宾川县大银甸水库输水隧洞缺陷成因分析及除险加固处理

佟 童

新疆兵团勘测设计院集团股份有限公司 新疆 乌鲁木齐 830000

1 工程概况

大银甸水库是一座以灌溉为主，兼顾防洪、城镇供水等综合利用的中型水库。大银甸水库承担着4.76万亩农田灌溉用水，在非常情况下作为备用水源保证县城人饮用水需求的任务，并肩负着县城、村镇6万人以及万亩农田的防洪任务。自1978年开工建设至1986年建成运行后，国家领导人对这一造福百姓的民生工程进行了高度赞扬，1987年经水电部和国家工程建设质量奖审定委员会验收，评定为国优、部优工程，获得1987年“国家优质工程银奖”。大银甸水库总库容在3995.40万m3，工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，设计洪水标准p=1%，校核洪水标准PMF，泄水建筑物消能防洪标准p=3.33%。水库枢纽由主坝、副坝、输水隧洞、泄洪隧洞、非常溢洪道组成。主坝为砾质粘土心墙风化料坝，坝长147.5m，最大坝高57.2m，坝顶高程1547.6m。输水隧洞位于主坝右岸山体内，为全段有压隧洞，主要由进口明渠段、竖井前有压隧洞段、检修竖井段、竖井后有压洞段、出口工作闸室段、出口扩散段及消力池段组成，隧洞轴线全长651.779m（至出口消力池尾坎）。其中，洞身段长610.479m，原设计输水流量10m3/s，最大输水流量20m3/s，除险加固后最大下泄流量24.20m³/s，输水隧洞运行30余年来，为下游农田灌溉发挥了重要作用，遇特殊情况也可宣泄少量洪水。

输水隧洞位于泄洪隧洞之右侧，穿越的山体地形多为斜坡，局部为陡坡，属中等切割低山—中低山地形，构造、剥蚀地貌。输水隧洞沿线无滑坡、坍塌及泥石流等不良物理地质现象，山体稳定。输水隧洞工程区出露地层岩性较简单，地表不连续分布第四系残坡积含砾粉质粘土、粉质土砾，厚度0～2.0m；下伏三叠系上统白土田组二层七段（T3ba2-2-7）中厚—厚层状石英长石砂岩夹泥岩；三层（T3ba2-3）泥岩夹薄层泥质粉砂岩；四层（T3ba2-4）粉砂岩夹粉砂质泥岩、长石砂岩夹泥岩或粉砂岩透镜体、中厚—厚层状中粒石英长石砂岩。地质构造较简单，未发现有断裂构造发育，受区域构造与风化作用的影响，岩层褶曲较强烈，构造裂隙较发育。地下水主要为风化裂隙水，靠大气降水补给，水位埋深多位于隧洞底板以下。洞身段通过的强—弱风化岩体主要为中等透水层，部分弱透水层。经现场检查与探地雷达检测，输水隧洞局部混凝土脱落、钢筋外露，存在开裂，洞壁混凝土局部有渗水点及存在小空腔。

2 隧洞缺陷成因分析

2.1 干湿循环因素

大银甸水库地处云岭山脉以东的西南暖湿气流的背风面，常年少雨干旱。气候干燥，干湿季分明，属中亚热带冬干夏湿低纬高原季风气候，主要气候特点为“炎热、干燥、少雨”。根据宾川县气象站观测资料统计：多年平均降水量563.0mm，最大一日降水量91.9mm，最长连续降水日数18天，相应降水量107.3mm；多年平均相对湿度62%；多年平均日照时数2681.2h；多年平均气温17.9℃，多年平均最高气温35.2℃，极端最高气温38.2℃（发生于1977年6月18日），多年平均最低气温3.2℃，极端最低气温-6.4℃（发生于1982年12月27日）；多年平均蒸发量2497.6mm；多年平均风速1.8m/s；多年平均最大风速14.6m/s；极端最大风速29.5m/s。

“热、干、湿、风”是这一地区的主要特点，使得输水隧洞不可避免地受季节性干湿循环影响。在干湿循环周期长、含水率大的环境下，造成隧洞内部结构变化而导致混凝土抗拉、抗压强度减小而产生裂缝。干期风速大，蒸发量高，使施工期混凝土表面失水易产生干缩裂缝，隧洞内部的穿堂风进一步加剧裂缝。

图1 混凝土脱落

图2 混凝土裂缝

图4 混凝土渗水点

图5 施工结合缝橡胶止水老化

图6 顶拱渗漏

2.2 老化因素

隧洞长年运行后，伸缩缝的填缝材料、止水材料不可避免地老化，效果降低，伸缩缝普遍出现了破损和渗漏水情况。由于内部压力变化，混凝土出现了较多裂缝，裂缝、伸缩缝相互耦合影响，使得渗漏区域不断扩大。

2.3 磨蚀因素[1]

对于输水隧洞，一般水质较清，悬移质和推移质较少，而且洞内流速不大，但日积月累，悬移质和推移质会对隧洞底板、边墙混凝土造成一定的磨蚀破坏，混凝土表面出现冲蚀破损等缺陷。

3 除险加固措施

隧洞渗水将导致衬砌壁后的粉砂岩胶结松散、泥岩风化崩解，对隧洞围岩稳定和安全运行带来较大隐患，亟需进行修补加固处理，以保证隧洞安全稳定和提高过流能力。

除险加固主要施工流程为：建筑物测量放线及纵横剖面测量→裂缝、渗水点化学灌浆→施工缝、伸缩缝处理→凿除原衬砌表层冲蚀磨损处→环氧砂浆修复处理→聚合物水泥基防护涂料→完工验收。

