水电站土坝输水涵洞(管)病险原因分析及加固

林益龙

(福建省宏禹水利水电咨询设计院，福建?福州?350001)



水电站土坝输水涵洞(管)病险原因分析及加固

林益龙

(福建省宏禹水利水电咨询设计院，福建?福州?350001)

通过分析输水涵洞(管)的病险原因，重点介绍了福建省历年来采取的内套新管、新建隧洞、挖除重建等加固技术，取得了很好的修复效果。图1幅。

土坝；输水涵洞(管)；原因分析；处理措施

1 概 述

小水电是重要的可再生能源和清洁能源,并具有防洪灌溉、生态涵养、改善民生等多重功能。从2011年起，福建省开始推动280座老旧小水电站开展初步设计，2013年实施增效扩容改造，2015年初已完成约100座老旧小水电站改造，取得明显的经济效益和社会效益。在设计和实施过程中，对枢纽建筑物特别是拦河大坝及输水涵洞(管)的安全提出了较高的要求，只有确保拦河大坝及输水涵洞(管)的安全，才能保证向电站正常输水，保障电站安全运行。

福建省小水电站开发较早，20世纪70年代以前建设的水电站拦河大坝多为土坝，占总数的53.26%。在土坝中，输水建筑物大多采用坝下涵洞(管)，受当时技术条件、财力、物力等限制，输水涵洞(管)普遍存在设计标准低、施工质量差、基础处理不到位、运行管理较差、涵洞(管)无法检查观测等问题。经多年运行后，输水涵洞(管)老化，加上失修多年及管理不善等，导致输水涵洞(管)产生裂缝、漏水，不断带走涵洞(管)周边土体，引起坝坡塌陷，甚至引起垮坝，严重影响小水电工程的安全运行。

2 输水涵洞(管)病险原因分析

2.1 结构缺陷

(1)输水涵洞(管)一般采用钢筋混凝土或浆砌石结构，部分涵洞(管)未设伸缩缝，在其竣工后因干缩和温度收缩而产生环向裂缝，从而造成漏水现象。

(2)部分涵洞(管)未设或少设截水环，造成坝体填土与涵洞(管)间存在接触渗漏问题。

(3)有的钢筋混凝土涵管直接座落在地基上，未设混凝土“涵衣”，涵管上方填土碾压时，容易对涵管压裂，直接形成漏水通道。另外，钢筋混凝土管接头处理不到位、填充材料老化等也是混凝土涵管产生漏水通道的环节之一。

(4)有的涵洞采用浆砌条块石结构，顶部条石净跨偏大，受上方荷载作用，造成条石断裂。

(5)有的涵洞(管)断面小，难以进入检查，不能及时发现险情。

2.2 材料及施工欠佳

2.2.1 混凝土及浇筑质量较差

(1)施工前未做混凝土配合比试验，施工时采用的水泥质量差，往往出现水灰比过大、骨料过多等现象，混凝土质量得不到保证。

(2)限于当时的施工条件，混凝土大多采用人工拌和，均匀性差；浇筑时未用振捣器，密实性差；浇筑后养护不到位，任其露天冰冻或暴晒，致使开裂。因此，混凝土涵洞(管)往往出现蜂窝、麻面、孔洞等现象，给工程留下了安全隐患。

2.2.2 石料及胶结材料较差

(1)多数工程处于偏远地区，交通不便，石料缺乏，砌筑涵洞采取的石料抗压强度参差不齐，个别甚至采用风化石料，砌石质量得不到保证。

(2)胶结材料有的采用水泥砂浆，有的采用三合土(石灰、粘土、砂)，其标号均较低，经多年运行后，胶结材料出现老化、融蚀、剥落现象，从而形成集中的渗漏通道。

2.2.3 基础处理不到位

涵洞(管)基础地质条件差或落于不同地层上未经处理，造成涵洞(管)施工后不均匀沉陷，从而产生环向裂缝。

2.2.4 伸缩缝止水材料及施工不到位

(1)伸缩缝止水材料多数采用橡胶止水，此原材料用量较小，往往被忽视，常常用无质量检测或无出产合格证的橡胶止水带，经多年运行后，止水带老化，形成渗漏通道。

(2)止水带埋入混凝土施工时振捣棒控制不好，致使振捣时碰到止水带，使之错位、扭曲，直接形成渗水通道。

2.3 运行管理不到位

中、小型水库在管理上人员很少，专业人员更少，特别是小型水库无专门的管理人员，输水涵洞(管)进口闸门常年处于全开状态。而多数涵洞(管)采用无压设计、断面不大，在汛期涵洞(管)进口闸门全开时，放水流量过大，容易造成涵洞(管)处于有压、无压交替运行状况，产生气蚀，破坏涵洞(管)结构。

