涵洞除險(xiǎn)加固采用內(nèi)襯鋼管灌漿法的技術(shù)要點(diǎn)

孔建華，田俊佳

(云南創(chuàng)研勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650228)

0 引 言

小型水庫(kù)大多建于20世紀(jì)50—60年代，至21世紀(jì)初已使用40—50年，水庫(kù)建設(shè)時(shí)受制于技術(shù)條件、思想認(rèn)識(shí)等因素，樞紐工程存在諸多病險(xiǎn)、隱患較多，設(shè)施老化、功能退化，特別是輸水涵洞，普遍存在清基不徹底、洞身漏水、進(jìn)口淤積，閘門(mén)銹蝕、啟閉不靈、關(guān)閉不嚴(yán)、漏水，病害較多，不能正常使用，甚至危及壩體安全。從20世紀(jì)90年代初到現(xiàn)在，小型病險(xiǎn)水庫(kù)的除險(xiǎn)加固工作基本完成。

筆者主持或參與完成了十余座小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程，鑒于地形地質(zhì)條件不能夠新建輸水隧洞的，需進(jìn)行涵洞加固處理。昆明市的涵洞加固處理工程，大多采用洞身內(nèi)襯鋼管、新老洞身之間的空隙和老洞結(jié)構(gòu)壁外灌漿的方案(簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)襯鋼管灌漿方案)，如20世紀(jì)90年代竣工的自衛(wèi)村水庫(kù)加固工程，本世紀(jì)初竣工的沙井小河水庫(kù)、三角水庫(kù)加固擴(kuò)建工程，及后來(lái)陸續(xù)完工的白龍?zhí)端畮?kù)加固工程、格楂吃水箐加固工程等，最近的一個(gè)項(xiàng)目完工、投入使用8年，最長(zhǎng)的已使用20多年，運(yùn)行情況良好。

1 工程實(shí)例

1.1 官渡區(qū)某水庫(kù)輸水涵洞加固改造工程

官渡區(qū)某水庫(kù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)水庫(kù)1)始建于1958年，總庫(kù)容127.1 萬(wàn)m3，工程規(guī)模為小(一)型，壩高35 m，壩頂軸線(xiàn)長(zhǎng)約118 m，寬5.0 m。輸水工程初步設(shè)計(jì)階段做了3個(gè)方案，方案①：在順流右岸新建輸水隧洞，缺點(diǎn)：右岸山體破壞大，將來(lái)會(huì)存在漏水隱患；工程造價(jià)高；方案②：重建涵洞，洞身為φ內(nèi)800 mm預(yù)制混凝土管、外包C20鋼筋混凝土；缺點(diǎn)：開(kāi)挖壩體、對(duì)土壩造成很大破壞；工程量大、投資大；方案③：加固改造老涵洞，即內(nèi)襯鋼管灌漿方案。經(jīng)實(shí)地調(diào)查、測(cè)量，老輸水涵洞全長(zhǎng)124 m，洞身部分長(zhǎng)86 m，洞線(xiàn)短(比隧洞方案洞線(xiàn)短約30 m)，洞身呈直線(xiàn)布置，雖然管徑小(混凝土預(yù)制管φ內(nèi)400 mm)，但水庫(kù)1的主要功能是城鄉(xiāng)供水及水澆地灌溉，供水流量不大，如果能像自衛(wèi)村、三角水庫(kù)那樣采用內(nèi)襯鋼管(鋼管φ外300 mm)、充填灌漿的加固方案和措施，工程量小、投資省，且涵洞進(jìn)口加固改造工作量小、工期短，因而施工協(xié)調(diào)簡(jiǎn)單(4月底水庫(kù)放空、至6月底主汛期到來(lái)前便可完成)；洞身施工技術(shù)成熟(從涵洞出口向洞內(nèi)頂管)、結(jié)構(gòu)處理不復(fù)雜，可避免方案①建隧洞帶來(lái)的工程量大、投資多、工期長(zhǎng)，以及因開(kāi)挖隧道(爆破)而引起右岸山體新的滲漏、從而帶來(lái)的增加灌漿處理工程量的問(wèn)題。方案比選：3個(gè)方案均能徹底解決原輸水涵洞環(huán)向開(kāi)裂、漏水、洞壁結(jié)構(gòu)變形、凸凹不平、沖蝕、掏空、混凝土碳化的問(wèn)題，而方案③優(yōu)勢(shì)比較明顯：①工程投資省，僅為方案2的38.2 %；②無(wú)需破壩施工，對(duì)大壩的影響小，保證了大壩的完整性、利于壩體和壩基的防滲處理；③施工協(xié)調(diào)簡(jiǎn)單方便，施工時(shí)的導(dǎo)流措施不復(fù)雜；④施工技術(shù)成熟、安全性高。因此，選擇內(nèi)襯鋼管灌漿方案并在施工圖設(shè)計(jì)階段優(yōu)化了工程措施(進(jìn)口5 m、出口5 m挖除、改造，順直后靠山，地質(zhì)條件更好，基礎(chǔ)處理深度小)。

