某水電站引水隧洞局部洞段襯砌破損處理研究

鮑世虎，張洋

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 工程概述

某水電站裝機容量4 800 MW，電站樞紐工程主要由首部低閘、引水系統、尾部地下廠房等永久性建筑物組成，為低閘、長隧洞、大容量引水式電站。引水隧洞單條長約16.7 km，沿線上覆巖體一般埋深1 500～2 000 m，最大埋深約為2 525 m，具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點。

水電站已建成投產運行多年，引水隧洞已歷經多次放空檢修，總體運行狀況良好。在電站建設期間，因特大暴雨的影響，2012年引水隧洞K15+200 m樁號附近洞段曾出現襯砌破損現象。2018年和2019年，通過水下機器人對引水隧洞進行檢查，再次發現上述洞段出現破襯砌損現象。2021年2—3月，對引水隧洞進行了放空檢修，發現上述洞段襯砌結構出現翹曲破損、鋼筋外露變形等現象，破損范圍有所擴大。

2 襯砌結構布置設計

電站引水隧洞長約16.7 km，隧洞主軸線方位角為N58°W，立面為緩坡布置，底坡3.65‰。引水隧洞K15+200 m樁號附近洞段采用TBM開挖，圓形斷面，鋼筋混凝土襯砌，襯后洞徑11.00 m。引水隧洞最大引用流量為457.2 m3/s，流速約為4.87 m/s，最大靜水頭約為78.3 m。襯砌混凝土等級為C25W8，厚60～80 cm，其中底板厚60 cm，單層鋼筋，φ28～φ22@20 cm。固結灌漿入巖孔深6.0 m，灌漿壓力6.0 MPa，間、排距3.0 m×3.0 m。

3 襯砌歷次破損及修復

3.1 2012年8月“8.30”暴雨期間

引水隧洞襯砌施工完成，固結灌漿基本完成，局部地下水發育洞段灌漿未完成?！?.30”暴雨期間，K15+180 m～15+212 m洞段襯砌底板與邊頂拱多處發現縱向方向的混凝土開裂情況（見圖1）。

圖1 “8.30”暴雨期間破損現象

對破壞的襯砌混凝土進行了鑿除和修復處理，對混凝土裂縫進行了灌漿，并對襯砌破壞較嚴重的部位進行加密灌漿處理。在K15+173 m～15+221 m洞段地下水出露位置的襯砌結構上設置了隨機減壓孔φ90 mm，入巖深度0.1 m，并安裝逆止閥。

3.2 2014年11月第一輪放空

K15+180 m～15+220 m洞段邊墻及底板再次出現局部襯砌混凝土破壞等現象。破壞區域襯砌表面混凝土破裂，部分區域鋼筋外露彎曲，并伴有滲水或涌水（見圖2）。

圖2 第一輪放空期間的破損現象

鑿除破損混凝土，襯砌采用C30W8混凝土修復。破損洞段底板120°范圍進行圍巖加固灌漿，灌漿孔間、排距3.0 m×3.0 m，灌漿孔深入巖6.0 m。結合灌漿孔封孔布置插筋φ32，L=3.0 m，插筋入巖深度2.5 m。破損洞段布置減壓孔，孔深入巖0.6 m，間、排距3.0 m×3.0 m，孔內安裝逆止閥。

3.3 2017年3月第二輪放空

K15+180 m～15+191 m洞段襯砌右邊拱出現大面積泥凝土抬動，破壞區長約11 m、寬約5 m，裂縫處滲水但未露筋。K15+197 m樁號右邊拱施工縫處混凝土脫落，破壞區長約6.0 m、寬約0.5 m，未發現露筋及滲水現象；K15+200 m和K15+207 m樁號位置襯砌出現小面積輕微破壞。

鑿除破損混凝土，采用高強聚合物砂漿材料對襯砌進行修復。K15+180 m～15+220 m洞段布置系統減壓孔，間、排距2.0 m×2.0 m，孔深入巖0.5 m，襯砌破壞和地下水出露位置再隨機加密布置，減壓孔內安裝逆止閥。

4 2018—2021年破損現象

2018—2021 年期間，對引水隧洞先后進行水下機器人不放空檢查和第三輪放空檢查，發現在K15+200 m附近洞段再次出現較為嚴重的破損現象。其中，K15+203 m～15+209 m段底板淺表混凝土破損，鋼筋外露、彎曲等（見圖3），破損范圍約為6.2 m×4.6 m（長×寬）。

