浅谈引水隧洞混凝土衬砌裂缝及结构安全分析

2017-04-25游志纯，刘婷，翟晓斌

四川水力发电 2017年2期

关键词：隧洞灌浆宽度

游志纯，刘婷，翟晓斌

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖北宜昌 443002)

浅谈引水隧洞混凝土衬砌裂缝及结构安全分析

游志纯，刘婷，翟晓斌

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖北宜昌 443002)

以中梁一级水电站引水隧洞充水运行中衬砌段出现裂缝为例，通过对该电站衬砌结构进行安全复核计算及影响结构安全敏感性因素进行分析，明确了出现裂缝的原因，并对裂缝处理提出了具体措施。运行结果表明：该电站所采用的裂缝成因分析合理、处理方式可行。

隧洞；裂缝；结构分析；处理；中梁一级水电站

隧洞衬砌结构通常是由拱或环形构造为主体的承压构件组成，水工隧洞衬砌设计一般采取限裂设计，其裂缝问题是普遍存在且不易解决的工程实际问题。根据工程经验，钢筋混凝土衬砌在保证施工质量的前提下, 圆形隧洞在承受100 m内水压力以内时衬砌开裂很少,且开裂的裂纹细。但如果施工过程中存在缺陷，则衬砌裂缝多且裂缝开展宽度容易超过标准值，随着裂缝继续开裂、扩大、贯穿结构时，裂缝不仅影响衬砌结构的稳定，还会因裂缝渗水而影响到隧洞的安全运行。笔者对中梁一级水电站引水隧洞出现的裂缝问题进行了分析、探讨。

1 概述

中梁一级水电站位于重庆市巫溪县境内长江三峡河段北岸大宁河干流上，是一座以发电、防洪为开发目的的长引水式地面电站，电站装机容量为3×24 MW。引水有压隧洞从进水口末端至调压井中心全长7 890.58 m，隧洞中心线高程为581.25～546 m，坡度为0.447 8%。隧洞断面为圆形，采用钢筋混凝土衬砌和素混凝土喷护两种型式。钢筋混凝土衬砌段(洞径4.5 m)总长5 026.58 m，喷护段总长2 857 m。

引水隧洞轴线走向与地层走向斜交，埋深15～722 m。沿线穿越三叠系嘉陵江组、大冶组、二叠系上、中统各岩组地层，主要为灰岩、泥质灰岩，少量为黑色炭质页岩、铝土岩、煤层等。围岩类别主要为Ⅲ类，部分为Ⅱ类，局部为Ⅳ～Ⅴ类，围岩局部稳定性差。

图1 水平缝渗水伴析出物

图2 Y5+850附近的贯穿水平缝

2012年4月16～22日，中梁一级水电站引水隧洞首次充水试运行后进行检查发现引水隧洞各段混凝土衬砌有多条裂缝，尤其是桩号Y4+800～Y6+900段衬砌混凝土裂缝较多；其中温度缝较少，多数裂缝呈水平(图1)，亦有较多混凝土施工冷缝，裂缝宽度基本大于0.1 mm，部分宽度大于0.3 mm。2012年5月7日，再次进洞检查时发现洞两侧和下半部的多数裂缝渗出黄(白)色的“细物质”，钻孔取芯表明：部分裂缝为贯穿性裂缝，桩号Y5+850洞段附近隧洞右侧下半部有一条1.3 mm宽的贯穿水平裂缝(图2)。

2 结构安全复核及分析

水工隧洞混凝土裂缝是常见现象，但是贯穿性裂缝产生的渗漏、涌水将直接威胁隧洞衬砌的安全。为确保该隧洞的运行安全，消除安全隐患，笔者对引水隧洞进行了承载力极限状态和正常使用极限状态下的验算。

