烟岗水电站引水系统缺陷处理设计

赵利平

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710001）

烟岗水电站引水系统缺陷处理设计

赵利平

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710001）

烟岗水电站引水系统全线贯通永久衬砌完成后 ，对混凝土衬砌段进行了全面质量检测和充、放水试验，发现工程存在多种质量缺陷问题，局部洞段漏水情况严重 ，不能满足隧洞正常使用功能要求。设计根据缺陷情况逐段分析研究，提出方案进行比较，有效避开时间效益间的矛盾，最终采用钢管衬砌等方案合理解决了工程缺陷问题，使工程效益得到发挥。

引水系统；缺陷处理；钢管衬砌；工程效益

1 工程概况及存在的问题

烟岗水电站是鸭嘴河梯级电站的第二级水电站，为Ⅲ等中型工程，位于四川省凉山州木里县鸭嘴河干流上，从上游开始依次为布西、烟岗、跑马坪三个梯级水电站，河道平均比降42‰（见图1）。三级电站总装机容量260MW，其中烟岗电站120MW，额定水头600m，多年平均发电量4.943亿kW・h。

其引水系统布置于鸭嘴河左岸山体内，依次由进水口、引水发电洞、调压室、事故阀室及压力管道五部分组成。引水发电洞为压力隧洞，最大内水水头62 m，最大外水水头292 m，设计引水流量23.6 m3／s，全长5 840m（进水口至调压井中心线）。在其下游设置水室式调压室；后接压力管道，总高差592 m，总长1 354m。

图1 鸭嘴河干流梯级水电站纵剖面示意图

引水发电洞原设计开挖及喷锚支护断面为马蹄形，衬砌断面为圆形。由于现场开挖没有控制好，导致开挖断面为城门洞型，喷锚和衬砌断面为底部带圆角的城门洞型（r＝0.5m）。洞室围岩以Ⅱ、Ⅲ类为主，总长约4 636m，采用锚喷支护，断面为3.6m ×3.6 m（b×h）；Ⅳ、Ⅴ类围岩段长1 204m，采用钢筋混凝土衬砌，厚度分别为0.3 m、0.4 m（Ⅳ类）和0.5m（Ⅴ类），断面为3m×3m（b×h）；在引水洞末端设置有1＃集石坑，断面尺寸为3m×5m（b×h），钢筋混凝土衬砌厚度为0.5m［1］。

在引水系统全线贯通永久衬砌完成后，建设单位请有关工程检测单位对混凝土衬砌段二衬厚度、脱空及背后密实度等进行全面质量检测，并先后两次对2＃施工支洞（桩号4＋659.903）下游主洞段进行历时共56小时的充、放水试验检查。根据现场查看和对已衬段的检测，经分析，引水隧洞主要存在以下8类问题［2－3］：

（1）原设计钢筋混凝土衬砌长度1 204m，实际衬砌段长仅582m，其余622 m洞段进行了喷护处理。

（2）混凝土衬砌的浇筑质量存在施工缺陷：衬砌混凝土与围岩接触面间存在大小不等的空腔和不密实现象。

（3）喷护段存在施工质量缺陷：喷护厚度未达到设计要求；薄厚不均、平整度超标；与围岩接触面空隙较大、粘结不密实等。

（4）混凝土衬砌和喷护段接头处没有达到设计要求，存在止水和喷护过渡处渗水、漏水等问题。

（5）部分洞段沿地质构造结构面发育多条张性裂隙，贯穿整个隧洞断面。

（6）调压室小井筒内存在水平泥土附着的条带，判断为裂缝存在。

（7）首段压力钢管与阀室混凝土接缝处发现有环状锈带，其顶部呈潮湿状态，存在质量缺陷。

（8）2＃施工支洞封堵体顶拱接缝处渗水和检修闸门刺水，其施工、安装存在质量问题。

2 缺陷处理方案

2.1 缺陷处理的原则

考虑梯级电站的发电效益、工地现场当时的形象面貌和施工条件、工程本身的地形地质条件以及实施等情况，综合分析考虑，缺陷处理的原则是：切合实际、安全可靠、工期要短、投资要省、综合效益最大。

