某水電站引水隧洞局部洞段襯砌破損處理研究

鮑世虎，張洋

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 工程概述

某水電站裝機容量4 800 MW，電站樞紐工程主要由首部低閘、引水系統、尾部地下廠房等永久性建筑物組成，為低閘、長隧洞、大容量引水式電站。引水隧洞單條長約16.7 km，沿線上覆巖體一般埋深1 500～2 000 m，最大埋深約為2 525 m，具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點。

水電站已建成投產運行多年，引水隧洞已歷經多次放空檢修，總體運行狀況良好。在電站建設期間，因特大暴雨的影響，2012年引水隧洞K15+200 m樁號附近洞段曾出現襯砌破損現象。2018年和2019年，通過水下機器人對引水隧洞進行檢查，再次發(fā)現上述洞段出現破襯砌損現象。2021年2—3月，對引水隧洞進行了放空檢修，發(fā)現上述洞段襯砌結構出現翹曲破損、鋼筋外露變形等現象，破損范圍有所擴大。

2 襯砌結構布置設計

電站引水隧洞長約16.7 km，隧洞主軸線方位角為N58°W，立面為緩坡布置，底坡3.65‰。引水隧洞K15+200 m樁號附近洞段采用TBM開挖，圓形斷面，鋼筋混凝土襯砌，襯后洞徑11.00 m。引水隧洞最大引用流量為457.2 m3/s，流速約為4.87 m/s，最大靜水頭約為78.3 m。襯砌混凝土等級為C25W8，厚60～80 cm，其中底板厚60 cm，單層鋼筋，φ28～φ22@20 cm。固結灌漿入巖孔深6.0 m，灌漿壓力6.0 MPa，間、排距3.0 m×3.0 m。

3 襯砌歷次破損及修復

3.1 2012年8月“8.30”暴雨期間

引水隧洞襯砌施工完成，固結灌漿基本完成，局部地下水發(fā)育洞段灌漿未完成?！?.30”暴雨期間，K15+180 m～15+212 m洞段襯砌底板與邊頂拱多處發(fā)現縱向方向的混凝土開裂情況（見圖1）。

圖1 “8.30”暴雨期間破損現象

對破壞的襯砌混凝土進行了鑿除和修復處理，對混凝土裂縫進行了灌漿，并對襯砌破壞較嚴重的部位進行加密灌漿處理。在K15+173 m～15+221 m洞段地下水出露位置的襯砌結構上設置了隨機減壓孔φ90 mm，入巖深度0.1 m，并安裝逆止閥。

3.2 2014年11月第一輪放空

K15+180 m～15+220 m洞段邊墻及底板再次出現局部襯砌混凝土破壞等現象。破壞區(qū)域襯砌表面混凝土破裂，部分區(qū)域鋼筋外露彎曲，并伴有滲水或涌水（見圖2）。

圖2 第一輪放空期間的破損現象

鑿除破損混凝土，襯砌采用C30W8混凝土修復。破損洞段底板120°范圍進行圍巖加固灌漿，灌漿孔間、排距3.0 m×3.0 m，灌漿孔深入巖6.0 m。結合灌漿孔封孔布置插筋φ32，L=3.0 m，插筋入巖深度2.5 m。破損洞段布置減壓孔，孔深入巖0.6 m，間、排距3.0 m×3.0 m，孔內安裝逆止閥。

3.3 2017年3月第二輪放空

K15+180 m～15+191 m洞段襯砌右邊拱出現大面積泥凝土抬動，破壞區(qū)長約11 m、寬約5 m，裂縫處滲水但未露筋。K15+197 m樁號右邊拱施工縫處混凝土脫落，破壞區(qū)長約6.0 m、寬約0.5 m，未發(fā)現露筋及滲水現象；K15+200 m和K15+207 m樁號位置襯砌出現小面積輕微破壞。

鑿除破損混凝土，采用高強聚合物砂漿材料對襯砌進行修復。K15+180 m～15+220 m洞段布置系統減壓孔，間、排距2.0 m×2.0 m，孔深入巖0.5 m，襯砌破壞和地下水出露位置再隨機加密布置，減壓孔內安裝逆止閥。

4 2018—2021年破損現象

2018—2021 年期間，對引水隧洞先后進行水下機器人不放空檢查和第三輪放空檢查，發(fā)現在K15+200 m附近洞段再次出現較為嚴重的破損現象。其中，K15+203 m～15+209 m段底板淺表混凝土破損，鋼筋外露、彎曲等（見圖3），破損范圍約為6.2 m×4.6 m（長×寬）。

