土石坝穿坝涵管险情分析及加固技术综述

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.水利部大坝安全管理中心，江苏 南京 210029)

穿坝涵管是我国土石坝建设中采用最多的一种输水建筑物，可用于灌溉、供水、发电、泄洪、放空水库及施工导流等，具有施工方便、工期短和造价低等优点[1]。由于涵管贯穿土石坝坝体，一旦出现问题，将直接危及大坝安全。我国90%以上水库大坝为土石坝，大多始建于20世纪50—70年代，很多土石坝建造时工程质量差，再加上后期管理不善，水库经过多年的运行，由于坝体的不均匀沉降或者涵管自身强度不足或者外力的破坏作用，导致穿坝涵管出现不同程度的病险问题，严重威胁土石坝安全。在历次溃坝事故的统计中，因穿坝涵管问题导致的溃坝数量，无论是在溃坝总数中还是在质量原因引起的溃坝事故中都占有较大比重，可见穿坝涵管对土石坝安全的影响不容忽视。

本文首先介绍穿坝涵管的结构型式，然后总结穿坝涵管险情种类，分析各险情的产生原因，并对穿坝涵管加固技术进行概述和总结。

1 穿坝涵管结构型式

1.1 按涵管断面形状分类

穿坝涵管结构型式按涵管断面形状，可分为圆形、箱形(方形、矩形)、拱形(城门洞形)、马蹄形、椭圆形和蛋形等。国内外部分水库穿坝涵管断面形状统计见下表[2]，可以看出无论国内还是国外，断面为圆形的涵管所占比例最多，约占1/2。

国内外部分水库涵管断面形状统计表

1.2 按管身材料分类

穿坝涵管按管身材料，可分为混凝土、钢筋混凝土、浆砌块石、浆砌条石、砌砖、陶瓦管、木管、竹管、铸铁管、钢管、螺纹金属管(CMP)、铝管、塑料管和PVC管等。

在表1中，国外23例涵管中有10例为钢筋混凝土涵管，5例为螺纹金属管(CMP)；国内33例涵管中，至少14例为钢筋混凝土涵管，5例为砌石涵管。由此可见，国外穿坝涵管多采用钢筋混凝土及螺纹金属材料，国内采用钢筋混凝土及砌石材料较多。

1.3 其他分类

穿坝涵管还可按洞内水流形态，分为无压涵管和有压涵管，有压涵管多采用圆形混凝土管，承受更大的内水压力时，可采用预应力钢筋混凝土管；另外，按控制水流位置，可分为坝前控制和坝后控制型式。

2 穿坝涵管险情分析

2.1 病险种类

国外自20世纪80年代起，以美国为主的组织机构和学者就已经开展了穿坝涵管病害问题研究。1988年，美国陆军工程兵团(USACE)调查显示，坝内混凝土管道最常见的病害是管道裂缝和接缝处漏水[5]；在美国乃至世界范围内，成千上万座土石坝穿坝涵管采用了螺纹金属管(CMP)，此类涵管普遍存在金属腐蚀问题；1989年，Koelliker和Lin[6]对美国中西部流域50座土石坝内CMP涵管进行了调查分析，认为渗漏和涵管接缝处的腐蚀是影响涵管使用寿命的主要因素；1999年，Evans和James[7]对美国14个州进行了调研，调研成果表明共有1115座土石坝穿坝涵管存在管涌问题，其中53%为CMP，23%为钢管，20%为混凝土管；2005年，联邦应急管理局(FEMA)编写了《土石坝穿坝涵管工程技术手册》，将穿坝涵管的主要病害归纳为自身劣化、裂缝和接缝脱节等。

