涵洞除险加固采用内衬钢管灌浆法的技术要点

孔建华，田俊佳

(云南创研勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650228)

0 引 言

小型水库大多建于20世纪50—60年代，至21世纪初已使用40—50年，水库建设时受制于技术条件、思想认识等因素，枢纽工程存在诸多病险、隐患较多，设施老化、功能退化，特别是输水涵洞，普遍存在清基不彻底、洞身漏水、进口淤积，闸门锈蚀、启闭不灵、关闭不严、漏水，病害较多，不能正常使用，甚至危及坝体安全。从20世纪90年代初到现在，小型病险水库的除险加固工作基本完成。

笔者主持或参与完成了十余座小型水库除险加固工程，鉴于地形地质条件不能够新建输水隧洞的，需进行涵洞加固处理。昆明市的涵洞加固处理工程，大多采用洞身内衬钢管、新老洞身之间的空隙和老洞结构壁外灌浆的方案(简称内衬钢管灌浆方案)，如20世纪90年代竣工的自卫村水库加固工程，本世纪初竣工的沙井小河水库、三角水库加固扩建工程，及后来陆续完工的白龙潭水库加固工程、格楂吃水箐加固工程等，最近的一个项目完工、投入使用8年，最长的已使用20多年，运行情况良好。

1 工程实例

1.1 官渡区某水库输水涵洞加固改造工程

官渡区某水库(以下简称水库1)始建于1958年，总库容127.1 万m3，工程规模为小(一)型，坝高35 m，坝顶轴线长约118 m，宽5.0 m。输水工程初步设计阶段做了3个方案，方案①：在顺流右岸新建输水隧洞，缺点：右岸山体破坏大，将来会存在漏水隐患；工程造价高；方案②：重建涵洞，洞身为φ内800 mm预制混凝土管、外包C20钢筋混凝土；缺点：开挖坝体、对土坝造成很大破坏；工程量大、投资大；方案③：加固改造老涵洞，即内衬钢管灌浆方案。经实地调查、测量，老输水涵洞全长124 m，洞身部分长86 m，洞线短(比隧洞方案洞线短约30 m)，洞身呈直线布置，虽然管径小(混凝土预制管φ内400 mm)，但水库1的主要功能是城乡供水及水浇地灌溉，供水流量不大，如果能像自卫村、三角水库那样采用内衬钢管(钢管φ外300 mm)、充填灌浆的加固方案和措施，工程量小、投资省，且涵洞进口加固改造工作量小、工期短，因而施工协调简单(4月底水库放空、至6月底主汛期到来前便可完成)；洞身施工技术成熟(从涵洞出口向洞内顶管)、结构处理不复杂，可避免方案①建隧洞带来的工程量大、投资多、工期长，以及因开挖隧道(爆破)而引起右岸山体新的渗漏、从而带来的增加灌浆处理工程量的问题。方案比选：3个方案均能彻底解决原输水涵洞环向开裂、漏水、洞壁结构变形、凸凹不平、冲蚀、掏空、混凝土碳化的问题，而方案③优势比较明显：①工程投资省，仅为方案2的38.2 %；②无需破坝施工，对大坝的影响小，保证了大坝的完整性、利于坝体和坝基的防渗处理；③施工协调简单方便，施工时的导流措施不复杂；④施工技术成熟、安全性高。因此，选择内衬钢管灌浆方案并在施工图设计阶段优化了工程措施(进口5 m、出口5 m挖除、改造，顺直后靠山，地质条件更好，基础处理深度小)。

工程措施：在原涵管内，顶入1根φ300 mm钢管作内衬；从坝坡、坝顶沿涵洞轴线打5个灌浆孔(打穿老涵洞洞顶)，灌注1：1水泥砂浆回填；老坝轴线前做3道截水环，布置12个帷幕灌浆孔，进行防渗截流灌浆；坝轴线后布置4排各2个孔，对老涵洞壁外的孔洞进行充填；总共布25个灌浆孔。

涵洞进口已建的斜拉闸门维修后留做检修闸，在出口新建1个350 mm凡尔闸作为工作闸，闸门后设置消力池与沙井大沟连接。建盖钢混结构闸房1间，高3.0 m，柱子轴线平面间距为3.3 m×3.6 m。