工程措施：在原涵管內(nèi)，頂入1根φ300 mm鋼管作內(nèi)襯；從壩坡、壩頂沿涵洞軸線(xiàn)打5個(gè)灌漿孔(打穿老涵洞洞頂)，灌注1：1水泥砂漿回填；老壩軸線(xiàn)前做3道截水環(huán)，布置12個(gè)帷幕灌漿孔，進(jìn)行防滲截流灌漿；壩軸線(xiàn)后布置4排各2個(gè)孔，對(duì)老涵洞壁外的孔洞進(jìn)行充填；總共布25個(gè)灌漿孔。

涵洞進(jìn)口已建的斜拉閘門(mén)維修后留做檢修閘，在出口新建1個(gè)350 mm凡爾閘作為工作閘，閘門(mén)后設(shè)置消力池與沙井大溝連接。建蓋鋼混結(jié)構(gòu)閘房1間，高3.0 m，柱子軸線(xiàn)平面間距為3.3 m×3.6 m。

雖然內(nèi)襯鋼管方案使涵洞過(guò)水?dāng)嗝孀冃?，但鋼管糙率低，?jīng)計(jì)算，可以滿(mǎn)足供水要求。水庫(kù)1與鄰谷的另一個(gè)水庫(kù)為下游用水區(qū)的2個(gè)重要水源(共用1條引水管渠)，另一水庫(kù)已新建了輸水隧洞，輸水流量和調(diào)控能力大，2庫(kù)可以相互配合、靈活調(diào)度(供水時(shí)段和輸水流量)，因此，推薦的內(nèi)襯鋼管灌漿、加固已有的輸水涵管的工程方案是合理的。

1.2 石林縣某水庫(kù)輸水涵洞加固改造工程

石林縣某水庫(kù)(簡(jiǎn)稱(chēng)水庫(kù)2)始建于1958年，總庫(kù)容10.1 萬(wàn)m3，壩高15.8 m，工程規(guī)模為一般小(二)型。水庫(kù)地處縣域邊遠(yuǎn)山區(qū)，受投資、地形、地質(zhì)條件等因素所限，輸水工程只能采取加固改造老涵洞方案，即內(nèi)襯鋼管灌漿方案，這是成功運(yùn)用了20年的方案，有很好的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

涵洞全長(zhǎng)60.5 m，洞身部分長(zhǎng)54.0 m。工程措施分5個(gè)部分：

(1)涵洞進(jìn)口包括引渠和沉沙進(jìn)水井2個(gè)部分，保留原涵洞的沉沙進(jìn)水井，其位置不變，前面修筑鋼筋混凝土引渠以適應(yīng)本次壩坡坡度的調(diào)整；

(2)涵洞洞身采用鋼管內(nèi)襯，原老涵洞為下部矩形、上部半圓形的漿砌石斷面，凈寬0.6 m、凈高1.0 m，設(shè)計(jì)內(nèi)襯鋼管外徑500 mm，Q235B鋼板、壁厚8 mm，鋼管沿洞底敷設(shè)(從出口向上游頂管)；進(jìn)出口各10 m長(zhǎng)范圍開(kāi)挖清基至堅(jiān)硬基巖，回填漿砌石至設(shè)計(jì)高程，保證基礎(chǔ)牢固，鋼管采用C20鋼筋混凝土外包；

(3)涵洞出口設(shè)φ500 mm閥門(mén)2道，工作、檢修各1道；

(4)出口建蓋閘房1間，高3.0 m，柱子軸線(xiàn)平面間距為3.8 m×4.25 m；

(5)灌漿：①洞身內(nèi)充填灌漿，沿涵洞軸線(xiàn)、從壩頂和前后壩坡布置3個(gè)鉆孔做洞內(nèi)空隙的充填灌漿，鉆孔打穿老涵洞頂部，鉆孔距離進(jìn)口13 m，鉆孔間距10 m；灌漿前將洞身進(jìn)口、出口斷面封堵，先灌上游、下游的孔，用壩頂?shù)闹虚g孔排氣回漿，最后再灌中間孔；洞身充填灌漿材料：沙子、水泥、水混合漿，先濃后稀，適當(dāng)加壓灌注；②涵洞外壁帷幕灌漿形成截水環(huán)，布置6個(gè)涵洞兩側(cè)灌漿孔做帷幕灌漿，形成3道截水環(huán)，灌漿的方法、材料等，同壩體帷幕灌漿，自上而下分段灌漿。灌漿底界暫定洞身底部加深1個(gè)灌段，若基礎(chǔ)透水率大時(shí)，加灌1段。見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 涵洞灌漿孔平面布置圖

