèi)壁平滑，摩阻低，過(guò)流量大，連接方便，接頭密封性好，無(wú)滲漏，無(wú)毒無(wú)污染，重量輕，施工快捷，使用壽命長(zhǎng)[8]。

涵洞套管施工中對(duì)原洞身涵管與新套管之間空隙處理技術(shù)要求高，一般采用充填灌漿工藝，常用孔口封閉式循環(huán)灌漿法灌注水泥砂漿。灌漿壓力選用及水泥砂漿配合比應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，灌漿后應(yīng)檢查灌漿質(zhì)量，判別灌漿密實(shí)程度，對(duì)于脫空較大部位還需重新開(kāi)孔補(bǔ)灌，以保證新舊管道充分粘合，提高整體性。

4 結(jié)語(yǔ)

輸水洞是水庫(kù)樞紐三大建筑物之一，輸水洞的正常運(yùn)行對(duì)水庫(kù)充分發(fā)揮灌溉、防洪效益起到至關(guān)重要的作用，其安全問(wèn)題也不容忽視。通過(guò)對(duì)近年來(lái)我省小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固中輸水洞病害形式及除險(xiǎn)加固措施的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)江南區(qū)域及江淮之間小型水庫(kù)輸水洞主要病害為接觸滲漏，淮北地區(qū)則以圬工結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)老化損毀居多。受區(qū)域條件影響，輸水洞除險(xiǎn)加固采用的措施也不盡相同，江南區(qū)域常見(jiàn)措施為涵洞封堵，江淮之間及淮北地區(qū)則以拆除重建措施為主。在新一輪的小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固中，可根據(jù)所屬區(qū)域深入分析輸水洞相應(yīng)的病害情況，選取最為科學(xué)合理的加固措施。