在国内，大批土石坝涵管随着服役年限的增长，都出现了不同程度的病险问题，其对土石坝安全的影响也越来越受到关注，很多省区也对穿坝涵管病险问题进行了调查统计。20世纪80年代，山东省调查了35座大中型水库输水涵管，其中20%以上的水库输水涵管存在裂缝；浙江省多数水库建于20世纪50—60年代，工程存在标准低、质量差等先天不足，加之管理不到位，水库放水涵管普遍存在伸缩缝止水片损坏、止水沥青老化、管身断裂、漏水等现象；江西省曾调查了181座土石坝内输水管，95%的水库输水管出现了断裂和漏水；广西壮族自治区曾调查了4326座水库，穿坝涵管存在裂缝、严重漏水的有1298座，占全区水库总数的30%；2008—2015年，山东省对5316座病险水库进行了除险加固，病险水库中80%的水库涵管存在坍塌、破裂、移位、裂缝、渗透破坏；2015—2016年，湖南省对751座小型病险水库坝下涵管进行了检查，其中65%的水库坝下涵管存在堵塞现象，22%的水库坝下涵管存在渗漏问题，仅有13%的水库大坝涵管可继续使用[3]；湖南省湘西自治州的水库中85%以上为土石坝，自2000年以来，湘西州对161座水库的穿坝涵管进行了处理，这些水库穿坝涵管主要安全隐患有管身断裂、堵塞、漏水等；广东省博罗县有40多座小型水库的输水涵洞采用条石涵、砖石方涵或其他涵管，经过多年运行，普遍存在涵管老化和漏水现象。

穿坝涵管病险问题除以上案例中出现的裂缝、渗漏、堵塞和止水损坏外，还包括涵管与坝体接触部位填土不实或存在脱空缝隙等。另外空蚀也会影响穿坝涵管的安全，如管内壁长期经受空蚀，材料会因疲劳而脱落，使管壁出现小凹坑，进而发展成海绵状破坏，空蚀严重时，甚至可形成大片的凹坑。

根据以上国内外对穿坝涵管病险问题的统计与研究，可知穿坝涵管主要的病害险情有裂缝(断裂)、渗漏、堵塞、空蚀等，其中裂缝和渗漏现象最为普遍。

2.2 险情成因

a.裂缝。涵管裂缝(断裂)会破坏涵管结构，产生漏水，引起土坝渗透破坏。涵管产生裂缝(断裂)的原因有：ⓐ涵管一般管线较长，若基础存在不均匀沉降，则导致管身裂缝(断裂)；ⓑ土石坝断面为梯形，造成涵管各部位埋深不同，引起管身所受荷载不均;ⓒ管壁厚度不足或配筋不够导致涵管自身结构强度不足，引起管身裂缝(断裂)；ⓓ由于管理运用不当，无压涵管汛期有压运行，造成管身断裂破坏；ⓔ涵管未设沉降、伸缩缝，或结构缝间距过大，温度变化导致涵管产生裂缝。

b.渗漏。一类为垂直于洞壁方向：外水内渗，水流由坝体通过涵管的裂缝、接头处进入管内；内水外渗，当涵管有压运行时，若涵管出现裂隙，水流将从管内向管外渗透。这类渗漏多是由于涵管存在裂缝、伸缩缝止水老化、接头处理不当等导致。另一类为沿洞壁方向：渗流沿着涵管与坝体接触，严重时形成接触冲刷，导致渗透破坏。这类渗漏多由涵管周围土体夯压不实、管壁与填土结合不紧密导致；另外，未设置截水环或截水环损坏，导致渗径缩短，也使管外壁和土体间易产生接触渗漏。

c.堵塞。涵管堵塞主要发生在断面尺寸小、强度低的小型水库输水涵管。设计未考虑运行管理上的需要，只考虑满足灌溉流量的要求，因此，涵管断面尺寸一般只有0.2～0.4m，常被块石、树枝、淤泥及其他杂物堵塞；有些涵管由于结构承载能力低而被外力压破堵塞。

d.空蚀。空蚀形成的原因多是涵管进口形状设计不当、运行时无压变有压等，导致管内水流流态不顺及多变，水流在与管内壁接触处的压力低于它的蒸汽压力时形成气泡，或溶解在水流中的气体析出形成气泡，当气泡受压力变化溃灭时产生极大的冲击力，使材料产生疲劳而脱落。