圖2 涵洞灌漿孔立面圖

洞身部位施工方法：首先在鋼結(jié)構(gòu)加工廠按設(shè)計(jì)尺寸卷板、焊接成圓筒型，每段長(zhǎng)4.0 m，運(yùn)抵工地，在涵洞出口處建1個(gè)頂管操作井(與閘室基礎(chǔ)二合一建設(shè))，將鋼管逐段頂入老涵洞內(nèi)，每頂進(jìn)一段焊接下一段，直至鋼管在涵洞進(jìn)口工作面露頭，按設(shè)計(jì)長(zhǎng)度做好定位、調(diào)整。

2 內(nèi)襯鋼管灌漿方案的優(yōu)點(diǎn)

小型水庫(kù)涵洞加固工程中采用內(nèi)襯鋼管灌漿的方案，經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、施工期短、安全可靠，內(nèi)襯鋼管灌漿方案的主要優(yōu)點(diǎn)：①該方案最經(jīng)濟(jì)實(shí)用，工程造價(jià)僅為破壩建涵方案的40 %～50 %；②可同時(shí)解決老涵洞身開(kāi)裂、漏水、局部下沉、沖蝕、掏空、混凝土碳化的問(wèn)題，很多涵洞斷面尺寸窄小，人無(wú)法進(jìn)入，曾經(jīng)做的改造，均未能處理涵洞洞身的這些問(wèn)題；③施工簡(jiǎn)便、施工期短、安全可靠，洞身鋼管從出口頂管而入，簡(jiǎn)單易行。

3 涵洞加固工程采用內(nèi)襯鋼管灌漿方案的技術(shù)要點(diǎn)

涵洞內(nèi)襯鋼管灌漿方案實(shí)施前后的變化主要有：無(wú)壓洞變有壓洞，洞身加長(zhǎng)、斷面變小，針對(duì)這些情況，在技術(shù)措施和管理上需特別注意把控，控制放水流量、不使洞內(nèi)出現(xiàn)無(wú)壓有壓交替的不穩(wěn)定流態(tài)；也不宜超過(guò)該流量，涵洞在有壓流情況下的出流量，并不比無(wú)壓狀態(tài)的最大出流量增加多少。運(yùn)行管理時(shí)，只能控制出流量、延長(zhǎng)放水時(shí)間?？偨Y(jié)的技術(shù)要點(diǎn)包括工程措施和調(diào)度運(yùn)行2個(gè)方面。

1)以前的老涵洞，一般是在涵洞進(jìn)口安裝閘閥(如轉(zhuǎn)蓋閘)，閘閥尺寸小、大部分是φ300～500 mm，過(guò)流量小，涵洞凈空高度能保證無(wú)壓流狀態(tài)；內(nèi)襯鋼管后，取消進(jìn)口閘閥，在出口處安裝閥門(mén)，無(wú)壓涵洞變成有壓涵洞，運(yùn)行過(guò)程中洞身會(huì)出現(xiàn)各種不同的流態(tài)(有壓、無(wú)壓和介于2者之間的不穩(wěn)定流態(tài))。在特定水位、流量范圍時(shí)形成的不穩(wěn)定流態(tài)，會(huì)引起洞身的振動(dòng)和剝蝕，不利于洞身結(jié)構(gòu)安全；因此，在涵洞放水時(shí)，要做好閘門(mén)開(kāi)度調(diào)控，盡量縮短不穩(wěn)定流態(tài)出現(xiàn)的時(shí)長(zhǎng)。根據(jù)出流量分析計(jì)算成果，制定調(diào)度運(yùn)行制度和注意事項(xiàng)，并嚴(yán)格遵守。

小涵洞雖然斷面小、出流量小、流速小，運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)口、洞身出口同樣會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的水流流態(tài)，工程設(shè)計(jì)和管理時(shí)應(yīng)采取措施，盡量避免。

2)消除不穩(wěn)定流態(tài)(這種流態(tài)會(huì)危害涵洞)的措施。不穩(wěn)定流態(tài)即洞身出現(xiàn)時(shí)而無(wú)壓、時(shí)而有壓，并伴隨著不穩(wěn)定的周期性的負(fù)壓空腔(空腔沿程交替出現(xiàn)呈周期性)水流現(xiàn)象。此時(shí)，需要分段充分慘氣，避免出現(xiàn)負(fù)壓空腔，避免洞身出現(xiàn)振動(dòng)和剝蝕。因此，對(duì)于凈高大的老涵洞，可以考慮在內(nèi)襯的鋼管上方設(shè)置通氣孔。