虽然内衬钢管方案使涵洞过水断面变小，但钢管糙率低，经计算，可以满足供水要求。水库1与邻谷的另一个水库为下游用水区的2个重要水源(共用1条引水管渠)，另一水库已新建了输水隧洞，输水流量和调控能力大，2库可以相互配合、灵活调度(供水时段和输水流量)，因此，推荐的内衬钢管灌浆、加固已有的输水涵管的工程方案是合理的。

1.2 石林县某水库输水涵洞加固改造工程

石林县某水库(简称水库2)始建于1958年，总库容10.1 万m3，坝高15.8 m，工程规模为一般小(二)型。水库地处县域边远山区，受投资、地形、地质条件等因素所限，输水工程只能采取加固改造老涵洞方案，即内衬钢管灌浆方案，这是成功运用了20年的方案，有很好的实践经验。

涵洞全长60.5 m，洞身部分长54.0 m。工程措施分5个部分：

(1)涵洞进口包括引渠和沉沙进水井2个部分，保留原涵洞的沉沙进水井，其位置不变，前面修筑钢筋混凝土引渠以适应本次坝坡坡度的调整；

(2)涵洞洞身采用钢管内衬，原老涵洞为下部矩形、上部半圆形的浆砌石断面，净宽0.6 m、净高1.0 m，设计内衬钢管外径500 mm，Q235B钢板、壁厚8 mm，钢管沿洞底敷设(从出口向上游顶管)；进出口各10 m长范围开挖清基至坚硬基岩，回填浆砌石至设计高程，保证基础牢固，钢管采用C20钢筋混凝土外包；

(3)涵洞出口设φ500 mm阀门2道，工作、检修各1道；

(4)出口建盖闸房1间，高3.0 m，柱子轴线平面间距为3.8 m×4.25 m；

(5)灌浆：①洞身内充填灌浆，沿涵洞轴线、从坝顶和前后坝坡布置3个钻孔做洞内空隙的充填灌浆，钻孔打穿老涵洞顶部，钻孔距离进口13 m，钻孔间距10 m；灌浆前将洞身进口、出口断面封堵，先灌上游、下游的孔，用坝顶的中间孔排气回浆，最后再灌中间孔；洞身充填灌浆材料：沙子、水泥、水混合浆，先浓后稀，适当加压灌注；②涵洞外壁帷幕灌浆形成截水环，布置6个涵洞两侧灌浆孔做帷幕灌浆，形成3道截水环，灌浆的方法、材料等，同坝体帷幕灌浆，自上而下分段灌浆。灌浆底界暂定洞身底部加深1个灌段，若基础透水率大时，加灌1段。见图1、图2。

图1 涵洞灌浆孔平面布置图

图2 涵洞灌浆孔立面图

洞身部位施工方法：首先在钢结构加工厂按设计尺寸卷板、焊接成圆筒型，每段长4.0 m，运抵工地，在涵洞出口处建1个顶管操作井(与闸室基础二合一建设)，将钢管逐段顶入老涵洞内，每顶进一段焊接下一段，直至钢管在涵洞进口工作面露头，按设计长度做好定位、调整。

2 内衬钢管灌浆方案的优点

小型水库涵洞加固工程中采用内衬钢管灌浆的方案，经济合理、技术可行、施工期短、安全可靠，内衬钢管灌浆方案的主要优点：①该方案最经济实用，工程造价仅为破坝建涵方案的40 %～50 %；②可同时解决老涵洞身开裂、漏水、局部下沉、冲蚀、掏空、混凝土碳化的问题，很多涵洞断面尺寸窄小，人无法进入，曾经做的改造，均未能处理涵洞洞身的这些问题；③施工简便、施工期短、安全可靠，洞身钢管从出口顶管而入，简单易行。

3 涵洞加固工程采用内衬钢管灌浆方案的技术要点

涵洞内衬钢管灌浆方案实施前后的变化主要有：无压洞变有压洞，洞身加长、断面变小，针对这些情况，在技术措施和管理上需特别注意把控，控制放水流量、不使洞内出现无压有压交替的不稳定流态；也不宜超过该流量，涵洞在有压流情况下的出流量，并不比无压状态的最大出流量增加多少。运行管理时，只能控制出流量、延长放水时间。总结的技术要点包括工程措施和调度运行2个方面。

