棋盤山水庫(kù)壩腳排水溝滲漏原因分析及處理措施

劉孝東

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110003)

1 工程概況

棋盤山水庫(kù)位于沈陽(yáng)市北郊滿堂鄉(xiāng)渾河支流蒲河上游輝山——棋盤山山谷，是一座以防洪為主，兼顧旅游、養(yǎng)魚等綜合利用的多年調(diào)節(jié)水庫(kù)。水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容為6034萬(wàn)m3，規(guī)模為中型水庫(kù)，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物的級(jí)別為3級(jí)。水庫(kù)正常蓄水位94.5m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100a一遇，設(shè)計(jì)洪水位為97.56m，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000a一遇，校核水位為100.02m。

水庫(kù)主要工程有攔河壩、輸水洞、非常溢洪道。壩長(zhǎng)267m，防浪墻頂高程104.45m，壩頂寬8.9m，最大壩高24.5m，為均質(zhì)土壩。輸水洞位于大壩右岸，洞長(zhǎng)283.4m，洞徑3.5m。非常溢洪道為開(kāi)敞式寬頂堰，堰頂高程98.33m，堰長(zhǎng)33m，堰頂筑有土堤，當(dāng)庫(kù)水位達(dá)到100m高程時(shí)，土堤自潰，非常溢洪道泄流，最大泄量達(dá)471 m3/s。

2 現(xiàn)狀描述及滲漏原因分析

2.1 輸水洞現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

輸水洞位于大壩右岸，從大壩右岸山體穿過(guò)，為混凝土有壓圓斷面隧洞，隧洞內(nèi)壁由不等厚的鋼筋混凝土襯砌(各段襯砌厚度見(jiàn)表1)。洞長(zhǎng)283.4m，洞徑3.5m，洞進(jìn)口底高程81.5m，出口底高程79.5m，預(yù)留1孔發(fā)電支洞，由于未進(jìn)行發(fā)電，此洞已用混凝土堵死。輸水洞最大泄流量為101.9m3/s，出口為挑流消能，尾水渠河底高程78.20m。輸水洞除了滿足下游生態(tài)需要外，還承擔(dān)泄洪任務(wù)。

表1 輸水洞襯砌特性表

輸水洞與大壩位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 輸水洞與大壩位置關(guān)系

根據(jù)棋盤山水庫(kù)管理處工作人員描述及實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)檢查，水庫(kù)大壩下游右側(cè)壩腳，距離輸水洞洞身約30m處排水溝側(cè)墻體有明流溢出，出溢水清澈、未攜帶雜物。此現(xiàn)象在輸水洞內(nèi)充滿水時(shí)存在，放空后消失。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)隧洞襯砌外觀質(zhì)量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)多處滲水點(diǎn)，具體情況如下：

1)0+042-0+050范圍內(nèi)襯砌存在多處滲水點(diǎn)，沿襯砌內(nèi)壁滲水，滲流量較小，但洞壁存在清晰滲流痕跡。其中左側(cè)靠近閘門處存在一處排水管漏水，漏水情況較為明顯。