为避免对下游供水任务产生较大影响，在施工过程中要科学合理安排隧洞施工程序，抓好工序衔接，组织“平面多工序、立体多层次”协调有序的施工作业；抓住“路”、“料”、“机”进行合理规划配置；布置通畅便捷的施工道路；规划好弃渣场以及砂浆拌和站等；制定合理的施工程序，以保证施工的顺利进行。

3.1 裂缝、渗水点处理措施

对混凝土裂缝、渗水点进行化学灌浆，干燥裂缝选用高渗透环氧树脂灌浆材料，对于有明水渗流的裂缝，选用水溶性聚氨酯灌浆材料，最终达到防渗堵漏及结构补强的双重效果。

裂缝、渗水点化学灌浆施工工艺[2]：裂缝性状检查描述→布孔，采用斜孔交叉布置，灌浆孔布置在距离处理点30cm处，倾角30度，布孔间距以45cm布置，布孔直径为Φ14mm，孔深60cm→钻孔→洗孔，用吹风机将孔内的粉尘及杂质吹出→安装止水针头，埋设注浆嘴→灌浆→封孔修整，包括清孔、配制环氧砂浆作为封孔材料、将封孔材料嵌填至孔内，封添密实→质量检查与验收。

3.2 施工缝、伸缩缝处理

对施工缝、伸缩缝两侧一定范围的混凝土进行打磨，去除表面附着物，凿除清理缝内原嵌填物，然后重新嵌填填缝材料。

施工缝、伸缩缝处理施工工艺：缝面清理，将缝内粉尘杂物吹除干净，填充高压闭孔板至缝面4cm深处→涂刷混凝土基层处理剂→配置聚氨酯密封胶材料→待界面剂表干后，将聚氨酯密封胶材料嵌入伸缩缝中，缝内封胶材料应按压密实，避免断头空洞，表面修饰光滑饱满→质量检查与验收。

3.3 混凝土冲蚀磨损处理

为确保修补层与老混凝土的结合，对缺陷混凝土进行凿除处理，之后涂刷环氧腻子界面剂，最后使用环氧砂浆进行修复。

冲蚀磨损混凝土修复处理施工工艺：凿除冲蚀磨损的缺陷混凝土，直至露出新鲜、密实的骨料。→基面清理，使用高压水枪冲洗松动颗粒和粉尘，再使用大功率吹风机将基面表面吹干清洁，保证基面无杂物、粉尘等。→界面剂涂刷，环氧砂浆修补前，必须保证基面干燥、清洁，然后在基面上滚涂底层环氧腻子界面剂，尽可能做到薄而均匀、不流淌、不堆积、不漏刷。→环氧砂浆拌制→环氧砂浆修补，将拌制好的环氧砂浆涂抹到已刷好界面剂的基面上，涂抹时尽可能同方向连续摊料，并注意衔接处压实排气，边涂抹、边压实找平，平均厚度达到2cm。→成品保护，环氧砂浆涂抹完毕后，24h以内禁止人员踩踏或被重物撞击。

3.4 混凝土降糙处理

通过混凝土表面的降糙措施，增大隧洞过流能力。在对洞内裂缝、伸缩缝以及修补冲蚀磨损混凝土工序完成后，再进行聚合物水泥防护涂料处理。

基面凿除施工工艺：使用电镐或风镐对衬砌混凝土整体进行凿除处理直至坚硬密实的砼基面，凿除深度应根据现状衬砌混凝土实际情况而定，平均深度2cm。为确保修补层与老混凝土的结合度，用角磨机或钢丝轮将需修补的，凿除处理好的基面的污染物、松散颗粒打磨干净，直至露出新鲜、密实的骨料。混凝土表面有超出平面局部凸起，用角磨机磨平；混凝土表面有蜂窝、麻面等缺陷，用切割机切除薄弱部分。

基面清理施工工艺：对于凿除合格的基面先使用高压水枪对其冲洗松动颗粒和粉尘，再使用大功率吹风机对基面表面吹干清洁，必须保证基面干燥、无杂物、粉尘、油污等，必要时可使用烤枪进行干燥处理。

涂聚合物水泥基防护涂料施工工艺：基面处理→涂料拌制，拌制好的涂料应色泽均匀，无粉团、沉淀。→涂料辊涂，涂层应分层多道涂刷完成，涂刷3～4遍，厚度不小于2mm，辊涂时应来回多辊几次，以使涂料与基层之间不留气泡，粘结牢固，每遍涂刷宜交替改变涂层的涂刷方向。

4 结语

针对大银甸水库泄洪隧洞现状情况，由于输水隧洞为已建混凝土建筑物，隧洞本身泄洪能力下降，若采取内衬方案势必会侵占行洪断面进一步影响隧洞的泄流能力，按照上述设计方案进行除险加固处理，取得了显著效果，隧洞混凝土表面平整度提高、表面糙率降低、涂层无脱落、无磨蚀，施工缝、伸缩缝和洞身部位的渗水现象消除，混凝土抗渗性增强，隧洞结构安全性得到提高，过水能力得以提升，修补加固处理效果显著，同时能够有效缩短施工工期，在施工便捷性上相对于传统修复方案具有明显优势，尤其适用于工期紧张的除险加固项目。除险加固后输水隧洞最大下泄流量达到24.20m³/s，遇特殊情况还可宣泄少量洪水。本工程结合输水隧洞的具体情况，设计经济合理的除险加固方案，充分挖掘和发挥现有隧洞输水能力，保证水库的安全运行，最大限度提高水利工程的社会与经济效益。我国很多老旧水库都存在类似的问题，本文的研究成果可为水库除险加固工程提供一定的技术参考和借鉴。