3 主要加固措施

3.1 内套新管

3.1.1 应用条件及优缺点

当涵洞(管)内部尺寸较大，可满足套管施工时，可利用钢管、PE管、预制混凝土管或其他材料的管道套进原涵洞(管)，再对套进的管道与原涵洞(管)壁间进行回填混凝土或水泥砂浆，同时进行必要的灌浆处理，使套进的管道、原涵洞(管)及坝体间形成连续防渗体系。

此方法工程量小、工期短，但套管后过水断面减小，设计时应复核、对比加固前后涵洞(管)的过流能力。

3.1.2 工程实例

(1)基本情况

六甲水库位于福建省武平县武东乡六甲村，是1座以灌溉、发电为主，兼有防洪、养殖等效益的中型水库。水库枢纽工程由主坝、副坝、溢洪道、输水涵洞及坝后电站等组成，于1988年11月建成。坝后建有二级电站，总装机容量1 250 kW。

输水涵洞为砌石涵洞，全长130 m，洞型为城门型，底宽2.0 m，高2.3 m，顶部为直径2.0 m的半圆。施工时为满足坝后电站发电需求，在涵洞内安装了内径为1.2 m的压力钢管，但未对钢管与涵洞壁间的空隙进行回填处理。

自从涵洞建成后，就发现涵洞顶部及侧墙常年存在漏水现象，并夹带有泥浆和细沙。分析其主要原因是涵洞砌体砂浆标号低、不饱满，存在渗水通道；涵洞洞身段未设截水环，砌体和坝体的接触面容易形成渗漏通道，部分渗水流至涵洞内。

(2)处理方案

首先拆除原压力钢管，然后采用现场焊接方法进行压力钢管施工，最后在压力钢管与拱涵之间回填C15混凝土，并分段对涵洞进行回填灌浆。在重新安装钢管前对涵洞砌体还进行了补强灌浆，采用风钻钻孔，灌注水泥浆，通过砌体补强灌浆以解决砌体渗漏问题。

在钢管更换、回填混凝土至大坝垂直防渗墙处，即坝轴线位置的涵洞时。首先拆除2道宽0.6 m的拱涵砌体，并向基础砌体外多挖0.5 m，两侧和顶部挖至大坝防渗已施工完成的三管高压旋喷盖座处(砌体外0.1～0.2 m)；随后在挖开的范围内浇筑C20混凝土，并待混凝土干缩后，对混凝土与三管高压旋喷盖座进行接触灌浆；同时在截渗墙位置的钢管上焊接2道钢制止水环。通过以上处理，在坝轴线位置套管与大坝防渗体(三管高压旋喷、单管高压旋喷及帷幕灌浆)形成了一道连续防渗体，有效解决了坝体与涵洞砌体间的接触渗漏问题(见图1)。

图1 输水涵洞加固纵剖面

该工程经加固后，目前输水涵洞一切运行正常。

3.2 新建隧洞

3.2.1 应用条件及优缺点

当有适宜开挖隧洞的地形、地质条件时，可采取新建输水隧洞及对原涵洞(管)进行封堵处理，使输水建筑物远离大坝，提高工程运行的安全可靠性。

此方法安全、可靠；但工程量、投资较大，工期较长。

3.2.2 工程实例

新建输水隧洞及对原涵洞(管)进行封堵处理在福建省多座水库除险加固工程中得到应用，如漳浦县杨美水库、漳浦县后井水库、漳浦县石过陂水库、闽侯县三溪口水库、建宁县东风水库等。

(1)基本情况

后井水库位于漳浦县杜浔镇过洋村，是1座兼具灌溉、发电、供水等综合利用的中型水库。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水涵洞及坝后电站等组成，工程于1960年2月建成。坝后电站装机容量630 kW。

输水涵洞原为砌石结构，尺寸1.6 m×1.0 m(高×宽)，1982年涵洞内套钢管，管壁与涵洞间回填C15混凝土，钢管内径为φ0.9 m，管壁厚8 mm，涵洞长135 m。