2)0+078襯砌頂部存在一處滲水點(diǎn)，滲水處已形成細(xì)流，流速較快。

3)0+113處襯砌右側(cè)存在一處漏水點(diǎn)，水流較細(xì)且噴灑而出。漏水部位為混凝土橫向與縱向施工接縫處。

4)0+235襯砌右側(cè)存在一處孔洞漏水點(diǎn)，水流較細(xì)，流速較快，漏水現(xiàn)象較為明顯。

5)0+253處襯砌混凝土存在一處環(huán)形裂縫，其裂縫寬度為0.1-10mm，無(wú)滲水現(xiàn)象。

6)其余部位雖未發(fā)現(xiàn)明顯漏水點(diǎn)，但洞壁存在清晰滲流痕跡。大都存在混凝土表面露石、破損嚴(yán)重，局部已形成剝蝕淺坑。

2.2 排水溝邊墻滲漏原因分析

水庫(kù)自建庫(kù)以來(lái)在下游排水溝就有滲水現(xiàn)象，其滲流量約為57m3/d，輸水洞放空時(shí)滲流消失。當(dāng)時(shí)經(jīng)省市有關(guān)專家分析，認(rèn)為壩腳滲水不是繞壩滲流，而是輸水洞滲漏引起的，因此2011年組織實(shí)施了棋盤山水庫(kù)加固工程，對(duì)輸水洞襯砌裂縫采取化學(xué)灌漿處理。處理后，滲水現(xiàn)象有所好轉(zhuǎn)，但仍未徹底解決?，F(xiàn)在，在距離輸水洞洞身約30m處壩腳排水溝側(cè)墻體有明流溢出，出溢水清澈、未攜帶雜物。輸水洞內(nèi)無(wú)水時(shí)，滲漏現(xiàn)象消失，滲水量與輸水洞內(nèi)壓力水相關(guān)性很強(qiáng)，可以判定輸水洞滲漏是排水溝邊墻滲漏的主要因素[1]。

輸水洞建成距今40多年，當(dāng)時(shí)施工工藝落后，襯砌混凝土開(kāi)裂、破損；回填灌漿不密實(shí)極易造成洞頂襯砌與巖體間出現(xiàn)空隙。輸水洞內(nèi)有壓水通過(guò)襯砌裂縫、破損等部位滲出，或經(jīng)過(guò)洞頂?shù)目障锻ǖ?，順著山體的節(jié)理裂隙排出，造成壩腳排水溝邊墻產(chǎn)生滲漏現(xiàn)象。

3 滲漏處理方案設(shè)計(jì)

棋盤山水庫(kù)任務(wù)是以防洪、灌溉為主，兼顧養(yǎng)魚等綜，為保證汛前騰空庫(kù)容，應(yīng)盡快對(duì)輸水洞滲漏進(jìn)行修復(fù)，其他部位有條件的宜同時(shí)完成。

根據(jù)輸水洞現(xiàn)場(chǎng)圖像資料和檢測(cè)報(bào)告，輸水洞原襯砌結(jié)構(gòu)存在表面平整度較差、局部破損漏筋和存在較大裂縫和滲水點(diǎn)，存在洞內(nèi)水在內(nèi)水壓力作用下，穿透襯砌薄弱點(diǎn)經(jīng)山體裂隙外滲，最終在壩腳排水溝出露的可能。輸水洞前次除險(xiǎn)加固采用局部灌漿修補(bǔ)的措施，從目前情況看效果并不理想。因此，本次處理考慮對(duì)全洞進(jìn)行防滲處理以解決滲漏問(wèn)題。擬比選3種洞內(nèi)防滲方案，分別為：方案①不銹鋼板內(nèi)襯、方案②鋼管內(nèi)襯、方案③聚脲涂層內(nèi)襯[2-4]。

3.1 方案①不銹鋼板內(nèi)襯

1)技術(shù)依據(jù)：

不銹鋼內(nèi)襯焊接工藝主要依據(jù)《現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工規(guī)范》(GB50236)和《工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》(GB50235)；施工驗(yàn)收參考《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB50268)進(jìn)行。

2)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 不銹鋼板內(nèi)襯示意圖

本方案借鑒非開(kāi)挖地下管道不銹鋼內(nèi)襯管道工藝，即在原有的地下管道1中襯入薄壁不銹鋼管道3，在1、3層間縫隙灌入填充劑2。原有地下管道1主要功能是承受管道內(nèi)壓與外壓。薄壁不銹鋼管3是耐蝕金屬制成的薄壁金屬管，其主要功能是防腐蝕和防漏水。填充層2的功能是填充原管道1內(nèi)壁和不銹鋼襯管3外壁之間的空間，使不銹鋼襯里地下管道成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)的復(fù)合管。

3)薄壁不銹鋼內(nèi)襯的優(yōu)點(diǎn)：

內(nèi)襯后的管內(nèi)壁光滑不易結(jié)垢，降低運(yùn)行摩阻。由于鋼中含有18%的鉻，在使用過(guò)程中管道內(nèi)壁形成一層極薄的氧化鉻薄膜，該薄膜阻止金屬繼續(xù)氧化，故不銹鋼有很強(qiáng)的耐腐蝕性能，不僅能承受水和空氣的腐蝕，而且可以承受弱酸弱堿的腐蝕。內(nèi)襯不銹鋼管的厚度有3mm。

