安徽省小型土石坝输水洞主要病害及加固措施★

庞牧华 李瑞忠 梁 建

(1.安徽省·水利部淮委水利科学研究院，安徽 合肥 230088； 2.山东电力建设第三工程有限公司，山东 青岛 266100)

1 概述

安徽省位于长江下游、淮河中游及新安江上游，长江、淮河横穿省境南部和北部，天然的将全省分为江南、江淮之间和淮北三大区域。截至目前安徽省在册水库共计5 916座，其中江南区水库多为山区水库，江淮之间水库多集中在沿江丘陵地区及江淮分水岭，淮北地区水库则以平原水库为主。这些水库多兴建于20世纪50年代～70年代，水库的投入运行，充分发挥了防洪和兴利效益。三大区域间水库差异较大，同一区域内的水库又存在较大共性。受水库建设年代条件限制，多数工程防洪标准低、质量不达标、后期管理不善等因素，成为病险水库。输水洞是水利枢纽工程中的重要建筑物之一，其安全性直接关系到大坝乃至整个枢纽的安危[1]。

在工程质量问题中，输水洞的质量差，占了很大的比重[2]，加固前输水洞大都存在不同程度的老化和病害问题，如裂缝、止水老化失效、洞身渗水、洞身混凝土碳化、钢筋外露锈蚀、空蚀、闸门锈蚀变形及启闭设备老化等。输水洞的这些病害不仅对工程正常运行产生不利影响，危害结构本身安全，对下游人民的生命财产也造成巨大威胁。

文章根据水库规模、类型、区域，选取安徽省76座不同区域内小型水库输水洞为研究对象，统计输水洞病害及相应加固措施。将选取的水库样本按照所属区域，分为江南区水库、江淮之间水库和淮北地区水库三大区域，统计各区域水库输水洞病害问题，总结规律，旨在为小型水库输水洞除险加固中选取科学合理的加固措施提供帮助。

2 主要病害统计分析

2.1 主要病害统计及成果

样本中输水洞的病害问题主要有接触渗漏、结构老化损毁、圬工结构、金属结构失效等，如图1所示。

由图1可知，江南区小型水库输水洞病害中接触渗漏占比56.3%，江淮之间的小型水库输水洞病害中接触渗漏占比67.57%，这与筑坝材料及施工质量有很大关系，山区水库及沿江丘陵区水库受地理条件限制，黏性土储量少，筑坝土料黏粒含量少，大多数水库在“边勘测、边设计、边施工”情况下兴建，施工质量难以保证，因而这两个区域内输水洞常出现接触渗漏现象。抽查样本显示，淮北区域输水洞病害问题中圬工结构和结构老化损毁占比100%，接触渗漏占比83.3%，淮北平原区黏性土储量多，但由于输水洞为圬工结构，多年运行后均出现结构的老化损毁，水流经损毁的洞身进入坝体加速了接触渗漏的形成，这也是淮北地区土石坝虽然黏性土含量较高但接触渗漏占比仍高于其他两个区域的原因所在。

2.2 主要病害原因分析

1)接触渗漏。输水洞漏水多数是因为裂缝造成，如施工质量不好，防渗处理不当，或使用的材料差等原因使洞身有空隙孔洞[1]。根据抽查样本显示，输水洞常见裂缝为环向裂缝，这种裂缝又分全环裂缝和局部环向裂缝。此类裂缝的产生与施工质量密切相关，施工中混凝土养护不当、伸缩缝设置间距大等原因，导致混凝土体、新老混凝土连接处或混凝土与砌体连接处形成温度裂缝。输水洞正常运行中，闸门部分开启时，受水流影响产生较大振动，输水洞进口附近洞身也会产生裂缝。另外，洞身纵向裂缝也存在于部分输水洞中，该种裂缝的形成与后期运行管理不当，洞身上部荷载超过设计值有关。

输水洞长期超载运行或者洞身强度不足，洞身周围土体回填质量控制不好，回填土料差，黏粒含量低，压实度不足等因素，致使水库在高水位运行过程中，水流在压力作用下沿输水洞外壁四周渗入坝体，形成渗漏通道[3]。

