棋盘山水库坝脚排水沟渗漏原因分析及处理措施

刘孝东

(辽宁西北供水有限责任公司，沈阳 110003)

1 工程概况

棋盘山水库位于沈阳市北郊满堂乡浑河支流蒲河上游辉山——棋盘山山谷，是一座以防洪为主，兼顾旅游、养鱼等综合利用的多年调节水库。水库设计总库容为6034万m3，规模为中型水库，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物的级别为3级。水库正常蓄水位94.5m，设计洪水标准为100a一遇，设计洪水位为97.56m，校核洪水标准为1000a一遇，校核水位为100.02m。

水库主要工程有拦河坝、输水洞、非常溢洪道。坝长267m，防浪墙顶高程104.45m，坝顶宽8.9m，最大坝高24.5m，为均质土坝。输水洞位于大坝右岸，洞长283.4m，洞径3.5m。非常溢洪道为开敞式宽顶堰，堰顶高程98.33m，堰长33m，堰顶筑有土堤，当库水位达到100m高程时，土堤自溃，非常溢洪道泄流，最大泄量达471 m3/s。

2 现状描述及渗漏原因分析

2.1 输水洞现状及存在问题

输水洞位于大坝右岸，从大坝右岸山体穿过，为混凝土有压圆断面隧洞，隧洞内壁由不等厚的钢筋混凝土衬砌(各段衬砌厚度见表1)。洞长283.4m，洞径3.5m，洞进口底高程81.5m，出口底高程79.5m，预留1孔发电支洞，由于未进行发电，此洞已用混凝土堵死。输水洞最大泄流量为101.9m3/s，出口为挑流消能，尾水渠河底高程78.20m。输水洞除了满足下游生态需要外，还承担泄洪任务。

表1 输水洞衬砌特性表

输水洞与大坝位置关系见图1。

图1 输水洞与大坝位置关系

根据棋盘山水库管理处工作人员描述及实际现场检查，水库大坝下游右侧坝脚，距离输水洞洞身约30m处排水沟侧墙体有明流溢出，出溢水清澈、未携带杂物。此现象在输水洞内充满水时存在，放空后消失。

现场检测发现隧洞衬砌外观质量检测发现多处渗水点，具体情况如下：

1)0+042-0+050范围内衬砌存在多处渗水点，沿衬砌内壁渗水，渗流量较小，但洞壁存在清晰渗流痕迹。其中左侧靠近闸门处存在一处排水管漏水，漏水情况较为明显。

2)0+078衬砌顶部存在一处渗水点，渗水处已形成细流，流速较快。

3)0+113处衬砌右侧存在一处漏水点，水流较细且喷洒而出。漏水部位为混凝土横向与纵向施工接缝处。

4)0+235衬砌右侧存在一处孔洞漏水点，水流较细，流速较快，漏水现象较为明显。

5)0+253处衬砌混凝土存在一处环形裂缝，其裂缝宽度为0.1-10mm，无渗水现象。

6)其余部位虽未发现明显漏水点，但洞壁存在清晰渗流痕迹。大都存在混凝土表面露石、破损严重，局部已形成剥蚀浅坑。

2.2 排水沟边墙渗漏原因分析

水库自建库以来在下游排水沟就有渗水现象，其渗流量约为57m3/d，输水洞放空时渗流消失。当时经省市有关专家分析，认为坝脚渗水不是绕坝渗流，而是输水洞渗漏引起的，因此2011年组织实施了棋盘山水库加固工程，对输水洞衬砌裂缝采取化学灌浆处理。处理后，渗水现象有所好转，但仍未彻底解决。现在，在距离输水洞洞身约30m处坝脚排水沟侧墙体有明流溢出，出溢水清澈、未携带杂物。输水洞内无水时，渗漏现象消失，渗水量与输水洞内压力水相关性很强，可以判定输水洞渗漏是排水沟边墙渗漏的主要因素[1]。

输水洞建成距今40多年，当时施工工艺落后，衬砌混凝土开裂、破损；回填灌浆不密实极易造成洞顶衬砌与岩体间出现空隙。输水洞内有压水通过衬砌裂缝、破损等部位渗出，或经过洞顶的空隙通道，顺着山体的节理裂隙排出，造成坝脚排水沟边墙产生渗漏现象。