3 穿坝涵管加固技术

人们在关注穿坝涵管病害险情及其成因的同时，更加注重涵管除险加固措施的研究，并在实际工程中加以应用。

目前在实际工程的穿坝涵管加固中，采用的加固技术和方案主要分为四种：贴补和灌浆加固、坝体开挖原址重建涵管、封堵原管另建新管(或隧洞)、坝体非开挖内衬套管。

3.1 贴补和灌浆加固

对于管道表面的裂缝和接缝漏水、麻面及表层混凝土碳化脱落、钢筋外露锈蚀等病险问题，多采用抹环氧砂浆、贴敷环氧玻璃钢等方法进行加固。这种方法能使裂缝闭合，防止渗漏，提高强度，适合断面较大、管身结构质量尚可、人员可进入施工的涵管。对于涵管空蚀的处理，可用环氧树脂基液和环氧树脂砂浆补平，也可采用丙乳砂浆进行修补。

近年来碳纤维布在涵管的加固中也得到了应用，碳纤维布是一种柔性较好的高强抗拉材料，极限抗拉强度达3790～4825MPa，弹性模量达220～235GPa，延伸率大于1.4%。对于承受内水压力且抗裂性能不满足要求，管身存在裂缝、空蚀等问题的涵管，在管壁粘贴1～3层高强碳纤维布内衬，可以达到增强涵管结构强度和防渗的目的。

在对管身进行加固的同时，为使涵管与坝体接合紧密，解决沿管壁接触渗漏问题，确保大坝安全，可采用充填灌浆处理涵管外周边的空隙。灌浆孔位间距一般为1～1.5m，孔深至涵底以下1m，灌浆压力不大于0.05MPa，以免劈裂坝体形成新的缺陷；每孔复灌3次以上，每次复灌间歇时间不少于5天，以确保灌浆效果。对沿管壁接触渗漏问题，也可采用高压喷射灌浆进行截水处理，高压喷射有定喷、摆喷、旋喷等形式。除灌浆外，还可在涵管外侧增设截水环。

贴补和灌浆加固对结构没有大问题的旧涵管收效较好，但对于出现较大破坏险情(断裂、移位和严重渗漏)的涵管采用这类措施往往不能从根本上解决问题。

3.2 坝体开挖原址重建涵管

当涵管结构破坏严重，特别对于那些强度低的木、瓦、砖、素混凝土、钢丝网薄壳等结构涵管，进行局部修补灌浆，已不能使其达到正常使用要求时，一般只能废除新建。另外，对于无法进人作业的堵塞涵管，根据堵塞体在涵管内位置的不同，当采取在涵管出口和潜水员在进口捅击堵塞体等办法无法疏通时，也只能废除新建。

破坝开挖土体又称明挖法，在原涵管处按梯形断面开挖坝体，开挖底宽为2～3m，开挖过程中需及时做好边坡的防护措施。拆除原涵管后，在开挖基础上浇筑水泥砂浆垫层。新建涵管应考虑运行管理要求，断面尺寸不宜过小，以方便日后检查维护和加固施工。

坝体开挖重建涵管在小型工程和低坝中采用较多，对于涵管埋设较深、坝高较高的工程，考虑到导流和度汛风险，涵管断面坝高超过10m时应慎重选择该方法。坝体开挖原址重建涵管可彻底解决原涵管存在的安全隐患，但该方法不仅工程量大、造价高，同时破坏坝体结构，且原坝体与新填筑坝体的结合质量难以保证，涵管处以及涵管接头部位的土体亦难以夯实，易留下安全隐患。

3.3 封堵原管另建新管

封堵原管另建新管，即首先将原病险涵管封堵，然后在坝体其他位置兴建涵管或在坝体以外的坝肩位置新建输水隧洞。涵管封堵有混凝土堵塞法、平行灌浆法、逆向灌浆法、十字灌浆法等，封堵长度以接近1/3涵管长为宜。