2)结构老化损毁。我省小型水库多兴建于20世纪，经数十年运行，输水洞身混凝土老化、碳化现象严重，结构强度不足，运行中水流冲刷更加剧结构老化损毁程度。调查样本显示，省内水库输水洞多建于坝基或直接位于坝身填土上，受当时条件限制，输水洞基础多数未处理，洞身无基座，且沿洞身轴线坝体荷载不一，决定洞身结构受力的不均匀，洞身极易产生不均匀沉降，导致断裂，破坏结构稳定性。

3)圬工结构。省内不少水库输水洞为圬工结构，有些输水洞因砌体接缝不密实、砂浆强度低，经长期运行，产生风化剥落、碳化、气蚀等问题，破坏结构整体性，降低结构强度。输水时水流沿砌体接缝渗漏，侵蚀砌缝砂浆，破坏原圬工结构。

4)金属结构失效。水利工程建设中金属结构质量方面存在的问题多种多样，主要表现在安全性、耐久性、功能性、基本品质、适用性等方面[4]。我省小型水库输水洞根据启闭形式不同可分为塔式放水涵、斜拉杆放水涵、斜卧涵和虹吸式等，输水洞闸门常采用铸铁闸门型式，配备螺杆式启闭机。根据本次抽查样本显示，闸门门体变位，滚轮锈蚀卡阻，门体漏水，螺杆变形，启闭设备操作困难等现象较为常见，这与门体安装质量、运行期操作不当及后期养护管理不到位等原因有关。

3 加固措施

在对本次抽取样本加固措施调研的基础上，作者总结出省内输水洞的病害除险加固措施主要有涵洞封堵、拆除重建、新建输水隧洞、涵洞套管等，如图2所示。

由图2可知，安徽省内江南区域封堵原病险涵洞措施占比43.8%，其次为拆除重建和新建输水隧洞，占比均为31.3%，该区域涵洞套管也是常用处理措施，占比15.5%，江南区山区水库坝体高，坝长短，对埋深浅的输水洞可采用拆除重建措施，埋置较深的输水洞常采用封堵涵洞并结合新建输水隧洞的措施，有些水库为缩短工期也常选择涵洞套管措施。江淮之间拆除重建措施占比89.2%，涵洞封堵占比16.2%，新建输水隧洞占比5.4%，涵洞套管占比2.7%，江淮之间沿江丘陵区水库坝体较长，输水洞埋深较浅，因而较多采用拆除重建措施，对不易拆除的输水洞采用封堵涵洞措施，有时也结合采用新建输水隧洞措施，涵洞套管措施虽然在江淮之间水库运用占比不高，但其工期短的特点在一些输水洞病害应急处理中常被采用。淮北地区多为平原水库，拆除重建措施占比100%，这与坝体不高，输水洞埋深浅，坝体黏性土含量高，可采用较小开挖断面有关。

3.1 涵洞封堵

调研中发现，省内山区水库由于大坝高，坝长短，涵洞埋深大，采用拆除重建措施时造成的开挖断面较大，为满足稳定开挖边坡坡比要求，需破坏较长坝段，因而在具体加固工程实施时不采用开挖方式，多数采取涵洞封堵的方式。

涵洞封堵可在进口或者出口段进行局部开挖，浇筑混凝土堵头或者采用毛石混凝土堵头，并结合采用涵身周围回填灌浆方法；对于可进人涵洞，也采用洞内浇筑混凝土堵头并采用接触灌浆方式封堵。

涵洞封堵方式有浇筑工程量小、投资少、不涉及较大断面开挖等优点，常用于输水洞埋管较深，拆除重建开挖回填工程量极大的情况。进出口段浇筑堵头方法需在大坝坝坡造孔对涵洞进行回填灌浆，这要求对涵洞位置进行精准定位，否则回填灌浆很难达到预期效果[5]。洞内封堵则对接触灌浆质量要求较高，施工前需进行试验，采用合理的施工工艺，对圬工结构洞身施工前还需对原洞身进行加固。