由于浆砌石水泥砂浆标号低，砌石质量差，水库蓄水后，发现涵洞漏水145处，较大漏水39处。随后进行灌浆、洞内套钢管处理，但均不够彻底，套管后涵洞出口仍存在漏水现象，给工程留下安全隐患。

(2)处理方案

为了彻底全面解决输水涵洞渗漏问题、消除隐患。2011年水库除险加固时，采用新建输水隧洞，同时对原输水涵洞进行封堵处理。

新建输水隧洞布置在左岸坝肩，总长176 m，断面型式为城门型，开挖尺寸为2.4 m×2.4 m(底宽×高)，衬砌后为圆形，洞径1.8 m。

原输水涵洞封堵采用冲击钻将防渗墙处的旧涵管冲击挖除，然后浇筑低弹模混凝土防渗墙，与大坝其他部位低弹模混凝土防渗墙连成整体。

该工程于2014年进行完工验收，目前输水建筑物一切运行正常。

3.3 挖除重建

3.3.1 应用条件及优缺点

当土坝涵洞(管)处坝高在10m左右，可采用沿涵洞(管)轴线进行挖除重建，以达到彻底处理的效果。

此方法直观、可控，旧涵洞(管)直接挖除，可减少隐患；但对新涵洞(管)施工、坝体开挖后的土方回填施工及度汛要求高。

3.3.2 工程实例

尤溪县康林水库，原砌石涵洞断面尺寸为0.3 m×0.3 m(宽×高)，长度为56 m，砌石涵洞处坝高约为11 m。原涵洞砌筑质量差，砂浆不饱满，当库水位高于涵洞进口高程4.0 m时，水流经坝体后渗入涵洞，存在较大渗漏问题。2013年水库除险加固时，对输水涵洞进行挖除重建。具体措施如下：

首先沿涵洞轴线对坝体进行开挖，挖除现有涵洞，并挖至岩基；然后新建钢筋混凝土涵洞，每5 m设1道C25混凝土截水环，每15 m设1道伸缩缝；接着对涵洞顶以上坝体土方按规范要求进行夯填。

此次加固效果显著，目前放水涵洞一切运行正常。

3.4 新建涵管

新建涵管首先要根据工程实际情况合理选定新管位置，然后确定合适的施工方法。根据不同施工方法，新建涵管主要分为以下两种：

3.4.1 坝外明挖新建

当两岸有合适的地形时，可选择避开大坝进行明挖新建，并对原涵管进行封堵处理，避免大坝与输水建筑物交叉，提高工程运行安全可靠性。该方案首先将管基开挖至岩基，然后进行管道施工、设置截水环，最后碾压回填管道上方的土体。如晋安市新安水库，原砌石涵洞为污工砌石结构，由于不均匀沉陷导致涵洞出现3处裂断，给工程留下重大安全隐患。除险加固时，对原输水涵洞进行报废，在右岸采用明挖法新建输水涵管。经加固后，输水涵管一切运行正常。

3.4.2 顶管法新建

顶管法是一种不开挖或少开挖的管道埋设施工技术，其施工就是在工作井内借助顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤间的摩擦力，将管道顶入土中。一节管道完成顶入土层后，再进行第二节管道继续顶进。

该方法开挖及回填土方量小、工期短、投资小，但由于顶进的管道与坝体间的接触渗漏、管节间的防渗问题较难解决，且在大坝加固中工作量小、专业队伍难找。因此，在福建省还未能广泛、成功地应用。

4 结 语

水电站土坝输水涵洞(管)病险性是多种原因造成的。福建省历年来根据输水涵洞(管)病险原因分析，采取了内套新管、新建隧洞、挖除重建、坝外明挖新建等加固技术，效果显著，大大提高了水电站的经济、生态和社会效益。

[1] 张启岳.土石坝加固技术[M]. 北京：中国水利水电出版社,1999.

[2] 林耀辉.小型水库输水涵洞除险加固设计[J].黑龙江水利科技,2013,41(8):146_147.

[3] 陆炳群.水库坝下涵管险情分析及应对措施[J]. 中国水利,2007(6):67.

责任编辑 吴 昊

2015-06-03

林益龙(1981-)，男，工程师，主要从事水利水电工程咨询设计等工作。 E_mail:66714607@qq.com