2.2 缺陷处理方案［3］

结合两次充水放空检查情况，由于只是在2＃施工支洞下游主洞段充满了水，该段属浅埋段，地质条件复杂 ，检查的问题也最多、最突出；缺陷处理以2＃施工支洞为分界点，上游洞段封堵继续充水、放空检查。主要对2＃施工支洞下游段的质量缺陷进行处理，桩号范围为2＃施工支洞（桩号：4＋659.903）到压力管道首段起点处（桩号：5＋843.6），总长1 184 m。具体实施情况和处理方案如下：

2.2.1 调压室上游段（桩号5＋703～5＋826）

该段长度123m，原设计方案为Ⅳ类围岩，采用钢筋混凝土衬砌。由于开挖后的实际地质条件优于原设计，地质编录时将该段围岩类别调整为Ⅲ类，进行了喷锚支护处理（强度复核满足要求），底板浇筑了25 cm厚混凝土，并配置了表层钢筋网（含1＃集石坑底板）。

经过充水、放空后检查主要存在以下问题：

（1）根据已喷护混凝土的掉块观察，喷护厚度远没有达到设计要求15 cm厚；（2）该段充水放空后顶拱出现多处渗水，集中分布在顶拱和左侧边墙；（3）某些段存在侧墙喷护和混凝土底板之间不密实，有的甚至达到3 cm～5 cm，透过裂缝可见基岩，存在渗漏通道。

针对以上问题，采用以下两种处理方案进行比较：（1）恢复钢筋混凝土衬砌；（2）采用素混凝土与钢管联合衬砌。

方案一：恢复钢筋混凝土衬砌

采用C25W8F100钢筋混凝土衬砌，其中桩号5＋703～5＋810的107m衬砌厚度为0.3 m；桩号5＋810～5＋826的16 m为1＃集石坑段，衬砌厚度0.5m。回填灌浆压力0.2MPa～0.3MPa，固结灌浆压力0.7 MPa～1.0 MPa（该处最大内水水头62 m）［4］。

方案二：素混凝土与钢衬联合衬砌（埋管）

为了加快施工进度，充分考虑该段已喷护和底板已浇筑25 cm厚的钢筋混凝土底板的现实，要拆除较为困难。所以，在桩号5＋703～5＋810的107 m采用C20素混凝土与钢管联合衬砌的结构形式，按照现喷护断面和钢衬的等水头损失计算［5］，并考虑钢管要经2＃施工支洞和浅埋段（桩号5＋335～5＋703，长368m，为已衬钢筋混凝土段，断面为3m ×3m的底脚为圆弧的城门洞形），为提高洞内施工效率，经过计算［6］，确定钢管管径为 D＝2.7m，壁厚12mm，材质为16MnR（或Q345c）的光面管。采用埋管理论钢管单独受力，即K0＝0，钢管受内外水压力作用，并进行回填灌浆和接缝灌浆，计算外水压力为0.2MPa，外压稳定安全系数3.09，大于规范规定的1.8。埋管方案施工进度快，同时避免了混凝土施工质量不好引起内水外渗的现象、一次性处理到位。施工时先在工厂和洞外进行钢管的制作［7－8］，加工成4m～4.8m的管段，从2＃施工支洞运进，从调压井一侧向上游安装，洞内组装焊接，每仓浇筑长度约16m～19.2m，浇筑完后安装下一段，待7 d期龄后可以进行回填灌浆，检查后如果钢管脱空面积大于0.5m2进行接缝灌浆。