3 渗漏处理方案设计

棋盘山水库任务是以防洪、灌溉为主，兼顾养鱼等综，为保证汛前腾空库容，应尽快对输水洞渗漏进行修复，其他部位有条件的宜同时完成。

根据输水洞现场图像资料和检测报告，输水洞原衬砌结构存在表面平整度较差、局部破损漏筋和存在较大裂缝和渗水点，存在洞内水在内水压力作用下，穿透衬砌薄弱点经山体裂隙外渗，最终在坝脚排水沟出露的可能。输水洞前次除险加固采用局部灌浆修补的措施，从目前情况看效果并不理想。因此，本次处理考虑对全洞进行防渗处理以解决渗漏问题。拟比选3种洞内防渗方案，分别为：方案①不锈钢板内衬、方案②钢管内衬、方案③聚脲涂层内衬[2-4]。

3.1 方案①不锈钢板内衬

1)技术依据：

不锈钢内衬焊接工艺主要依据《现场设备、工业管道焊接工程施工规范》(GB50236)和《工业金属管道工程施工规范》(GB50235)；施工验收参考《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB50268)进行。

2)内衬结构示意图见图2。

图2 不锈钢板内衬示意图

本方案借鉴非开挖地下管道不锈钢内衬管道工艺，即在原有的地下管道1中衬入薄壁不锈钢管道3，在1、3层间缝隙灌入填充剂2。原有地下管道1主要功能是承受管道内压与外压。薄壁不锈钢管3是耐蚀金属制成的薄壁金属管，其主要功能是防腐蚀和防漏水。填充层2的功能是填充原管道1内壁和不锈钢衬管3外壁之间的空间，使不锈钢衬里地下管道成为一个整体结构的复合管。

3)薄壁不锈钢内衬的优点：

内衬后的管内壁光滑不易结垢，降低运行摩阻。由于钢中含有18%的铬，在使用过程中管道内壁形成一层极薄的氧化铬薄膜，该薄膜阻止金属继续氧化，故不锈钢有很强的耐腐蚀性能，不仅能承受水和空气的腐蚀，而且可以承受弱酸弱碱的腐蚀。内衬不锈钢管的厚度有3mm。

强度高：304不锈钢的抗拉强度520MPa，屈服强度210MPa，断裂伸长率>30%，具有良好的适应变形和附着性能。

耐腐蚀性好：特别是耐晶间腐蚀性优越；不老化，没有其他材料慢速裂纹、快速裂纹的致命缺陷；适用于一般腐蚀性的许多环境。

安全、卫生：该型号不锈钢属于食品级材料；薄壁不锈钢内衬，基本不改变原管道的直径，表面光滑提高流量能力10%-20%。

4)薄壁不锈钢内衬在本工程的适用性：

根据输水洞洞内无水时外水内渗的情况可知，隧洞周边存在外水压力。根据库水位和周边山体地形，外水压力最高可达十余米。隧洞原衬砌结构已有多处破损，外水从破损点穿过衬砌结构进入洞内。若采用薄壁不锈钢内衬，外水压力将作用在内衬不锈钢管上。而内衬不锈钢管一般厚度在5mm以下，本身无法抵抗外水压力，此时只能依靠内衬不锈钢管与原衬砌结构间的填充剂将不锈钢管与原衬砌结构结合，共同承担外水压力。一旦填充剂在外水压力作用下产生破损，内衬不锈钢管与原衬砌结构间就会产生空腔，空腔处不锈钢管不单要承担外水压力，还宜在洞内高速水流所用下产生震动，最终造成疲劳破坏或与原衬砌结构脱离。

因此，内衬不锈钢板虽能很好的承受内压，但本工程原隧洞衬砌结构已有多处破损，很难保证内衬不锈钢板与原衬砌混凝土的结合。一旦局部破损处内衬不锈钢板剥离，就会形成联锁反应，造成整个内衬管道大面积破坏。

3.2 方案②钢管内衬

为解决方案①中薄壁不锈钢板不可承担外水压力的问题，拟采用内衬钢管承担外水压力和内水压力。输水洞内径3.5m，考虑钢衬外回填混凝土，钢管洞内运输等作业空间，钢管外径取Φ3220mm。施工时，原衬砌结构凿毛50mm，钢管外壁至原衬砌净尺寸140mm，衬砌回填自密实混凝土厚190mm。