1)以前的老涵洞，一般是在涵洞进口安装闸阀(如转盖闸)，闸阀尺寸小、大部分是φ300～500 mm，过流量小，涵洞净空高度能保证无压流状态；内衬钢管后，取消进口闸阀，在出口处安装阀门，无压涵洞变成有压涵洞，运行过程中洞身会出现各种不同的流态(有压、无压和介于2者之间的不稳定流态)。在特定水位、流量范围时形成的不稳定流态，会引起洞身的振动和剥蚀，不利于洞身结构安全；因此，在涵洞放水时，要做好闸门开度调控，尽量缩短不稳定流态出现的时长。根据出流量分析计算成果，制定调度运行制度和注意事项，并严格遵守。

小涵洞虽然断面小、出流量小、流速小，运行过程中进口、洞身出口同样会出现复杂的水流流态，工程设计和管理时应采取措施，尽量避免。

2)消除不稳定流态(这种流态会危害涵洞)的措施。不稳定流态即洞身出现时而无压、时而有压，并伴随着不稳定的周期性的负压空腔(空腔沿程交替出现呈周期性)水流现象。此时，需要分段充分惨气，避免出现负压空腔，避免洞身出现振动和剥蚀。因此，对于净高大的老涵洞，可以考虑在内衬的钢管上方设置通气孔。

(1)进口、出口处设置通气孔，见图3，孔管可以沿山坡向上延伸。

图3 进口、出口处布置通气孔示意图

(2)洞身中部的通气孔难设置，可考虑扩大灌浆钻孔直径，放一根通气管到钢管部位、与管壁上(顶管前)预留的通气孔连接(灌浆前人工操作)，而后灌浆。

老、新涵洞断面尺寸小，设置通气孔的具体工程措施有待进一步研究，确保设计的完善和施工的万无一失，否则会遗留漏水隐患。

3)涵洞内衬钢管后，洞身断面尺寸变小，过水断面面积比原涵洞小，需做输水流量的计算复核，使其满足水库所承担的灌溉面积的供用水要求。

4)涵洞的长度、断面尺寸反差大，再由于前后坝坡坡比的调整、涵洞洞身的加长，与断面变小更不相称，向上游延长的洞身段，断面尺寸宜适当加大，尤其是洞顶部位，结构采用钢筋混凝土，便于涵洞的运行维护。

5)这类水库除险加固，坝体多从下游培厚，后坡、坝趾向下游延伸，此时，若涉及到涵洞出口平面位置变化，不要延长涵洞管身结构，涵洞越长、越不利于运行。应尽量保持涵管出口位置不变，用明渠或大尺寸的箱涵衔接，线路走向沿等高线、山坡内侧，避开坝体。

6)对于尺寸较小的老涵洞(如沙井小河)，顶管之前，先用高压水枪冲洗洞身，待泥沙等淤积物排出后，再进行顶管作业。

7)老的小型水库，无建设资料，涵洞断面小，勘测人员无法进洞做检测，涵洞轴线是否为一条直线，关系到内衬钢管灌浆方案的成立与否。有一个简单的判别方法，放干库水，全开闸阀，从进口或出口将半个身子伸如洞内观察另一个洞口，能看到明显的光亮点，并用厚的黑布遮掩、拉开几次，观察光亮的变化是否明显，变化明显的为直洞；若亮光很弱，说明转弯点靠近洞口，此时，用φ50 mm钢管向洞内探测并分段接长，该方法探测深度可达20 m。若能断定转弯点距离洞口不超过20 m，可以采用内衬钢管灌浆方案，转弯段前的这20 m需开挖后拉直重建，或扩大施工断面处理、或在转弯段设置竖井处理。

若看不见光亮点说明洞身中部有转弯段，不宜采用内衬钢管灌浆方案。看不见光亮也有多种原因，遇到的情况如：进口结构为1个井，阀门在侧边的井壁上，有1个水库的涵洞，阀门设在井口的水平面上，不利于观察光亮。

8)由于老涵洞顶壁与内衬的钢管顶部空间很小，做洞身充填钻孔前，先计算地面距离洞顶的深度，接近洞顶时应减慢钻进速度，特别留意，一旦出现吊钻，立即停止钻孔。

9)洞身空间较大时，灌浆材料可以添加粗砂、中砂，此时要注意浆液的流动性，通过试验确定不同浓度浆液的配合比和惨砂的比例。

4 结 语

洞身采用内衬钢管灌浆方案，工程技术成熟、经济实用，能够在汛期水库水位较低时期施工完毕，不影响水库蓄水，在小型水库除险加固工程中得到广泛使用。

除险加固后，做好调度运行管理，充分发挥工程效益。