引水隧洞混凝土衬砌开裂成因及应对措施

韩金明，刘 武

(四川盐源甲米河水电开发有限公司，四川盐源，615700)

1 概述

水工隧洞设计理念在其100多年的发展历史中已经发生了显著变化，尤其是对水荷载作用形式、隧洞衬砌与围岩的联合承载机理等方面都有了更为深入的认识。传统的钢板衬砌结构虽然防渗效果良好，但其工程量较大、造价高，且施工困难，对施工进度有较大影响。出于经济效益和施工方面的考虑，目前水工隧洞中大量采用钢筋混凝土衬砌。

我国水电站压力隧洞混凝土衬砌在内水压力作用下的配筋，已由早期的“抗裂设计”改革为“限裂设计”，它要求最大裂缝宽度 Wmax＜0.2mm～0.25mm。因为若不容许开裂，计算得到的配筋量往往很大，Ⅳ类和Ⅴ类围岩中的隧洞尤其如此，且施工极为困难。

混凝土衬砌裂缝形成的原因非常复杂，往往是多种不利因素综合作用的结果，主要有施工不规范、材料质量差或配合比不合理以及荷载作用引起的开裂等因素。混凝土衬砌裂缝会产生若干不利影响:裂缝形成新的渗水通道，影响发电量，严重时发生管涌引发山体灾害。我国许多水电工程，如天生桥一级、公伯峡、周宁、惠蓄等工程的水工隧洞，均不同程度地存在内水外渗现象。部分隧洞充水运行后产生严重渗水，影响电站正常运行，并给隧洞维护带来难度。

本文主要分析内水作用下混凝土衬砌开裂过程及不同工况下衬砌裂缝宽度变化情况，同时针对衬砌开裂提出了预防和应对措施，并将分析结论引用到甲米河二级水电站引水隧洞衬砌实例中。

2 引水隧洞混凝土衬砌开裂成因分析

2.1 衬砌开裂过程分析

混凝土结构本身受拉能力较低，当内水压力较小时，拉应力完全由混凝土承担，衬砌不会开裂(出现宏观裂纹)。

当内水压力较大，达到某一临界值时，衬砌在较高内水压作用下发生裂缝，且裂缝特征(形态、开度、分布、数量等)与衬砌应力状态有密不可分的关系〔1〕，其过程实质为水压作用下衬砌内部的微裂纹萌生、扩展及贯通，直到最后宏观裂纹产生并发展的过程。由于裂缝的存在，隧洞衬砌是透水的，内水会沿裂缝渗入围岩内，在内水作用下衬砌大部分范围是与围岩脱开的，内水压力大部分由围岩承担，衬砌只分担很小一部分，且钢筋应力和裂缝宽度随配筋面积增加不会有明显改善，此时改善围岩参数能有效减小裂缝宽度和改善钢筋应力情况。

当内水压力很大，达到某一临界值时，高压水会沿裂缝通道作用于围岩，会使岩体裂缝扩展、贯通，产生水力劈裂现象，形成大的渗漏通道，危害隧洞运行安全。

衬砌裂缝和围岩裂隙的存在会导致隧洞内水外渗现象发生，隧洞的渗漏量与混凝土衬砌和洞周围岩的渗透性密切相关。围岩的裂隙开度及其渗透性与围岩原先的渗透性和开挖过程中爆破卸荷关系密切，在开挖完成后即已基本决定，之后隧洞的充水加压对围岩的应力状态和裂缝开度影响较小(水压过大会导致水力劈裂)，其渗透性在充水过程中变化不大。混凝土的渗透性与裂缝特征和结构所处的应力状态密切相关，在不受外力的情况下，衬砌自身的渗透性非常小，可近似认为是不透水材料，由于微裂纹的扩展，其渗透性会逐渐提升，在衬砌出现宏观裂缝后，混凝土的渗透性将随裂缝的产生和发展而急剧增加，因此改善混凝土衬砌的受力状态和围岩渗透性，是改善隧洞渗漏的有效途径。

2.2 不同工况下衬砌宽度变化分析

2.2.1 施工期(衬砌完成且围岩固结灌浆完成)工况。此时结构几乎处于无水状态，衬砌受自重和围岩应力作用，衬砌受力状态良好，以压应力为主，局部拉应力极小，衬砌几乎不开裂，顶拱与边墙处由于应力集中可能出现局部开裂。

2.2.2 充水运营期(隧洞充水完成)工况。此时衬砌受自重、内水压力和围岩应力共同作用，衬砌应力状态表现为内力均为拉应力。当内水压力较小时，拉应力不会超过混凝土抗拉强度，衬砌不会出现宏观裂纹;当内水压力较大，大于临界值，拉应力超过混凝土抗拉强度时，衬砌结构会出现宏观裂缝，且裂缝宽度在一定程度上随拉应力增大而变宽，且较大裂缝多出现在拱顶底部附近。

2.2.3 放空检修工况。此时衬砌受自重、孔隙水压力和围岩应力共同作用，由于此时裂缝内孔隙水压力近似于外水压力作用，衬砌应力状态仍表现为压应力，衬砌裂缝宽度较运营期时有一定幅度的减小。

3 衬砌裂缝预防与处理措施

3.1 裂缝预防措施

3.1.1 从保证衬砌混凝土强度出发，加强原材料质量控制，控制好混凝土的塌落度和配合比，严格控制混凝土施工工艺，做好混凝土振捣和养护。

3.1.2 合理设置施工缝长度，通常采取8m～12m，施工缝采用止水材料填缝。

3.1.3 在内水压力较大的部位，采用强度较高且抗渗等级高的混凝土，也可考虑采用预应力钢筋混凝土衬砌或钢板和混凝土联合衬砌。

3.1.4 在内水压力很大的部位，采用高强度混凝土的同时，可通过固结灌浆和回填灌浆改善围岩渗透特性，提高围岩承载能力，从而改善衬砌受力情况，并适当增加衬砌配筋率，以实现优化钢筋应力，减小衬砌裂缝宽度。

