葫芦口水电站发电引水隧洞加固处理

摘要：本文对葫芦口水电站发电引水隧洞发生的裂缝进行原因分析，并提出处理方案，经过加固处理，取得明显效果。

关键词：葫芦口水电站；隧洞裂缝；加固处理

中图分类号：[TM622]文献标识码：A文章编号：

1．工程概况

1.1工程地理位置及交通

葫芦口水电站位于云南省德宏傣族景颇族自治州梁河县境内大盈江左支南底河下游右岸，距梁河县城27km，距盈江县城37km。潞盈公路从南底河左岸经过，交通便利。

1.2 工程主要设计指标

电站装机20MW，由大坝、发电引水隧洞、发电厂房等建筑物组成。大坝为砼拱坝，最大坝高为38m。发电引水隧洞长2108m，为“马蹄形”断面，开挖洞径6.4m，底部宽4.0m，C20砼衬砌厚度0.4m，衬后洞径5.6m，底宽3.70m，隧洞进口中心高程为1001m，调压井中心处洞底高程为996.38m，隧洞进口～调压井中心长度为2008m。调压井下游为钢衬砼衬砌隧洞，长约80m。发电引水隧洞中部（0+830m）设置一长约800m的施工支洞，为城门洞型断面，开挖宽度5m。电站为地面式厂房，装机2台混流发电机组，单台机组额定流量为29.5m3/s，额定发电水头38.5m，电站正常水位为967.44m。

2．隧洞裂缝

葫芦口电站于2010年1月7日并网运行，并完成所有试验，期间发现厂房后山坡有水流渗出，造成局部滑坡。1月20日对隧洞放空检查，发现发电引水隧洞部分底板上拱开裂，洞身出现众多裂缝，裂缝处渗水严重并出现明显的钙析出现象。据统计，底板裂缝有31条总长310m，侧墙及顶拱纵向裂缝112条总554.9m、横缝/横斜缝62条总长373.6m。

3．裂缝加固处理

3.1 隧洞裂缝的原因分析

根据现场的查看分析，衬砌裂缝基本分为三类：一类是集中分布在隧洞顶部、侧墙及底板的纵向裂缝；二类是与隧洞轴线方向基本正交的横向裂缝，基本分布于隧洞的侧墙及顶部；三类是与隧洞轴线方向斜交的横斜向裂缝，基本分布于隧洞的上半洞。根据隧洞衬砌的受力特点，各类裂缝的成因分析如下：

a.一类裂缝（纵向裂缝）

隧洞纵向裂缝主要是由于隧洞的外压荷载超过衬砌的允许承载力所造成的。由于隧洞沿线地下水发育，隧洞开挖改变了地下水的原有渗流状态，施工期以疏干作用为主，而充水运行期则以内水外排为主要特点（尤其是下游段内水压力为大，如厂房后边坡由于隧洞内水外渗造成滑坡），直至达成新的平衡。当隧洞放空检修时，外水压力达到峰值，加之一次支护与二次支护，一次支护与围岩间存在较大空隙，这些充水的空隙加剧了作用于衬砌之上的外水压力作用，这是造成隧洞局部的破坏的原因之一。特别是“马蹄形”断面的底板，其结构对外水压力十分不利，容易起拱开裂。

若隧洞在短时间内充满升压，而此时隧洞外水压力升高需要一个过程，外压可能小于内压，若围岩抗力不够，如顶部回填灌浆不密实存在空隙，衬砌也会出现裂缝。

b.二类裂缝（横向裂缝）

此类裂缝主要是由于隧洞围岩条件差沿轴线方向差异较大，不均匀的围岩变形导致衬砌垂直轴线方向开裂，裂缝一般从洞顶开始，上部缝宽大于下部缝宽。

c.三类裂缝（横斜裂缝）

此类裂缝是衬砌环向受力与垂直轴线的不均匀受力综合作用导致的。即内外水压力荷载与隧洞轴线方向的地质条件差异共同作用的结果。

3.2 加固方案总体思路

针对隧洞衬砌破坏的现象及机理分析，主要从加强砼衬砌结构的受力条件以及减少作用于衬砌结构上的受力两方面入手。

混凝土衬砌结构总体而言是一种比较单薄的壳体受力结构，若单纯考虑衬砌砼的受力，无论是抵抗外水、还是内水压力的能力都是较小。要提高隧洞整体的承载能力，必须要使砼衬砌体与山体共同作用承受荷载，也就是使围岩与衬砌充分结合，同时加强围岩的抗力系数。为此，需对隧洞砼衬砌段进行回填灌浆、固结灌浆。

作用于衬砌上的荷载主要为内、外水压力以及山岩压力。本隧洞总体上外水压力较大，可采取在衬砌上设置排水孔排水减压的措施。

3.3隧洞裂缝加固方案

3.3.1 底板修复

对已经破坏的底板（发生起拱现象，且裂缝宽度大于5mm），将原底板完全凿除后重新浇筑，新底板厚50cm，表层配主筋Φ25@120mm，分布筋Φ16@200mm，主筋保护层厚度为5cm。完成C20砼底板凿除113.11m3，C25砼底板浇注111.01m3，钢筋制安8.59T。

3.3.2 回填灌浆

为了减小隧洞衬砌混凝土壳体变形空间，使围岩与衬砌充分结合，在全洞顶部120°范围内重新进行回填灌浆。回填灌浆在衬砌砼达到70%强度后进行，灌浆压力0.3MPa，孔底深入基岩0.5m，每个断面布3只孔，排距3.0m。采用水灰比为0.6:1的水泥浆灌注，施工时遇灌浆压力无法升高，采用1:1~1:2水泥砂浆灌注。历时55天，共注入水泥量3021.94T，黄砂1138.24T。