2.1 结构设计复核计算

引水隧洞混凝土衬砌按限裂要求进行设计，根据围岩类别，Ⅲ类围岩段采用的衬砌混凝土厚度为40 cm，配单层构造钢筋；Ⅲ～Ⅳ类围岩段采用的衬砌混凝土厚度为60 cm，配双层钢筋；Ⅳ～Ⅴ类围岩段采用的衬砌混凝土厚度为80 cm，配双层钢筋。混凝土强度等级为C25。

根据引水隧洞开挖后的地质素描及隧洞衬砌最后实施情况，选取桩号Y0+409.9(衬砌厚度60 cm)，桩号Y6+622(衬砌厚度80 cm)两个典型断面进行了结构复核，其复核结果见表1。

表1 衬砌计算参数及复核成果表

注：表中检修时考虑放空检查，外水水头变动，外水取内水最大水头计算。

复核结果表明：各工况下衬砌结构承载力极限状态钢筋配置满足规范要求，正常使用极限状态下裂缝宽度最大为0.25 mm，满足规范规定的允许裂缝宽度要求。

2.2 敏感性分析

影响衬砌结构安全的主要因素还有混凝土强度等级、围岩完整性以及围岩与混凝土是否紧密结合。对桩号Y6+622(衬砌厚度80 cm)典型洞段进行分析得知：不同的围岩参数与不同的混凝土强度等级对结构的敏感性分析成果见表2、3。由表2、3可见，混凝土强度等级或围岩单位弹抗系数达不到设计值时，均容易造成裂缝宽度超过规范要求。灌浆施工质量的优劣、围岩弹抗系数的变化更明显地影响到裂缝宽度，将直接影响到隧洞的安全运行。

3 裂缝原因分析及所采取的处理措施

表2 衬砌段不同弹性抗力取值分析成果表

注：表中衬砌混凝土强度等级为C25。

3.1 裂缝产生的原因分析

由于实际最大裂缝宽度超过0.3 mm，超过了设计限值(0.25 mm)及规范允许值(正常运行2次不大于0.25 mm，检修工况不大于0.3 mm)，故排除了因设计缺陷因素引起隧洞衬砌裂缝宽度超标的可能性。

查阅竣工资料可知:所有进场的水泥、钢筋均有出厂合格证, 抽样试验亦完全合格;砂子和碎石骨料品质也达到了规范要求;施工过程中混凝土取样试验合格。因此，亦排除了因混凝土强度不足引起裂缝超标的可能性。

隧洞衬砌段两侧和下半部的多数裂缝有溶蚀(白、黄)浆液析出, 而洞顶却少有, 这很有可能是由于回填或固结灌浆未做好、衬砌与围岩间有空隙、围岩的单位弹抗系数达不到设计值、不能产生有效的岩石抗力而被拉裂形成裂缝。衬砌开裂后, 内水压力水流向衬砌外的空隙挤压裂缝, 使裂缝宽度加大，从而导致出现局部裂缝超过标准值的情况。

3.2 所采取的处理措施

表3 不同混凝土强度等级取值分析成果表

注：表中围岩单位弹抗系数和山岩压力系数取值同表1。

据裂缝成因分析并经参建各方会议讨论后，设计单位提出了处理方案：(1)裂缝处理：对于缝隙<0.1 mm的裂缝，进行表面封闭处理，缝面采用水泥基渗透结晶材料防渗涂刷；对于缝隙≥0.1 mm的裂缝，采取化学灌浆处理，化学灌浆材料采用LPL高渗透改性环氧浆材。(2)灌浆处理：对混凝土衬砌顶拱120°范围内重新扫孔，进行回填补灌。对桩号Y4+800～Y6+900衬砌段全部采用固结灌浆处理，固结灌浆孔孔深5 m，灌浆压力为0.5 MPa，对隧洞桩号Y6+200～Y6+340以及桩号Y6+500～Y6+630段实施加强灌浆，固结灌浆孔孔深10 m，分三段按压力0.5 MPa、0.8 MPa、1.5 MPa灌注。灌浆效果采用压水实验单点法检查，对检查不合格的裂缝进行补灌，直到其满足要求后方可封孔。