1＃集石坑段，仍采用原设计的钢筋混凝土衬砌和防渗加固处理方案。调压室上游段方案一和方案二处理结果比较见表1。

表1 方案一和方案二处理结果比较表

根据表1数据，设计从以下方面分析认为方案二（埋管）优于方案一：（1）方案一钢筋混凝土浇筑后后期的固结灌浆会很大，同时总耗灰量和该项投资没法控制，且已浇筑完成的钢筋混凝土底板的拆除难度和利用都会使工期延长，为保证过水断面，处理欠挖难度很大；（2）考虑到施工中的质量控制，钢衬的防渗效果比钢筋混凝土衬砌优；（3）从结构方面考虑，钢管按照埋管理论进行设计，满足设计的强度要求；（4）由于该部位紧邻调压室和高压管段始端，在出现机组突然甩负荷的非常工况时，该段洞室承受的内水压最大（约62 m），部位非常重要，故考虑对该段采取安全可靠的结构形式。（5）虽然方案二增加投资约104万元，但工期少16 d，经初步估算，平均每天发电收入约在100万元以上，节省工期的效益十分显著。所以，该段采用埋管方案。

2.2.2 浅埋段（桩号5＋335～5＋703）

本段已实施钢筋混凝土衬砌，长度为368m，原设计地质资料与开挖后揭示的地质条件基本相符，均为Ⅳ、Ⅴ类围岩。

充放水检查存在的问题：

（1）施工缝和永久缝中埋设的橡胶止水失效和漏水，灌浆孔漏水，混凝土裂缝，形成渗漏通道；（2）顶拱存在多处较明显的渗漏点；（3）洞顶多条施工冷缝有白色钙化物渗出，有的冷缝甚至贯穿整个10 m浇筑段；（4）某段侧墙顶部有一条较为明显的裂缝，宽度1mm～2mm，形成渗漏通道。

基于以上情况，对该段采用两个处理方案：（1）洞内加套钢衬；（2）对该段出现的裂缝、施工冷缝以及变形缝进行化学灌浆处理。

方案一：化学灌浆处理

由于该段的止水带大部分失效漏水，对该部位的变形缝、施工冷缝及混凝土裂缝进行化学灌浆［9］，同时恢复回填灌浆和固结灌浆。具体处理方案为：

针对已衬砌段裂缝、伸缩缝（含施工缝），首先已衬段部分进行回填灌浆和对围岩进行固结灌浆加固密实，防止发生结构性破坏，再对裂缝、伸缩缝（或施工缝）进行内部化学灌浆（对宽度大于0.2mm和贯穿性的裂缝采用打斜孔灌注水溶性聚氨酯；对于宽度小于0.2 mm的裂缝直接采用SK柔性防护涂料（防渗型）复合胎基布表面封闭），表面柔性封闭（采用SK柔性防护涂料（防渗型）复合胎基布，封闭宽度采用0.2m，涂层厚度4mm）；最后，用高韧性抗冲耐磨环氧对衬砌内壁表面进行喷涂防护处理。

方案二：洞内加套钢衬

由于该段为浅埋段，洞顶最小埋深47 m，为Ⅴ类围岩，地质条件复杂，构造发育，正常运行内水水头约51m，最大外水水头61m。本次缺陷处理考虑按明管条件进行复核并借鉴国内相关工程经验，结合该段的充放水检查存在的问题，采用洞内加套钢衬（D＝2.7m）既可解决结构问题又可解决防渗问题，便于与下游钢衬段的衔接，且施工方便。

设计通过对两方案比较后，分析认为：由于该段构造发育，混凝土质量检测报告显示混凝土与岩体之间存在30 cm～50 cm不等的空腔多处，所以若重新打孔灌浆吃浆量会很大，总耗灰量和该项投资不好控制，化学灌浆的工程投资亦不好控制，施工质量难以保证。灌浆完成后，要进行压水试验验证灌浆效果，若不满足需进行二次开孔灌浆，安全可靠性差；方案二洞内加套钢管，内外水全部由钢管来承担，只需进行一定的回填灌浆和浅孔低压固结灌浆，对灌浆质量要求不高，防渗处理效果较优。同时该段固结灌浆没有完成，结构处理没有满足设计要求，处理措施上要对结构考虑加强，而方案二能满足对原有的钢筋混凝土衬砌结构强度加强的条件，更加有利于洞室稳定，其防渗效果更优于方案一，也更加安全可靠。所以，本段采用洞内加套钢管的方案。

