引水隧洞施工缺陷分析及处理方法

岳 勇

(四川省工程咨询研究院, 四川 成都 610000)

随着我国水利水电工程的快速发展，引水隧洞的建设在水利工程中的比重也迅速增加，目前，我国已经建设完成的引水水工隧洞长达500 km，10 km以上的超过个20。随着水利水电工程大力的发展，引水隧洞作为水电站引水发电的重要组成部分，在施工过程中的风险事故也不断增加，给国家和人民带来严重损失，因此研究隧洞缺陷检查以及修复对水利水电施工有重要意义[1-4]。

施工缺陷检测方法可分为损伤检测法和无损检测法，损伤检测法也称为岩体钻探方法，作为常规检测方法，它最早被引用在隧道的衬砌检查中[5-6]。随着经济快速的发展相应的工程技术也得到了大幅度的提高，无损检测在实际工程中的应用也得到了普遍的推广，其中的探地雷达检测技术由于其检测的准确性高且操作简便而被广泛使用[7-9]。

1 施工缺陷检测

1.1 探地雷达检测的基本理论

探地雷达通过向介质中发送脉冲形式的高频率宽带电磁波来研究电磁波的传播规律，这种技术方法也被广泛的运用在工程检测和地质勘探中[10-11]。

(1)电磁波的基本理论

探地雷达通过向介质中发射脉冲式的高频率宽带电磁波进行探测，并且电磁波的传播满足麦克斯韦(Maxwell)方程组。

(1)

式中:ρ—电荷密度，C/m3；J—电流密度，A/m2；

E—电场强度，V/m；D—电位移，C/m2；

B—磁感应强度，T；H—磁场强度，A/m。

麦克斯韦方程是研究电磁学波动理论的基本方程，同时也是研究电磁学基本理论的基础。由麦克斯韦方程可知，变化的电场会生成变化的磁场，变化的磁场也能够生成变化的电场，两者相互变化的过程中同时向外传播，即为电磁波动，方程为：

(2)

式中：ε—介电常数，F/m；σ—电导率，S/m；

μ—磁导率，H/m。

(2)电磁波的传播

电磁波在有损介质中传播时由于传导电流的阻碍作用，使电磁波的能量不断减少，电磁波的波值和波速不断的衰减，在衰减的同时电磁波的相位发生变化，最终电磁波的波形发生改变。探地雷达通过电磁波的反射原理来检测传播介质中的缺陷，这里所指的缺陷即为电导参数不同于周围介质的物质，例如衬砌结构中的空洞、裂缝等。

探地雷达向介质中发送脉冲形式的高频率宽带电磁波时，在分界面发生反射和折射，如图1所示，接收器根据此接收并在主机中记录该反射波诸如时间和一系列反射波的能量之类的参数可用于分析和确定地下结构中缺陷的类型，位置和规模。所以，掌握电磁波在介质分界面的传播特性对研究探地雷达检测十分重要。

1.2 探地雷达检测的技术方法

探地雷达检测技术并不复杂，最终目的就是得到信号源发射后的散射场(见图2)。

图1 电磁波反射

图2 探地雷达检测控制装置

但是，在实际应用过程中，不同类型的探地雷达的性能指标是不同的。例如，根据探地雷达仪器的原理，有时域探地雷达系统和频域探地雷达系统。因此，有许多类型的天线是系统的重要部件之一，并且存在水平杆状或板状偶极天线、喇叭天线等。于此同时，探地雷达具有不同的测量方法，因此在野外工作中，必须根据物体的状况及其所处的环境适当选择测量方法，以确保记录的质量。

2 混凝土施工缺陷种类及其原因分析

混凝土施工后会出现的各种缺陷，比如顶部拱形部分混凝土出现裂缝，甚至是出现严重的空洞、外墙表面平整度不符合规定要求、止水铜片位置渗漏水、钢筋外露混凝土架空等，引起以上的各类情况都有一定施工或养护不当等方面的原因。

(1)顶部拱形部分的混凝土严重空洞

顶部拱形部分出现严重的空洞，显示出明显的混凝土未填充状态，产生这种现象的原因主要有混凝土浇筑过程中入口分布不均匀、混凝土流动性差、振捣不充分。

(2)外墙表面平整度超出允许偏差值范围

混凝土外墙变形其表面平整度在允许偏差值范围以外，产生这种缺陷的原因为安装和支撑所用的模板强度和刚度不够，从而引起混凝土外墙变形。

(3)止水铜片安装位置渗水

产生止水铜片渗水的可能原因是止水铜板安装过程中模板损坏，也可能是止水片太靠近钢筋，并且一些石滴被堵塞并停滞而形成的局部空隙。

(4)混凝土裂缝

产生混凝土裂缝的主要原因为混凝土温控措施不到位，或者所浇混凝土冷却和养护不善，或者作用在混凝土结构上的外力，例如被浇注的混凝土的过早载荷，受外力影响，以及混凝土结构基础的不均匀性等，都会导致混凝土产生裂缝。