对坝肩地质条件较好、具备开挖隧洞条件的，宜优先考虑封堵原病险涵管另建输水隧洞方案，彻底消除穿坝涵管对土石坝安全的威胁。

对坝肩地质条件差、不具备开挖隧洞条件的水库，可考虑拆除或者封堵存在病害的原涵管，在大坝合适部位重建输水涵管，采用这种措施需要开挖坝体，应做好施工导流、围堰等临时工程措施。

封堵原管另建新管(隧洞)可彻底解决涵管病险问题，但这种处理方案投资大，有时还会受库区两岸地形地质条件限制难以实施，此时可以采用虹吸管作为输水设施代替坝内涵管，如浙江、广东、广西、江西等省份先后推广采用虹吸管，并取得了不错的运行效果。虹吸管利用真空管大气压原理，通过虹吸作用将库水吸入管内，并通过控制阀出水。虹吸管具有操作简单、投资省、工期短、度汛风险小等优点，更重要的是不易对大坝安全造成隐患，同时维护检修方便。但虹吸管吸出高度往往有限，受大气压强、施工工艺、水头损失、材料等因素影响，虹吸管的最大吸出高度为8m，超出此范围则可能发生管道振动、断流等情况，不能保证其安全稳定运行。因此，虹吸管不适宜中、高坝，一般只适用于坝高12m以下、放水流量小于0.5m3/s的水库。

3.4 套管加固

当涵管已严重破坏，管内施工不便时，也可采用套管对病险涵管进行加固。套管施工完成后，应在涵管进口段开挖重新回填黏土并夯实，同时在下游出口做好反滤。在投资、工期、施工、管理等方面，同其他涵管加固技术相比，套管施工更便捷，不用开挖回填，施工期短、度汛风险小、造价低，同时可以利用原涵管，保留原进水口的开关设施。套管施工技术因上述优势，在穿坝涵管的加固中得到了广泛应用。

目前在实际工程的穿坝涵管除险加固中，使用较多的套管有PE管、PVC管、玻璃管、钢管等。如辽宁省大石桥市周家水库，采用坝体非开挖内衬PE管的方式对坝下涵管进行了加固，并在PE管与原涵管内壁之间的空隙灌水泥砂浆，解决了内水外渗的问题[8]；PVC-U管因具有较高的强度和耐腐蚀性，被应用于广东省博罗县多座小型水库涵管除险加固中，对于管径800mm以下的涵管加固效益明显[4]；湖南省平江县211座小型水库输水设施主要采用涵卧管输水，其中小(2)型水库卧管除险加固时全部采用φ300PVC管做内模，现浇钢筋混凝土；济南市石店水库在放水洞涵管的加固工程中，采用了涵管内衬玻璃钢管加固的方法，取得了不错的效果[9]；广西柳江县采用原涵管内套钢管的加固方法，对13座小型水库放水涵管进行了加固，并在新旧管之间及涵管外围空隙充填灌浆，施工期短，投资较小[10]。

当前还有一种较为新式的穿坝涵管加固方法，即承插管施工技术。所谓的承插管施工技术，就是指为了连接管道，把管道两端制成承口与插口，把插口插入承口内，然后密封接缝的管道或管系。承插管施工技术具有受外界影响小、施工便捷、造价低等优势。

4 结 语

穿坝涵管作为水库大坝的重要组成部分，其自身的安全问题及其对土石坝安全的影响不容忽视，水库运行管理单位必须加强巡视检查，及时发现问题并进行处理。

本文对土石坝穿坝涵管病害险情进行了总结分析，并概述了4种目前主要的涵管加固技术。从当前的研究成果及实际加固工程可以看出，几种加固技术和方案各有优劣，应结合涵管断面尺寸、埋设深度、地质条件等综合选用。近年来，我国绝大部分病险水库穿坝涵管都实施了除险加固，各种加固技术和方案也都取得了不错的效果，但部分工程由于各种原因，病险涵管的处理未达预期效果，因穿坝涵管导致的大坝垮塌及溃决事故仍时有发生。因此，如何进一步提高穿坝涵管加固效果，并减少因加固施工对大坝产生的二次危害，还需因地制宜，积极探索穿坝涵管加固改建的新技术、新方法。