浅谈输水隧洞老化病害机理及防治技术

金鑫

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳 110000)

浅谈输水隧洞老化病害机理及防治技术

金鑫

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳 110000)

本文以大伙房水库输水(二期)工程为例，分析了在正常运行过程中，输水隧洞老化可能发生的三种病害的产生机理及相对应采取的防治措施，为今后同类工程提供可资借鉴的经验。

输水隧洞;老化病害;防治

1 工程概况

大伙房水库输水工程是为解决辽宁中部抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、营口、盘锦和南部大连7城市水资源短缺问题的战略性工程，该工程是辽宁省经济社会可持续发展、老工业基地产业结构调整和改造、沿海经济带开发的重要区域性水资源配置工程，涉水人口上千万，被称为辽宁的生命线工程。其中，大伙房水库输水(二期)工程是将调入大伙房水库的水采用管道输水方式输送到下游受水城市，工程主要建设内容包括:取水首部、29.1km输水隧洞及连接段、231.7km输水管线、7座配水加压站、8座稳压塔和沈阳调度中心等。输水隧洞为有压隧洞，总长25.5km，成洞洞径6m，根据围岩条件分别采用无粘结预应力混凝土和普通混凝土模筑衬砌。隧洞连接段为6m钢管外包混凝土，总长3.6km。输水管线鞍山以上为双管埋设，以下为单管埋设，需要安装的管道总长为349.5km，直径为3.2～1.4m，采用预应力混凝土钢筒管(简称PCCP管)、玻璃钢夹砂管和钢管。工程设计总工期42个月，概算总投资49.06亿元。

2 输水隧洞老化病害

在长期运行后，输水隧洞可能产生的老化病害主要包括混凝土裂缝、混凝土渗漏侵蚀和工程空蚀三种。

2.1 混凝土裂缝

根据对大伙房水库输水(二期)工程的分析研究，输水隧洞运行多年后会出现裂缝。其中，横向和环向的裂缝较多。研究发现，荷载扩展通常因裂缝而出现，

或是荷载和变形一同作用的结果。裂缝原因属于因变形为主的约占五分之四，属于因荷载为主的约占五分之一。不同性质的裂缝对输水隧洞的危害程度也有所不同:环向裂缝会产生严重的漏水、射水，横向裂缝可能导致结构的整体破坏。此外，洞壁混凝土裂缝还会引起其他病害的发生和发展，如:致使洞壁混凝土的渗漏侵蚀，加快混凝土的碳化和钢筋锈蚀等，形成恶性循环。因此，对混凝土裂缝的危害和潜在威胁，应引起高度重视。

2.2 混凝土渗漏侵蚀

渗漏水对洞身混凝土内部产生的溶出性侵蚀，就是所谓的渗漏侵蚀，是输水隧洞老化病害之一。众所周知，水泥的水化产物(如:水化铝酸钙、氢氧化钙、水化硅酸钙等)会在混凝土中形成胶结作用，而足够的氢氧化钙又是其他水化产物凝聚、结晶和稳定的保证。然而，在以上水化产物中，氢氧化钙遇水会有着较高的溶解度，因此一般情况下混凝土毛细孔中存在饱和的氢氧化钙溶液。渗漏水会把硅中的氢氧化钙不断地溶出带走，其中一部分与空气中的二氧化碳发生化学反应，形成白色的碳酸钙结晶留在混凝土外壁，其余部分流失。因混凝土中氢氧化钙的不停溶出，水泥其他水化产物稳定存在的平衡条件被破坏，水化产物将会分解，致使混凝土性能削弱。研究表明，当混凝土中总的氢氧化钙含量被溶出四分之一时，混凝土的抗压强度下降二分之一;当溶出量超过三分之一时，混凝土将失去强度而松散破坏。因此，对于渗漏侵蚀的危害不可掉以轻心。

2.3 工程空蚀

空蚀破坏是在输水隧洞运行中，当水流流经不平顺的边界，如洞壁不平整、洞身边界轮廓不平顺等，由于流速较高，不断把不平顺的空气带走，从而致使局部区域的压力低于大气压力，形成负压区。当压力降低到该位置相应的大气压力时，小气泡随水流流向下游正压区，气泡内的水汽重新凝结，气泡突然破裂消失，使混凝土边界区域不断遭受气泡破裂时的巨大机械冲击而剥蚀，从而发生空蚀破坏。