钢衬结构图如图3所示。

3.2.1 钢衬结构复核

钢衬抗外压稳定按明管计算，其外压按标准值考虑，即钢衬内最大负压0.05MPa，钢衬外最大外水压力0.15MPa，组合最不利外压标准值为0.20MPa。

不考虑钢衬外混凝土的约束作用，依据《水电站压力钢管设计规范》(NB/T 35056-2015)，光面管管壁抗外压分析公式如下。

(1)

式中：t为钢衬计算壁厚；D为钢衬内径；Es为钢材弹性模量，206000MPa。

图3 钢管内衬示意图

经计算，外压0.20MPa时，光面钢衬计算壁厚18mm，考虑2mm的腐蚀厚度并取整，钢衬设计厚度取20mm。

另外，棋盘山水库输水洞桩号0+101.554-0+131.916为转弯段，转弯半径30m，转角约58°；输水洞出口设一扇3.1m×2.6 m弧形钢闸门。内衬钢管进入洞内，必须在工厂纵向分割成3-4块瓦片，现场焊接组装。瓦片在工厂内分别加工接触灌浆孔。具体工序如下：

1)钢衬沿轴线方向均分为3-4块瓦片，现场安装时，先将下部两节瓦片运至渐变段正确位置，进行定位、拼装工作，定位、拼装并点焊完毕后，在下部两节钢衬内表面铺设轻轨，安装起升台车，然后利用起升台车分别将上部瓦片顶推至安装位置，进行定位、拼装工作。

2)整个钢衬全部定位拼装完毕后，在钢衬内进行焊接工作，焊接工艺均为单面焊双面成型。纵缝焊接完成后，进行钻孔及锚固钢筋的植入和塞焊、焊后磨平操作。

3)焊接工作验收完毕后，实施灌注微膨胀细石混凝土C30F200、回填灌浆、接触灌浆，确保钢衬与混凝土衬砌密切贴合。最后焊接堵塞钢板并涂刷聚脲防腐层。

3.2.2 钢衬水力计算

输水洞为有压隧洞，洞径3.5m，洞长283.4m，进口为喇叭口形，有一扇平板闸门，出口为弧形钢闸门，对输水洞进行水力学过流能力复核，计算公式：

(2)

(3)

钢衬前输水洞洞径3.5m，衬砌粗糙系数取0.014；钢衬后洞径3.2m，衬砌粗糙系数取0.012。

经核算，钢衬后输水洞最大泄量98.3m3/s，基本满足库水位100.01m以下时，独自承担泄洪任务。

3.3 方案③内衬聚脲涂层

输水洞表面普遍存在蜂窝麻面，水力冲蚀破坏严重，且存在环向裂缝，需对环缝进行开槽、环氧砂浆处理，对输水洞衬砌表面进行打磨，缺损处涂弹性环氧砂浆，渗水点进行堵漏处理，伸缩缝内填塞聚氨酯类嵌缝密封料使其与衬砌表面平整；以上工序完成后，在输水洞衬砌表面设置聚脲涂层，厚度≥3mm，采用刮涂、涂刷或辊涂方法施工。

另外，输水洞周边山体可能存在库内与下游的渗漏通道，为防止库内水经山体向下游渗漏，在输水洞桩号0+102附近设置3排环向灌浆帷幕。帷幕灌浆孔深12m，孔径Φ56mm，交错布置。灌浆孔排距1m，每排布设15孔，灌浆压力≤1MPa，并根据施工中具体情况进行调整。

4 比选结论

从投资、工期、防渗效果、运行影响等因素比较以上方案如表2所示。

表2 方案比选表

方案①多用于工业管道，管径较小，水工建筑物运用较少且无法抵抗外水压力，存在安全隐患。

方案②技术成熟，整体刚度高；但施工工艺复杂，周期长，投资高。

方案③投资低，施工工艺简单，周期短，且已在国内外多个水利工程中运用，技术成熟，耐久性好。

考虑修复工程规模小，安全性要求高，推荐投资小、工期短且不影响运行的方案③内衬聚脲涂层。