某水电站引水隧洞局部洞段衬砌破损处理研究

鲍世虎，张洋

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 工程概述

某水电站装机容量4 800 MW，电站枢纽工程主要由首部低闸、引水系统、尾部地下厂房等永久性建筑物组成，为低闸、长隧洞、大容量引水式电站。引水隧洞单条长约16.7 km，沿线上覆岩体一般埋深1 500～2 000 m，最大埋深约为2 525 m，具有埋深大、洞线长、洞径大的特点。

水电站已建成投产运行多年，引水隧洞已历经多次放空检修，总体运行状况良好。在电站建设期间，因特大暴雨的影响，2012年引水隧洞K15+200 m桩号附近洞段曾出现衬砌破损现象。2018年和2019年，通过水下机器人对引水隧洞进行检查，再次发现上述洞段出现破衬砌损现象。2021年2—3月，对引水隧洞进行了放空检修，发现上述洞段衬砌结构出现翘曲破损、钢筋外露变形等现象，破损范围有所扩大。

2 衬砌结构布置设计

电站引水隧洞长约16.7 km，隧洞主轴线方位角为N58°W，立面为缓坡布置，底坡3.65‰。引水隧洞K15+200 m桩号附近洞段采用TBM开挖，圆形断面，钢筋混凝土衬砌，衬后洞径11.00 m。引水隧洞最大引用流量为457.2 m3/s，流速约为4.87 m/s，最大静水头约为78.3 m。衬砌混凝土等级为C25W8，厚60～80 cm，其中底板厚60 cm，单层钢筋，φ28～φ22@20 cm。固结灌浆入岩孔深6.0 m，灌浆压力6.0 MPa，间、排距3.0 m×3.0 m。

3 衬砌历次破损及修复

3.1 2012年8月“8.30”暴雨期间

引水隧洞衬砌施工完成，固结灌浆基本完成，局部地下水发育洞段灌浆未完成。“8.30”暴雨期间，K15+180 m～15+212 m洞段衬砌底板与边顶拱多处发现纵向方向的混凝土开裂情况（见图1）。

图1 “8.30”暴雨期间破损现象

对破坏的衬砌混凝土进行了凿除和修复处理，对混凝土裂缝进行了灌浆，并对衬砌破坏较严重的部位进行加密灌浆处理。在K15+173 m～15+221 m洞段地下水出露位置的衬砌结构上设置了随机减压孔φ90 mm，入岩深度0.1 m，并安装逆止阀。

3.2 2014年11月第一轮放空

K15+180 m～15+220 m洞段边墙及底板再次出现局部衬砌混凝土破坏等现象。破坏区域衬砌表面混凝土破裂，部分区域钢筋外露弯曲，并伴有渗水或涌水（见图2）。

图2 第一轮放空期间的破损现象

凿除破损混凝土，衬砌采用C30W8混凝土修复。破损洞段底板120°范围进行围岩加固灌浆，灌浆孔间、排距3.0 m×3.0 m，灌浆孔深入岩6.0 m。结合灌浆孔封孔布置插筋φ32，L=3.0 m，插筋入岩深度2.5 m。破损洞段布置减压孔，孔深入岩0.6 m，间、排距3.0 m×3.0 m，孔内安装逆止阀。

3.3 2017年3月第二轮放空

K15+180 m～15+191 m洞段衬砌右边拱出现大面积泥凝土抬动，破坏区长约11 m、宽约5 m，裂缝处渗水但未露筋。K15+197 m桩号右边拱施工缝处混凝土脱落，破坏区长约6.0 m、宽约0.5 m，未发现露筋及渗水现象；K15+200 m和K15+207 m桩号位置衬砌出现小面积轻微破坏。

凿除破损混凝土，采用高强聚合物砂浆材料对衬砌进行修复。K15+180 m～15+220 m洞段布置系统减压孔，间、排距2.0 m×2.0 m，孔深入岩0.5 m，衬砌破坏和地下水出露位置再随机加密布置，减压孔内安装逆止阀。

4 2018—2021年破损现象

2018—2021 年期间，对引水隧洞先后进行水下机器人不放空检查和第三轮放空检查，发现在K15+200 m附近洞段再次出现较为严重的破损现象。其中，K15+203 m～15+209 m段底板浅表混凝土破损，钢筋外露、弯曲等（见图3），破损范围约为6.2 m×4.6 m（长×宽）。