2.2.3 喷锚支护段（桩号4＋660～5＋335）

本段长度675m，均为Ⅱ、Ⅲ类围岩。经过充放水检查，主要存在以下问题：

（1）部分洞段侧墙存在裂缝、沿地质构造结构面发育有多条1mm～2mm宽的裂隙；（2）多处侧墙喷护面与混凝土底板结合面存在不同程度的空隙、裂缝、接触不紧密现象，存在渗漏通道。

基于以上问题，设计拟对该段采用以下处理方案：

（1）桩号4＋960～4＋990段采用C25W8F100钢筋混凝土衬砌，长度30m，厚度0.3m；

（2）桩号5＋005～5＋335段，长度330m，属浅埋段和深埋段的过渡段，放空检查证明不良地质构造对混凝土底板和喷护面产生明显不利影响，为了彻底解决问题，设计考虑全衬，采用两个方案进行比选：

方案一：采用C25W8F100钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度0.3 m，并进行回填灌浆和固结灌浆；

方案二：采用埋管方案，钢管直径2.7 m，钢管与原喷护段采用C20W8F100素混凝土回填。由于该段位于浅埋段上游，该部位外水水头约20 m，有利于钢管结构稳定，且可取消该段的固结灌浆，同时解决了结构和防渗问题。参考外压0.34MPa，经计算钢管壁厚12mm，材质16MnR，外压稳定安全系数1.76，基本可以满足要求，考虑安全因素，0.5 m设一道加劲环，共设3道，外压稳定安全系数大于规范规定的1.87。

由于该段位于浅埋段上游，地下水位（最高约20m）和充水保压阶段内水水头（约48m）均不大，围岩埋深属于浅埋段（Ⅳ类）向深埋段（Ⅱ类）的过渡段。在充水检查时，该段出现了两条贯穿底板和侧墙的裂缝，在顶部出现几处渗水点、侧墙底角与混凝土底板出现多处结合不紧密形成渗漏通道的状况。根据本工程工期紧的特点，埋管方案对以上施工质量产生的渗漏问题可以根本性解决，施工简便，进度快，对节省工期效果明显。方案一混凝土浇筑完成后要进行回填和固结灌浆，固结灌浆的工程投资和施工难度相对较大，灌浆完成后，要进行压水试验验证灌浆效果，若不满足需进行二次开孔灌浆。经过计算，方案一施工工期为90 d，投资为195万元；方案二施工工期为50 d，投资为518万元。虽然方案二投资高，但提前工期40 d，考虑发电效益后，埋管的优势显而易见。综合分析考虑，该段即采用埋管方案。

2.2.4 已衬洞段、调压井和压力管道首段（桩号5＋826～5＋843.6）

（1）已衬洞段出现灌浆孔漏水，检查显示回填灌浆和固结灌浆孔大多未灌满，对此补做回填灌浆，加强固结灌浆；调压室主要针对井筒最高涌浪水位3 146.5m以下部位恢复固结灌浆；压力管道起始端加强固结灌浆，防止地下水造成压力使管道失稳。并对以上部位回填灌浆和固结灌浆依据规范要求进行全面检测、试验，达不到要求时补充灌浆，确保灌浆质量。

（2）裂缝、变形缝（或施工缝）处理方案

针对已衬砌段裂缝、伸缩缝（含施工缝），首先对衬砌后部进行回填灌浆和对围岩进行固结灌浆加固密实，防止发生结构性破坏；再对裂缝、伸缩缝（或施工缝）进行内部化学灌浆，表面柔性封闭等；最后，用高韧性抗冲耐磨环氧涂层对衬砌内壁进行表面防护，具体操作同前述。