3.2 裂缝处理措施

经放空检查发现裂缝时，可采取以下几种处理措施:

3.2.1 表面修补。表面压实抹平，涂抹环氧粘结剂，喷水泥砂浆或细石混凝土。

3.2.2 局部修复。常采用充填法，必要时可凿去重新浇筑。

3.2.3 水泥压力灌浆或化学灌浆，适用于缝宽较大的稳定裂缝。

4 工程实例分析

4.1 工程概况

甲米河二级水电站总装机容量为24MW，正常蓄水位2054.4m。工程区位于横断山脉北西侧的雅砻江右岸三级支流甲米河下段，地貌单元属青藏高原东南缘向四川盆地过渡之川西高山区中部。工程引水隧洞总长约5.14km，断面形状为城门洞形，断面尺寸为4.4m×5.5m，引水线路沿线物理地质现象主要表现为岩体的风化卸荷和局部崩塌，滑坡、泥石流等不良地质现象不发育。引水隧洞穿越地层较多，岩性较复杂，主要由三叠系的砂岩、石灰岩、泥灰岩和砂砾岩等组成。围岩类别为引水隧洞前段以Ⅲ类为主，后段部分洞段为Ⅳ、Ⅴ类。

4.2 临界内水压力及裂缝宽度计算方法

引水隧洞混凝土衬砌出现宏观裂纹，衬砌与围岩脱开时，临界压力按下式计算:

式中有关符号及推导过程见文献〔2〕。

导致围岩裂纹扩展，发生水力劈裂的临界内水压力表达式为:

式中有关符号及推导过程见文献〔3〕。

衬砌开裂裂缝宽度2a按下式计算:

式中有关符号及推导过程见文献〔4〕。

4.3 计算参数

引水隧洞最大内水压力0.48MPa，Ⅱ、Ⅲ类围岩采用底板衬混凝土20cm，边墙、顶拱喷12cm，系统锚杆 φ22mm(L=2m)间距 1.8m、排距1.5m;Ⅳ类围岩采用钢筋混凝土全衬40cm(C20(二)，钢筋布置主筋 φ22mm@25cm，分布筋φ18mm@25cm)，Ⅴ类围岩采用钢筋混凝土全衬60cm(C20(二)，钢筋布置主筋φ25mm@20cm，分布筋φ18mm@25cm)，主要材料强度见表1所示。

表1 计算力学参数

4.4 计算结果分析

4.4.1 甲米河二级引水隧洞中导致衬砌出现宏观裂纹与围岩脱开时的临界内水压力，Ⅳ类围岩为1.22MPa，Ⅴ类围岩为0.81MPa，而甲米河二级引水隧洞最大内水压力仅为0.48MPa。计算结果表明在目前支护方案情况下，洞内衬砌不会出现宏观裂纹，设计拟采用抗渗混凝土方案是不必要的。

4.4.2 甲米河二级引水隧洞中导致围岩裂纹扩展，出现水力劈裂现象的临界内水压力为Ⅳ类围岩1.36MPa，Ⅴ类围岩为2.12MPa。而甲米河二级引水隧洞最大内水压力仅为0.48MPa，表明引水隧洞围岩条件不会出现水力劈裂现象。但因引水隧洞后段局部洞段在开挖初期出现过塌方，其围岩参数较低，裂隙较为发育，应做好固结灌浆和回填灌浆，改善围岩强度参数和渗透性能。

4.4.3 按最大内水压力计算，考虑衬砌最易开裂的满水运营工况，甲米河二级隧洞混凝土衬砌最大裂缝宽度为0.08mm，低于规范规定的上限值(最大裂缝宽度Wmax＜0.2mm～0.25mm)。

4.4.4 隧洞放空检查时，应重点检查引水洞后段(尤其是桩号4+000m以后)及塌方洞段，根据检查结果采取适当处理措施。

5 结语

5.1 当内水压力较小时，衬砌承担拉应力较小(不超过混凝土抗拉强度)，一般不会开裂，此时可根据实际情况适当减小衬砌，降低配筋率，以节约投资。

5.2 当内水压力较大时，衬砌一般会发生开裂，裂缝的宽度与衬砌结构的应力状态密切相关，此时靠增大配筋率，增加衬砌厚度，对裂缝宽度的减小效果并不明显，可通过提高混凝土等级或采用预应力混凝土来减小裂缝宽度。

5.3 当内水压力很大时，衬砌必然会开裂(此时靠提高混凝土等级和增大配筋率不起作用)，且裂缝宽度较大，高水压沿裂缝通道作用围岩裂隙，导致水力劈裂，会形成大的渗漏通道。此时应通过固结灌浆和回填灌浆填充围岩裂隙，改善围岩特性，同时采用预应力钢筋混凝土衬砌，以达到减小裂缝宽度的效果。

〔1〕翁其能，袁勇，杨 红．开裂混凝土衬砌的渗透模型［J］．铁道学报，2008，30(2):124 ～127．

〔2〕苏 凯，伍鹤皋，韩前龙．高压透水隧洞工作机理探讨［J］．水利水电技术，2005，36(6):61 ～64．

〔3〕卞 康，肖明，胡田清．水工隧洞围岩裂纹扩展的临界水压解析［J］．岩土力学，2012，33(8):2429 ～2436．

〔4〕彭守拙，钟建文，谷兆祺．考虑隧洞充水过程的衬砌裂缝宽度计算．水利水电科技进展，2010，30(8):67～70．