強(qiáng)度高：304不銹鋼的抗拉強(qiáng)度520MPa，屈服強(qiáng)度210MPa，斷裂伸長(zhǎng)率>30%，具有良好的適應(yīng)變形和附著性能。

耐腐蝕性好：特別是耐晶間腐蝕性優(yōu)越；不老化，沒(méi)有其他材料慢速裂紋、快速裂紋的致命缺陷；適用于一般腐蝕性的許多環(huán)境。

安全、衛(wèi)生：該型號(hào)不銹鋼屬于食品級(jí)材料；薄壁不銹鋼內(nèi)襯，基本不改變?cè)艿赖闹睆?，表面光滑提高流量能?0%-20%。

4)薄壁不銹鋼內(nèi)襯在本工程的適用性：

根據(jù)輸水洞洞內(nèi)無(wú)水時(shí)外水內(nèi)滲的情況可知，隧洞周邊存在外水壓力。根據(jù)庫(kù)水位和周邊山體地形，外水壓力最高可達(dá)十余米。隧洞原襯砌結(jié)構(gòu)已有多處破損，外水從破損點(diǎn)穿過(guò)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)入洞內(nèi)。若采用薄壁不銹鋼內(nèi)襯，外水壓力將作用在內(nèi)襯不銹鋼管上。而內(nèi)襯不銹鋼管一般厚度在5mm以下，本身無(wú)法抵抗外水壓力，此時(shí)只能依靠?jī)?nèi)襯不銹鋼管與原襯砌結(jié)構(gòu)間的填充劑將不銹鋼管與原襯砌結(jié)構(gòu)結(jié)合，共同承擔(dān)外水壓力。一旦填充劑在外水壓力作用下產(chǎn)生破損，內(nèi)襯不銹鋼管與原襯砌結(jié)構(gòu)間就會(huì)產(chǎn)生空腔，空腔處不銹鋼管不單要承擔(dān)外水壓力，還宜在洞內(nèi)高速水流所用下產(chǎn)生震動(dòng)，最終造成疲勞破壞或與原襯砌結(jié)構(gòu)脫離。

因此，內(nèi)襯不銹鋼板雖能很好的承受內(nèi)壓，但本工程原隧洞襯砌結(jié)構(gòu)已有多處破損，很難保證內(nèi)襯不銹鋼板與原襯砌混凝土的結(jié)合。一旦局部破損處內(nèi)襯不銹鋼板剝離，就會(huì)形成聯(lián)鎖反應(yīng)，造成整個(gè)內(nèi)襯管道大面積破壞。

3.2 方案②鋼管內(nèi)襯

為解決方案①中薄壁不銹鋼板不可承擔(dān)外水壓力的問(wèn)題，擬采用內(nèi)襯鋼管承擔(dān)外水壓力和內(nèi)水壓力。輸水洞內(nèi)徑3.5m，考慮鋼襯外回填混凝土，鋼管洞內(nèi)運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)空間，鋼管外徑取Φ3220mm。施工時(shí)，原襯砌結(jié)構(gòu)鑿毛50mm，鋼管外壁至原襯砌凈尺寸140mm，襯砌回填自密實(shí)混凝土厚190mm。

鋼襯結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.2.1 鋼襯結(jié)構(gòu)復(fù)核

鋼襯抗外壓穩(wěn)定按明管計(jì)算，其外壓按標(biāo)準(zhǔn)值考慮，即鋼襯內(nèi)最大負(fù)壓0.05MPa，鋼襯外最大外水壓力0.15MPa，組合最不利外壓標(biāo)準(zhǔn)值為0.20MPa。

不考慮鋼襯外混凝土的約束作用，依據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 35056-2015)，光面管管壁抗外壓分析公式如下。

(1)

式中：t為鋼襯計(jì)算壁厚；D為鋼襯內(nèi)徑；Es為鋼材彈性模量，206000MPa。

圖3 鋼管內(nèi)襯示意圖

經(jīng)計(jì)算，外壓0.20MPa時(shí)，光面鋼襯計(jì)算壁厚18mm，考慮2mm的腐蝕厚度并取整，鋼襯設(shè)計(jì)厚度取20mm。