2.2.5 其他喷锚支护段和衬砌与喷护接头处处理

喷护段普遍存在开挖工艺和喷护工艺不规范，围岩起伏不平，喷护厚度薄厚不均现象。结合检测喷护厚度和强度指标，进行不合格段补喷，使喷护厚度和平整度均满足设计要求（Ⅱ类围岩10 cm、Ⅲ类围岩15 cm）。

衬砌与喷护接头处补强处理：为避免喷护段渗水进入钢衬段，影响钢衬段运行安全，在衬砌与喷护接头处上下游侧共设置五排阻水帷幕，按照由远及近的原则施工，灌浆后进行压水试验检测保证灌浆质量，见图2。

2.2.6 裂隙、断层及破碎带等不良地段的处理

不良地段统计后处理方案为：对其宽度大于1 m的采用扩挖并用混凝土回填后再进行固结灌浆的方式解决；其他宽度较小的，采用灌浆堵漏方式进行全断面固结灌浆，加固、密实围岩，堵住渗水通道，以解决此类洞段的渗漏问题。

3 处理前、后引水隧洞水头损失情况

缺陷处理前，即原设计全洞段水头损失为19.97 m。本次质量缺陷按照以上处理方案，经过计算，处理后水头损失总计20.59 m，比原设计水头损失增加0.62m。所以，对发电效益影响很小。

图2 衬砌与喷护接头处补强处理示意图

4 结 语

本次缺陷处理于2012年2月初第二次充、放水试验检测后发现问题开始设计，需在同年5月1日前通水发电，设计与施工须克服时间困难，以快、高、省为宗旨完成引水系统的缺陷处理。工程经过修复后，至今运行了近两年时间，未再发现渗漏水等不良现象，整个引水系统安全、稳定，为整个梯级电站如期通水发电提供了保障，工程效益及时发挥。

［1］ 中华人民共和国水利部 .SL279－2002.水工隧洞设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2003.

［2］ 陕西省水利电力勘测设计研究院.烟岗水电站引水发电洞缺陷处理专题报告［R］.西安：陕西省水利电力勘测设计研究院，2012.

［3］ 陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院.烟岗水电站引水发电洞竣工报告［R］.西安：陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院，2012.

［4］ 国家能源局.DL／T 5148－2012.水工建筑物水泥灌浆施工技术规范［S］.北京：中国电力出版社，2012.

［5］ 武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室.李炜主编《水力计算手册》［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［6］ 中华人民共和国水利部.SL281－2003.水电站压力钢管设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2003.

［7］ 中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL／T5017－2007.水利水电工程压力钢管制造安装及验收规范［S］.北京：中国电力出版社，2007.

［8］ 中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院.水电站压力管道［C］／／第六届全国水电站压力管道学术论文集.北京：中国水利水电出版社，2006.

［9］ 孙志恒，鲁一晖.水工混凝土建筑物检测与修补加固技术［M］.北京：中国水利水电出版社 ，2011.

The Design of Defects Treatments of Yangang Hydropower Station Diversion System

ZHAO Li－ping
（Shaanxi Province Institute of Resources and Electric Power Investigation and Design，Xi’an，Shaanxi710001，China）

After the diversion system started fully operating and the permanent concrete liningwas completed of Yangang Hydropower Station，a comprehensive quality inspection and charge－discharge tests were conducted.Itwas found that therewere a variety of quality defectsand seriouswater leakageof partial tunnelsections，so the diversion system couldn’tmeet the normal functional requirements.According to the analysis of the defects，several schemeswere proposed and compared，at themeantime the contradiction between repairing time and profitswas avoided.Finally，the steel lining schemewas adopted to solve the defect problems reasonably，which saved the project in time tomake profit.

diversion system；defect treatment；steel lining；project benefit

TV732

A

1672—1144（2014）04—0157—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.031

2014－03－14

2014－04－10

赵利平（1980—），女 ，陕西扶风人 ，工程师，主要从事水利水电设计工作。