3.3.3 固结灌浆

为了提高隧洞衬砌砼与围岩的整体性，同时加强围岩的抗力系数，对①隧洞桩号1+290~1+350、1+735~2+050范围，②底板起拱超过5cm及顶拱侧拱裂缝宽度超过0.5mm的区段（再向上下游各延伸一个浇筑块），③素衬或喷护段中已出现裂缝的区段，④底板下回填石渣的区段，重新进行固结灌浆。固结灌浆在该断面回填灌浆结束7天后进行，灌浆孔深入基岩3.0m，每个断面布7只孔（对仅是底板下回填石渣的区段，只布置底板上2只孔），排距3.0m。分两序进行固结灌浆。灌浆压力：Ⅰ序孔为0.3MPa，Ⅱ序孔为0.5MPa。要求灌浆后围岩透水率小于5Lu（在围岩透水率达到要求的情况下，Ⅱ序孔灌浆压力可调整到0.3~0.5MPa。灌浆材料采用水泥浆或水泥砂浆，灰砂比通过度灌浆确定。历时40天，完成固结灌浆2808m、耗用水泥886T，平均单位耗灰量315kg/m。

3.3.4 安装排水管

为了减少外部渗水作用在衬砌上的作用力，特别是减少放空隧洞时地下水对隧洞的破坏作用，在隧洞离底板高1米处边墙布设排水管。隧洞进口至支洞段（0+030~0+830）每3.0m在里侧边墙布设1根排水管，支洞（0+830）至1+900段每3.0m在里侧边墙和外侧边墙各布设一只排水管。排水管采用1寸镀锌钢管，一头深入基岩1.0m(伸入基岩部分为花管，并包土工布反滤)，另一头联接单向排水阀，露出衬砌砼面10cm。排水管安装完成后用膨胀水泥封堵排水孔，封堵长度不小于20cm。排水管施工在相应地段回填、固结灌浆结束后进行，共完成排水管1044孔计1590m。

3.3.5 侧墙、顶拱裂缝修补

侧墙及顶拱的裂缝在回填或固结灌浆时，缝宽较大的，有少量浆液渗出，施灌期间自行封堵；缝宽较小的（缝宽在0.3mm以下），施灌时并无浆液渗出，只有少量渗水。考虑到当时已进入雨季，发电效益可观，业主方经过论证，裂缝修补施工暂时停止，待隧洞运行1个汛期后再观察决定是否进一步进行裂缝修补处理。

3.3.6 加强隧洞运行管理

隧洞在输水过程中运行平稳，库水位变化对隧洞安全影响不大，对隧洞安全危协最大是隧洞充水和隧洞放空两个环节。为此制定了以下规定：除极特殊情况外，隧洞放空应在枯水季节进行。隧洞放空分4级进行，每级按每小时排水降压不超过2m水头控制，每级放水时间不小于5小时，每级间隔时间（稳压时间）不小于24小时。隧洞充水时，充水升压按不超过0.5m/h控制，不另设分级稳压时间。

4．隧洞加固后运行情况

2010年6月18日，加固工程除裂缝修补外已全部完成，施工支洞于6月20日重新封堵，隧洞于6月25日开始充水，到6月29日完成充水程序，隧洞正式投入输水运行。工程运行后，厂房后山坡无渗水出现。隧洞经过2010年~2012年3个年度的运行，每年枯水季节放空进入隧洞检查，隧洞洞身均无新裂缝产生。特别是2011年3月10日12时58分在云南盈江发生5.8级地震，当时地震中心距本工程直线距离不足40km，震感明显，然隧洞工程仍能安全运行。

2012年8月7日，德宏傣族景颇族自治州安全生产监督管理局组织的专家组，会同梁河县安全生产监督管理局组成验收组，对葫芦口水电站建设项目安全设施进行竣工验收。

经多次进洞检查，隧洞运行正常，隧洞侧墙及顶拱的裂缝未作进一步处理。

5．经验与建议

a.隧洞设计断面的选择应充分考虑洞身围岩地质、地下水情况。水工隧洞断面型式通常有城门洞形、马蹄形、圆形三种，城门洞形断面适用于小断面隧洞或地质条件良好的中型隧洞，马蹄形断面适用于地质条件良好的Ⅲ类围岩以上的隧洞，圆形断面适用于各种隧洞。本工程底板多处开裂，局部出现20多cm宽的粉碎性裂，就是“马蹄形”断面的底板承受外水压力弱的体现。

b.水工隧洞衬砌后顶部空腔必须回填密实。本工程在回填钻孔测量记录中反映出隧洞顶部空腔较大。在隧洞充水初始阶段，因顶部空腔存在，顶部混凝土衬砌结构不能与围岩形成整体受力，单独承受内水压力，容易发生隧洞上部混凝土拉应力裂缝，进而形成渗水通道。

c.在隧洞洞壁上设置排水管是降低地下水压力的好措施。由于排水管孔口设置单向阀门，当隧洞内水压力大于外水压力时，阀门封闭，隧洞内水不会渗到洞外；当隧洞内水压力小于外水压力时，阀门打开，洞外的地下水能通过排水管排入洞内，从而降低地下水压力。

d.规范隧洞运行管理是水工隧洞安全运行的保障。隧洞充水利用进口闸门的平压管充水，禁止开启闸门充水，严格遵守充水升压不超过0.5m/h的规定。隧洞放空设分级制度，并严格执行。