(5)钢筋移位混凝土架空

针对钢筋外露，混凝土架空出现空洞这种情况，究其产生的原因主要有在混凝土浇筑环节，模板与钢筋距离过近，从而使保护层衬垫发生位移；保护层的混凝土没有密集振动或模板不够湿，过度的吸水导致露筋；混凝土配合比不合适，导致分离，浆料或模板缺乏，露出浆料；混凝土浇筑时保护层太薄使混凝土发生泄漏，致使钢筋发生偏移外露。钢筋过于密集，导致粗骨料被卡，如果振捣不足则会引起空洞；设计混凝土塌落度偏小，且振捣不足时会使钢筋外露。

(6)混凝土表面产生麻面

产生麻面主要是由于模板表面粗糙不光滑，不清洁硬水泥垢或其他沉积物，模板填缝不紧，漏浆，或者由于脱模剂涂抹的不均匀，使其残留在模板表面造成混凝土表面麻面，同时，跟施工时间的把控也有关系，如果在混凝土浇筑过程中间歇时间过久，部分混凝土发生凝固，也会产生麻面现象。

(7)混凝土产生蜂窝

首先是混凝土的骨料和砂浆混合不充分，没有搅拌均匀、振动不充分，未达到浆料返回的程度。[6]同时，由于卸料高度过大，桩的周围出现集料集中，砂浆少，就容易出现混凝土中有些位置不闭合而产生蜂窝现象；其次是模板破损、漏浆严重也会产生蜂窝现象。

(8)错台及挂帘现象

产生这种缺陷的原因为:模板不够平滑或模板不够牢靠产生错位或跑模；模板拼接不严格，混凝土浆料流向浇注面，形成悬挂帘。

3 施工缺陷常规处理方法

(l)增加结构强度

类似桥墩这样直接承载外部水压的混凝土结构，可以适当地增加其刚度，这样可以有效减小混凝土裂缝的宽度，使建筑物长期稳定的运行的同时还能够增加有效承载力，以应对超负荷带来的建筑物损伤；除此之外增加混凝土结构强度的同时还应考虑其防渗水平，适当提高混凝土关键部位防渗能力也有助于建筑物长期安全运行。

(2)灌浆

对混凝土与围岩之间进行回填灌浆有利于围岩支护的充分发挥。灌浆在顶拱中心90°～120°之间进行，其他部分取决于衬砌和浇筑。孔间距和行距一般为2～6 m，注浆压力一般为0.2～0.3 MPa，注浆孔应>0.1 m。回填灌浆形成的水泥石应满足传输阻力要求。围岩灌浆参数定为2～4 m，并且每排至少有6个对称布置的灌浆孔。围岩深度至少是引水隧道直径的1/2。灌浆施加的压力一般为内部水压的1～2倍。最后根据当地地质条件选择适当地灌浆材料。

(3)防渗和排水

根据施工隧道当地的地质条件，结合引水隧洞具体情况，选择衬护、设置防渗帷幕、设置排水孔等措施。在设计外部水压控制衬砌时，建议设置排水孔，以减少外部水压、间距、排水距离和排水孔的孔深，这些是根据围岩的特性确定的。在设置排水孔时，应注意内部的水外渗。

(4)隧洞钢衬安装

钢衬安装完毕后紧接着要进行相应的力学性能测验，并且要保留每个焊接位置的切削余量，以确保管体的形状和尺寸符合规格要求。应安装瓷砖来控制空间的大小，严格遵守焊接工作规范及实施措施，尤其注意焊接的顺序，对于高强度钢焊接，要做好保温以及绝缘工作。

(5)安全监测

由于人为施工引起地质条件的改变经常发生地质灾害，例如在超设计地震条件下的大规模坍塌和泥石流。然而，由于工程投资限制，工程斜坡以外的环境斜坡一般不会受到详细的调查和处理。因此，工程环境斜坡就越容易发生大规模的山体滑坡，坍塌，泥石流等事故。因此，应监测可能威胁每个引水隧洞入口和出口正常运行的环境斜坡和泥石流，这样在突然发生地质灾害时，能够启动相应的应急预案，从而减少人员伤亡和财产的损失。

4 结 论

综上所述，引水隧道内的混凝土施工必须按照规定的施工工艺进行，对于相对容易发生的施工缺陷，要加强建设管理规范施工流程，与此同时对于由施工引起的缺陷也要进行及时的检查、发现，并及时改进旋工工艺，从而可以提高引水隧洞建设质量。