(1)進(jìn)口、出口處設(shè)置通氣孔，見(jiàn)圖3，孔管可以沿山坡向上延伸。

圖3 進(jìn)口、出口處布置通氣孔示意圖

(2)洞身中部的通氣孔難設(shè)置，可考慮擴(kuò)大灌漿鉆孔直徑，放一根通氣管到鋼管部位、與管壁上(頂管前)預(yù)留的通氣孔連接(灌漿前人工操作)，而后灌漿。

老、新涵洞斷面尺寸小，設(shè)置通氣孔的具體工程措施有待進(jìn)一步研究，確保設(shè)計(jì)的完善和施工的萬(wàn)無(wú)一失，否則會(huì)遺留漏水隱患。

3)涵洞內(nèi)襯鋼管后，洞身斷面尺寸變小，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e比原涵洞小，需做輸水流量的計(jì)算復(fù)核，使其滿(mǎn)足水庫(kù)所承擔(dān)的灌溉面積的供用水要求。

4)涵洞的長(zhǎng)度、斷面尺寸反差大，再由于前后壩坡坡比的調(diào)整、涵洞洞身的加長(zhǎng)，與斷面變小更不相稱(chēng)，向上游延長(zhǎng)的洞身段，斷面尺寸宜適當(dāng)加大，尤其是洞頂部位，結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土，便于涵洞的運(yùn)行維護(hù)。

5)這類(lèi)水庫(kù)除險(xiǎn)加固，壩體多從下游培厚，后坡、壩趾向下游延伸，此時(shí)，若涉及到涵洞出口平面位置變化，不要延長(zhǎng)涵洞管身結(jié)構(gòu)，涵洞越長(zhǎng)、越不利于運(yùn)行。應(yīng)盡量保持涵管出口位置不變，用明渠或大尺寸的箱涵銜接，線(xiàn)路走向沿等高線(xiàn)、山坡內(nèi)側(cè)，避開(kāi)壩體。

6)對(duì)于尺寸較小的老涵洞(如沙井小河)，頂管之前，先用高壓水槍沖洗洞身，待泥沙等淤積物排出后，再進(jìn)行頂管作業(yè)。

7)老的小型水庫(kù)，無(wú)建設(shè)資料，涵洞斷面小，勘測(cè)人員無(wú)法進(jìn)洞做檢測(cè)，涵洞軸線(xiàn)是否為一條直線(xiàn)，關(guān)系到內(nèi)襯鋼管灌漿方案的成立與否。有一個(gè)簡(jiǎn)單的判別方法，放干庫(kù)水，全開(kāi)閘閥，從進(jìn)口或出口將半個(gè)身子伸如洞內(nèi)觀察另一個(gè)洞口，能看到明顯的光亮點(diǎn)，并用厚的黑布遮掩、拉開(kāi)幾次，觀察光亮的變化是否明顯，變化明顯的為直洞；若亮光很弱，說(shuō)明轉(zhuǎn)彎點(diǎn)靠近洞口，此時(shí)，用φ50 mm鋼管向洞內(nèi)探測(cè)并分段接長(zhǎng)，該方法探測(cè)深度可達(dá)20 m。若能斷定轉(zhuǎn)彎點(diǎn)距離洞口不超過(guò)20 m，可以采用內(nèi)襯鋼管灌漿方案，轉(zhuǎn)彎段前的這20 m需開(kāi)挖后拉直重建，或擴(kuò)大施工斷面處理、或在轉(zhuǎn)彎段設(shè)置豎井處理。

若看不見(jiàn)光亮點(diǎn)說(shuō)明洞身中部有轉(zhuǎn)彎段，不宜采用內(nèi)襯鋼管灌漿方案?？床灰?jiàn)光亮也有多種原因，遇到的情況如：進(jìn)口結(jié)構(gòu)為1個(gè)井，閥門(mén)在側(cè)邊的井壁上，有1個(gè)水庫(kù)的涵洞，閥門(mén)設(shè)在井口的水平面上，不利于觀察光亮。

8)由于老涵洞頂壁與內(nèi)襯的鋼管頂部空間很小，做洞身充填鉆孔前，先計(jì)算地面距離洞頂?shù)纳疃龋咏错敃r(shí)應(yīng)減慢鉆進(jìn)速度，特別留意，一旦出現(xiàn)吊鉆，立即停止鉆孔。

9)洞身空間較大時(shí)，灌漿材料可以添加粗砂、中砂，此時(shí)要注意漿液的流動(dòng)性，通過(guò)試驗(yàn)確定不同濃度漿液的配合比和慘砂的比例。

4 結(jié) 語(yǔ)

洞身采用內(nèi)襯鋼管灌漿方案，工程技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，能夠在汛期水庫(kù)水位較低時(shí)期施工完畢，不影響水庫(kù)蓄水，在小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中得到廣泛使用。

除險(xiǎn)加固后，做好調(diào)度運(yùn)行管理，充分發(fā)揮工程效益。