图3 第三轮放空期间破损现象

5 衬砌修复必要性

引水隧洞出现了衬砌结构翘曲破损、钢筋外露扭曲等破坏现象，将对电站的长期安全运行造成不利影响。

（1）混凝土衬砌结构发生翘曲破损现象，将增加引水隧洞混凝土过流表面的粗糙度，增加水头的损失，持续降低未来的发电效益。

（2）混凝土衬砌破损后，暴露的钢筋失去混凝土的保护作用，承载能力下降，钢筋可能因锈蚀和冲刷而逐渐变细，甚至弯曲、断裂。

（3）衬砌结构发生破坏后，承载力下降，当外水压力过大等根本原因未得到有效处理时，其衬砌结构的破坏现象有可能会进一步加剧。

6 衬砌破损原因及修复处理原则

引水隧洞K15+200 m附近洞段位于的盐塘组T2y和溶隙—裂隙散流型水文地质单元出水带内，出水带范围即K15+212 m～14+046 m。根据已有的检查结果和前期结构设计资料分析认为，引水隧洞衬砌结构发生翘曲破坏的主要原因为外水压力过大造成了衬砌结构的局部破坏。历次修复处理已在局部区域增设减压孔，但放空检查期间未见减压孔有明显的出水现象，孔内的逆止阀为机械结构，可能因析钙或洞内泥沙淤等不利现象导致逆止阀排水失效。

衬砌结构的破坏属于局部破坏，可按原设计参数进行修复，重点是应根据现场实际水文地质条件，对引水隧洞衬砌结构采取有效的排水措施，及时释放外水压力，减少混凝土衬砌结构的外部荷载。

7 修复处理设计方案

根据现场实际情况及计算分析，对破损区域及外延洞段的底拱120°范围拟定处理方案：一是凿除破损混凝土，衬砌采用环氧混凝土回填修复。二是对已出露的集中渗漏水点需作引排处理，在混凝土浇筑前预埋排水钢管，钢管内端深入衬砌内，外水可自由排泄至洞内。三是对浅层围岩进行固结灌浆处理，灌浆孔间、排距1.5 m×1.5 m，孔深8 m；充分利用围岩的抗渗性能，降低外水作用在衬砌上的压力。四是为加固围岩、增强围岩与衬砌之间的整体性，布设普通砂浆锚杆φ32，长4.5 m，间、排距1.5 m×1.5 m。五是布设排水孔φ50～90 mm，入岩深2.0 m，孔内不设逆止阀。

在假定外水压力为500 m且不存在集中渗漏通道的情况下，修复处理后衬砌结构的受力分析如下所示（见图4）。由图4可知：一是衬砌的最大渗透压力集中在边顶拱外侧，约为37 m。二是衬砌的最大拉应力集中在边顶拱内侧，约为0.40 MPa。三是衬砌的最大压应力集中在边顶拱内侧，约为0.75 MPa。

图4 衬砌修复处理后外水压力作用下衬砌渗压和应力（单位：Pa）

8 结语

（1）引水隧洞局部洞段混凝土衬砌出现破损现象之后，将增大水头损失，降低发电效益，降低结构承载力和耐久性；为保证电站长期安全运行，修复处理是必要的。

（2）引水隧洞衬砌破损仅发生在局部洞段，且多次集中在底拱区域出现，主要是由于存在集中渗漏通道、外水压力过大等，对结构整体安全性影响较小，需要针对性采取处理措施。

（3）引水隧洞衬砌结构局部破坏，可根据原设计参数进行修复，局部增设系统固结灌浆、系统锚杆和系统减压孔等。为避免逆止阀因析钙或泥沙淤堵等原因失效，在增设的减压孔中不再设置逆止阀，确保外水能及时释放、避免衬砌承受过大的外水压力。在类似工程中，应根据引水隧洞水文地质环境研究是否设置逆止阀，并研究逆止阀能否正常工作。

（4）2021年12月，通过水下机器人检查发现，引水隧洞K15+200 m附近洞段在经过一个汛期后衬砌结构依然运行状态良好，工程处理措施是合适的。