3 防治技术措施

3.1 裂缝处理措施

对于纵向裂缝，要在荷载的规定下加固补强其整体，用环氧材料灌注填充缝隙。例如:可以将3cm宽、1cm长的槽修筑在裂缝口处，将渣末清除，用环氧砂浆找平。这种裂缝处理方式是将原来的结构粘结起来，以改善和调整洞壁混凝土的受力状态，从而强化了裂缝位置加载后的变形强度。

对于环向缝隙，可以采取的嵌缝材料很多。首先对槽内清洗干净，并进行烘干处理，之后将粘结剂涂刷在两槽壁处，再将嵌缝材料分层地嵌入进去，一定要达到设计的厚度，从而有效防护表层的混凝土。

3.2 安装旋转滤网

为防止漂浮物流入管道和输水隧洞，危害系统调流调压设备，大伙房水库输水(二期)工程将三套旋转滤网设置在取水头部工作门后，水深达40m，滤网宽度为4m，采用网外双面进水的形式，最低水位过网流速为0.75m/s取水，尺寸为4m×10 m(高)。旋转格网的网眼尺寸为10mm×10mm。45×2m为每孔旋转滤网长度，水下滤网转弯半径为1610mm。在网前后水位差值为200mm(或者其他设定值)时，将自动启动旋转滤网;当水位差下降到200mm以下时，将停止运行旋转滤网。当存在较为洁净水质时，旋转滤网一般设定4～8h启动一次，运行30min(事前调好)。

3.3 灌浆法处理

在处理取水口及隧洞连接段附近涵洞的渗漏时，使用洞外接触灌浆的方式较多，将洞外的渗漏通道进行封堵，降低外水对洞壁混凝土造成的渗透压力。在隧洞连接段附近混凝土的补强工作中，也可以使用压力灌浆的方式，通常将孔布置在洞内，分序实施灌浆。按照墩体材料、排水固结条件和孔位等，对灌浆压力和浆材进行综合控制。例如:对不同水泥掺量和黏土浆进行选择，进行灌浆处理。

3.4 控制空蚀的措施

首先，控制合理的边轮廓。以避免空蚀为原则，其边界轮廓应做到“顺、直、平”，不能出现突缩、突扩、急折和骤弯。在边界不得已发生变化的地方，应注意圆角化、椭圆化和流线化。如果需要改建门槽，一定要控制好其中的错距比、斜坡坡度和宽深比等。

其次，在容易产生空蚀的部位选用抗拉强度大、弹性模量大和硬度大的材料，或是提高混凝土的标号。对已产生空蚀的部位进行处理时，可选用环氧砂浆材料、硅粉水泥砂浆(混凝土)、钢纤维水泥砂浆(混凝土)等，根据实际需要选择合适的材料。

4 结语

综上所述，辽宁省大伙房水库输水(二期)工程自2011年试运行以来，已向下游受水城市供水约8亿m3。对二期工程输水隧洞老化病害的及时处理，不仅保障了工程的正常运行，更使输水工程能够持续发挥其社会经济效益。

［1］程素珍．输水洞老化病害机理分析及治理技术研究［J］．水利工程，2011(7)．

［2］魏辰．地下洞室群施工通风网络实时仿真计算与可视化研究［D］．天津:天津大学，2012．

［3］李道田．青峰岭水库土石坝加固技术及加筋砾石料的应力应变特性研究［D］．南京:河海大学，2006．

［4］张劲松，刘利珍．输水洞侵蚀破坏机理分析及防护措施研究［J］．武汉大学学报(工学版)，2003(1)．

［5］古汉文．灌浆技术在南水泄洪洞除险加固工程中的应用［J］．江西电力职业，2003(3)．

On aging disease mechanism and prevention control technology of water conveyance tunnel

JIN Xin
(Liaoning Runzhong Water Supply Co.，Ltd.，Shenyang 110000，China)

In the paper，Dahuofang Reservoir Water Diversion(Stage II)Project is adopted as an example．Three possible disease generation mechanisms of water conveyance aging and corresponding prevention measures in normal operation process are analyzed，thereby providing reference experience for similar projects in the future．

water conveyance tunnel;aging disease;prevention control

TV698.2+4

A

1005-4774(2015)06-0076-03