圖3 第三輪放空期間破損現象

5 襯砌修復必要性

引水隧洞出現了襯砌結構翹曲破損、鋼筋外露扭曲等破壞現象，將對電站的長期安全運行造成不利影響。

（1）混凝土襯砌結構發生翹曲破損現象，將增加引水隧洞混凝土過流表面的粗糙度，增加水頭的損失，持續降低未來的發電效益。

（2）混凝土襯砌破損后，暴露的鋼筋失去混凝土的保護作用，承載能力下降，鋼筋可能因銹蝕和沖刷而逐漸變細，甚至彎曲、斷裂。

（3）襯砌結構發生破壞后，承載力下降，當外水壓力過大等根本原因未得到有效處理時，其襯砌結構的破壞現象有可能會進一步加劇。

6 襯砌破損原因及修復處理原則

引水隧洞K15+200 m附近洞段位于的鹽塘組T2y和溶隙—裂隙散流型水文地質單元出水帶內，出水帶范圍即K15+212 m～14+046 m。根據已有的檢查結果和前期結構設計資料分析認為，引水隧洞襯砌結構發生翹曲破壞的主要原因為外水壓力過大造成了襯砌結構的局部破壞。歷次修復處理已在局部區域增設減壓孔，但放空檢查期間未見減壓孔有明顯的出水現象，孔內的逆止閥為機械結構，可能因析鈣或洞內泥沙淤等不利現象導致逆止閥排水失效。

襯砌結構的破壞屬于局部破壞，可按原設計參數進行修復，重點是應根據現場實際水文地質條件，對引水隧洞襯砌結構采取有效的排水措施，及時釋放外水壓力，減少混凝土襯砌結構的外部荷載。

7 修復處理設計方案

根據現場實際情況及計算分析，對破損區域及外延洞段的底拱120°范圍擬定處理方案：一是鑿除破損混凝土，襯砌采用環氧混凝土回填修復。二是對已出露的集中滲漏水點需作引排處理，在混凝土澆筑前預埋排水鋼管，鋼管內端深入襯砌內，外水可自由排泄至洞內。三是對淺層圍巖進行固結灌漿處理，灌漿孔間、排距1.5 m×1.5 m，孔深8 m；充分利用圍巖的抗滲性能，降低外水作用在襯砌上的壓力。四是為加固圍巖、增強圍巖與襯砌之間的整體性，布設普通砂漿錨桿φ32，長4.5 m，間、排距1.5 m×1.5 m。五是布設排水孔φ50～90 mm，入巖深2.0 m，孔內不設逆止閥。

在假定外水壓力為500 m且不存在集中滲漏通道的情況下，修復處理后襯砌結構的受力分析如下所示（見圖4）。由圖4可知：一是襯砌的最大滲透壓力集中在邊頂拱外側，約為37 m。二是襯砌的最大拉應力集中在邊頂拱內側，約為0.40 MPa。三是襯砌的最大壓應力集中在邊頂拱內側，約為0.75 MPa。

圖4 襯砌修復處理后外水壓力作用下襯砌滲壓和應力（單位：Pa）

8 結語

（1）引水隧洞局部洞段混凝土襯砌出現破損現象之后，將增大水頭損失，降低發電效益，降低結構承載力和耐久性；為保證電站長期安全運行，修復處理是必要的。

（2）引水隧洞襯砌破損僅發生在局部洞段，且多次集中在底拱區域出現，主要是由于存在集中滲漏通道、外水壓力過大等，對結構整體安全性影響較小，需要針對性采取處理措施。

（3）引水隧洞襯砌結構局部破壞，可根據原設計參數進行修復，局部增設系統固結灌漿、系統錨桿和系統減壓孔等。為避免逆止閥因析鈣或泥沙淤堵等原因失效，在增設的減壓孔中不再設置逆止閥，確保外水能及時釋放、避免襯砌承受過大的外水壓力。在類似工程中，應根據引水隧洞水文地質環境研究是否設置逆止閥，并研究逆止閥能否正常工作。

（4）2021年12月，通過水下機器人檢查發現，引水隧洞K15+200 m附近洞段在經過一個汛期后襯砌結構依然運行狀態良好，工程處理措施是合適的。