另外，棋盤山水庫(kù)輸水洞樁號(hào)0+101.554-0+131.916為轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎半徑30m，轉(zhuǎn)角約58°；輸水洞出口設(shè)一扇3.1m×2.6 m弧形鋼閘門。內(nèi)襯鋼管進(jìn)入洞內(nèi)，必須在工廠縱向分割成3-4塊瓦片，現(xiàn)場(chǎng)焊接組裝。瓦片在工廠內(nèi)分別加工接觸灌漿孔。具體工序如下：

1)鋼襯沿軸線方向均分為3-4塊瓦片，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，先將下部?jī)晒?jié)瓦片運(yùn)至漸變段正確位置，進(jìn)行定位、拼裝工作，定位、拼裝并點(diǎn)焊完畢后，在下部?jī)晒?jié)鋼襯內(nèi)表面鋪設(shè)輕軌，安裝起升臺(tái)車，然后利用起升臺(tái)車分別將上部瓦片頂推至安裝位置，進(jìn)行定位、拼裝工作。

2)整個(gè)鋼襯全部定位拼裝完畢后，在鋼襯內(nèi)進(jìn)行焊接工作，焊接工藝均為單面焊雙面成型?？v縫焊接完成后，進(jìn)行鉆孔及錨固鋼筋的植入和塞焊、焊后磨平操作。

3)焊接工作驗(yàn)收完畢后，實(shí)施灌注微膨脹細(xì)石混凝土C30F200、回填灌漿、接觸灌漿，確保鋼襯與混凝土襯砌密切貼合。最后焊接堵塞鋼板并涂刷聚脲防腐層。

3.2.2 鋼襯水力計(jì)算

輸水洞為有壓隧洞，洞徑3.5m，洞長(zhǎng)283.4m，進(jìn)口為喇叭口形，有一扇平板閘門，出口為弧形鋼閘門，對(duì)輸水洞進(jìn)行水力學(xué)過(guò)流能力復(fù)核，計(jì)算公式：

(2)

(3)

鋼襯前輸水洞洞徑3.5m，襯砌粗糙系數(shù)取0.014；鋼襯后洞徑3.2m，襯砌粗糙系數(shù)取0.012。

經(jīng)核算，鋼襯后輸水洞最大泄量98.3m3/s，基本滿足庫(kù)水位100.01m以下時(shí)，獨(dú)自承擔(dān)泄洪任務(wù)。

3.3 方案③內(nèi)襯聚脲涂層

輸水洞表面普遍存在蜂窩麻面，水力沖蝕破壞嚴(yán)重，且存在環(huán)向裂縫，需對(duì)環(huán)縫進(jìn)行開(kāi)槽、環(huán)氧砂漿處理，對(duì)輸水洞襯砌表面進(jìn)行打磨，缺損處涂彈性環(huán)氧砂漿，滲水點(diǎn)進(jìn)行堵漏處理，伸縮縫內(nèi)填塞聚氨酯類嵌縫密封料使其與襯砌表面平整；以上工序完成后，在輸水洞襯砌表面設(shè)置聚脲涂層，厚度≥3mm，采用刮涂、涂刷或輥涂方法施工。

另外，輸水洞周邊山體可能存在庫(kù)內(nèi)與下游的滲漏通道，為防止庫(kù)內(nèi)水經(jīng)山體向下游滲漏，在輸水洞樁號(hào)0+102附近設(shè)置3排環(huán)向灌漿帷幕。帷幕灌漿孔深12m，孔徑Φ56mm，交錯(cuò)布置。灌漿孔排距1m，每排布設(shè)15孔，灌漿壓力≤1MPa，并根據(jù)施工中具體情況進(jìn)行調(diào)整。

4 比選結(jié)論

從投資、工期、防滲效果、運(yùn)行影響等因素比較以上方案如表2所示。

表2 方案比選表

方案①多用于工業(yè)管道，管徑較小，水工建筑物運(yùn)用較少且無(wú)法抵抗外水壓力，存在安全隱患。

方案②技術(shù)成熟，整體剛度高；但施工工藝復(fù)雜，周期長(zhǎng)，投資高。

方案③投資低，施工工藝簡(jiǎn)單，周期短，且已在國(guó)內(nèi)外多個(gè)水利工程中運(yùn)用，技術(shù)成熟，耐久性好。

考慮修復(fù)工程規(guī)模小，安全性要求高，推薦投資小、工期短且不影響運(yùn)行的方案③內(nèi)襯聚脲涂層。