圖3 第三輪放空期間破損現象

5 襯砌修復必要性

引水隧洞出現了襯砌結構翹曲破損、鋼筋外露扭曲等破壞現象，將對電站的長期安全運行造成不利影響。

（1）混凝土襯砌結構發(fā)生翹曲破損現象，將增加引水隧洞混凝土過流表面的粗糙度，增加水頭的損失，持續(xù)降低未來的發(fā)電效益。

（2）混凝土襯砌破損后，暴露的鋼筋失去混凝土的保護作用，承載能力下降，鋼筋可能因銹蝕和沖刷而逐漸變細，甚至彎曲、斷裂。

（3）襯砌結構發(fā)生破壞后，承載力下降，當外水壓力過大等根本原因未得到有效處理時，其襯砌結構的破壞現象有可能會進一步加劇。

6 襯砌破損原因及修復處理原則

引水隧洞K15+200 m附近洞段位于的鹽塘組T2y和溶隙—裂隙散流型水文地質單元出水帶內，出水帶范圍即K15+212 m～14+046 m。根據已有的檢查結果和前期結構設計資料分析認為，引水隧洞襯砌結構發(fā)生翹曲破壞的主要原因為外水壓力過大造成了襯砌結構的局部破壞。歷次修復處理已在局部區(qū)域增設減壓孔，但放空檢查期間未見減壓孔有明顯的出水現象，孔內的逆止閥為機械結構，可能因析鈣或洞內泥沙淤等不利現象導致逆止閥排水失效。

襯砌結構的破壞屬于局部破壞，可按原設計參數進行修復，重點是應根據現場實際水文地質條件，對引水隧洞襯砌結構采取有效的排水措施，及時釋放外水壓力，減少混凝土襯砌結構的外部荷載。

7 修復處理設計方案

根據現場實際情況及計算分析，對破損區(qū)域及外延洞段的底拱120°范圍擬定處理方案：一是鑿除破損混凝土，襯砌采用環(huán)氧混凝土回填修復。二是對已出露的集中滲漏水點需作引排處理，在混凝土澆筑前預埋排水鋼管，鋼管內端深入襯砌內，外水可自由排泄至洞內。三是對淺層圍巖進行固結灌漿處理，灌漿孔間、排距1.5 m×1.5 m，孔深8 m；充分利用圍巖的抗?jié)B性能，降低外水作用在襯砌上的壓力。四是為加固圍巖、增強圍巖與襯砌之間的整體性，布設普通砂漿錨桿φ32，長4.5 m，間、排距1.5 m×1.5 m。五是布設排水孔φ50～90 mm，入巖深2.0 m，孔內不設逆止閥。

在假定外水壓力為500 m且不存在集中滲漏通道的情況下，修復處理后襯砌結構的受力分析如下所示（見圖4）。由圖4可知：一是襯砌的最大滲透壓力集中在邊頂拱外側，約為37 m。二是襯砌的最大拉應力集中在邊頂拱內側，約為0.40 MPa。三是襯砌的最大壓應力集中在邊頂拱內側，約為0.75 MPa。

圖4 襯砌修復處理后外水壓力作用下襯砌滲壓和應力（單位：Pa）

8 結語

（1）引水隧洞局部洞段混凝土襯砌出現破損現象之后，將增大水頭損失，降低發(fā)電效益，降低結構承載力和耐久性；為保證電站長期安全運行，修復處理是必要的。

（2）引水隧洞襯砌破損僅發(fā)生在局部洞段，且多次集中在底拱區(qū)域出現，主要是由于存在集中滲漏通道、外水壓力過大等，對結構整體安全性影響較小，需要針對性采取處理措施。

（3）引水隧洞襯砌結構局部破壞，可根據原設計參數進行修復，局部增設系統固結灌漿、系統錨桿和系統減壓孔等。為避免逆止閥因析鈣或泥沙淤堵等原因失效，在增設的減壓孔中不再設置逆止閥，確保外水能及時釋放、避免襯砌承受過大的外水壓力。在類似工程中，應根據引水隧洞水文地質環(huán)境研究是否設置逆止閥，并研究逆止閥能否正常工作。

（4）2021年12月，通過水下機器人檢查發(fā)現，引水隧洞K15+200 m附近洞段在經過一個汛期后襯砌結構依然運行狀態(tài)良好，工程處理措施是合適的。