3.2 拆除重建

江淮之间及淮北地区输水洞埋深较浅，拆除重建时开挖断面较小，因此该区域输水洞除险加固时广泛采用拆除重建的措施。具体实施时根据输水洞病害情况，可采用局部拆除重建和整体拆除重建的方式。

拆除重建输水洞有着处理较为彻底，施工难度小，施工工艺简单，可根据运行管理要求选用不同的建筑形式及涵身尺寸等优点，多用于坝高较低水库。整体拆除重建输水洞的除险加固措施，回填时应采用黏粒含量较高土体并控制回填土的压实度，防止后期运行中出现渗漏通道；局部拆除重建输水洞的除险加固措施，设计施工时新老建筑物接触位置的衔接处理尤为重要，如处理不当极易造成缝隙存在，提供渗漏通道，影响大坝安全。由于坝体形状决定输水洞洞身受力不均匀，采用拆除重建措施时洞身基础及自身强度应有足够的可靠度。

3.3 新建输水隧洞

新建输水隧洞的除险加固措施在江南区域运用较为常见，江淮之间也有一定的比例。该除险加固措施一般结合涵洞封堵措施使用，为水库枢纽提供新的放水通道，保证灌溉及水库防洪需求。

对于坝内涵管渗漏严重、有条件打隧洞的水库应优先采用打放水隧洞替代原坝内输水洞涵管方案，封堵原坝内涵管[6]。江南区域及江淮之间的山区水库，大坝高，坝长短，不适宜拆除重建现有输水洞，也不适合在坝体新建输水洞，另选新址建设输水隧洞就成为最有效的除险加固措施。新建输水隧洞有一定的施工难度，施工过程中可能遇到涌水、涌泥、坍塌等情况，因此施工中超前地质预报尤为重要。超前地质预报，可大大提高设计、施工人员对围岩状态、特性的判定，超前谋划科学的开挖方式及合理有效的支护方案[7]。

3.4 涵洞套管

调查研究结果显示，涵洞套管措施在江南区域和江淮之间水库中有一定占比，淮北地区则很少使用。涵洞套管措施多采用在原输水洞内套PE管的方法，这种措施施工技术简单，不需开挖土石方，极大缩短工期，同时可充分利用原输水洞洞身支撑作用，涵洞内套管所受外力较小，减少工程投资。

PE管物理性能优良：柔性好，耐扭曲，抗强震。耐磨损，耐冲击，耐低温性能好等；化学稳定性好，耐各种酸、碱、盐腐蚀；管材结构强度高，内壁平滑，摩阻低，过流量大，连接方便，接头密封性好，无渗漏，无毒无污染，重量轻，施工快捷，使用寿命长[8]。

涵洞套管施工中对原洞身涵管与新套管之间空隙处理技术要求高，一般采用充填灌浆工艺，常用孔口封闭式循环灌浆法灌注水泥砂浆。灌浆压力选用及水泥砂浆配合比应根据现场试验确定，灌浆后应检查灌浆质量，判别灌浆密实程度，对于脱空较大部位还需重新开孔补灌，以保证新旧管道充分粘合，提高整体性。

4 结语

输水洞是水库枢纽三大建筑物之一，输水洞的正常运行对水库充分发挥灌溉、防洪效益起到至关重要的作用，其安全问题也不容忽视。通过对近年来我省小型水库除险加固中输水洞病害形式及除险加固措施的统计分析，发现江南区域及江淮之间小型水库输水洞主要病害为接触渗漏，淮北地区则以圬工结构和结构老化损毁居多。受区域条件影响，输水洞除险加固采用的措施也不尽相同，江南区域常见措施为涵洞封堵，江淮之间及淮北地区则以拆除重建措施为主。在新一轮的小型水库除险加固中，可根据所属区域深入分析输水洞相应的病害情况，选取最为科学合理的加固措施。