淺談引水隧洞混凝土襯砌裂縫及結構安全分析

游 志 純， 劉 婷， 翟 曉 斌

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖北 宜昌 443002)

淺談引水隧洞混凝土襯砌裂縫及結構安全分析

游 志 純， 劉 婷， 翟 曉 斌

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖北 宜昌 443002)

以中梁一級水電站引水隧洞充水運行中襯砌段出現裂縫為例，通過對該電站襯砌結構進行安全復核計算及影響結構安全敏感性因素進行分析，明確了出現裂縫的原因，并對裂縫處理提出了具體措施。運行結果表明：該電站所采用的裂縫成因分析合理、處理方式可行。

隧洞；裂縫；結構分析；處理；中梁一級水電站

隧洞襯砌結構通常是由拱或環形構造為主體的承壓構件組成，水工隧洞襯砌設計一般采取限裂設計，其裂縫問題是普遍存在且不易解決的工程實際問題。根據工程經驗，鋼筋混凝土襯砌在保證施工質量的前提下, 圓形隧洞在承受100 m內水壓力以內時 襯砌開裂很少,且開裂的裂紋細。但如果施工過程中存在缺陷，則襯砌裂縫多且裂縫開展寬度容易超過標準值，隨著裂縫繼續開裂、擴大、貫穿結構時，裂縫不僅影響襯砌結構的穩定，還會因裂縫滲水而影響到隧洞的安全運行。筆者對中梁一級水電站引水隧洞出現的裂縫問題進行了分析、探討。

1 概 述

中梁一級水電站位于重慶市巫溪縣境內長江三峽河段北岸大寧河干流上，是一座以發電、防洪為開發目的的長引水式地面電站，電站裝機容量為3×24 MW。引水有壓隧洞從進水口末端至調壓井中心全長7 890.58 m，隧洞中心線高程為581.25～546 m，坡度為0.447 8%。隧洞斷面為圓形，采用鋼筋混凝土襯砌和素混凝土噴護兩種型式。鋼筋混凝 土 襯 砌 段(洞 徑4.5 m)總 長5 026.58 m，噴護段總長2 857 m。

引水隧洞軸線走向與地層走向斜交，埋深15～722 m。沿線穿越三疊系嘉陵江組、大冶組、二疊系上、中統各巖組地層，主要為灰巖、泥質灰巖，少量為黑色炭質頁巖、鋁土巖、煤層等。圍巖類別主要為Ⅲ類，部分為Ⅱ類，局部為Ⅳ～Ⅴ類，圍巖局部穩定性差。

圖1 水平縫滲水伴析出物

圖2 Y5+850附近的貫穿水平縫

2012年4月16～22日，中梁一級水電站引水隧洞首次充水試運行后進行檢查發現引水隧洞各段混凝土襯砌有多條裂縫，尤其是樁號Y4+800～Y6+900段襯砌混凝土裂縫較多；其中溫度縫較少，多數裂縫呈水平(圖1)，亦有較多混凝土施工冷縫，裂縫寬度基本大于0.1 mm，部分寬度大于0.3 mm。2012年5月7日，再次進洞檢查時發現洞兩側和下半部的多數裂縫滲出黃(白)色的“細物質”，鉆孔取芯表明：部分裂縫為貫穿性裂縫，樁號Y5+850洞段附近隧洞右側下半部有一條1.3 mm寬的貫穿水平裂縫(圖2)。

2 結構安全復核及分析

水工隧洞混凝土裂縫是常見現象，但是貫穿性裂縫產生的滲漏、涌水將直接威脅隧洞襯砌的安全。為確保該隧洞的運行安全，消除安全隱患，筆者對引水隧洞進行了承載力極限狀態和正常使用極限狀態下的驗算。

2.1 結構設計復核計算

引水隧洞混凝土襯砌按限裂要求進行設計，根據圍巖類別，Ⅲ類圍巖段采用的襯砌混凝土厚度為40 cm，配單層構造鋼筋；Ⅲ～Ⅳ類圍巖段采用的襯砌混凝土厚度為60 cm，配雙層鋼筋；Ⅳ～Ⅴ類圍巖段采用的襯砌混凝土厚度為80 cm，配雙層鋼筋。混凝土強度等級為C25。

根據引水隧洞開挖后的地質素描及隧洞襯砌最后實施情況，選取樁號Y0+409.9(襯砌厚度60 cm)，樁號Y6+622(襯砌厚度80 cm)兩個典型斷面進行了結構復核，其復核結果見表1。

表1 襯砌計算參數及復核成果表

注： 表中檢修時考慮放空檢查，外水水頭變動，外水取內水最大水頭計算。

復核結果表明：各工況下襯砌結構承載力極限狀態鋼筋配置滿足規范要求，正常使用極限狀態下裂縫寬度最大為0.25 mm，滿足規范規定的允許裂縫寬度要求。

2.2 敏感性分析

影響襯砌結構安全的主要因素還有混凝土強度等級、圍巖完整性以及圍巖與混凝土是否緊密結合。對樁號Y6+622(襯砌厚度80 cm)典型洞段進行分析得知：不同的圍巖參數與不同的混凝土強度等級對結構的敏感性分析成果見表2、3。由表2、3可見，混凝土強度等級或圍巖單位彈抗系數達不到設計值時，均容易造成裂縫寬度超過規范要求。灌漿施工質量的優劣、圍巖彈抗系數的變化更明顯地影響到裂縫寬度，將直接影響到隧洞的安全運行。

3 裂縫原因分析及所采取的處理措施

表2 襯砌段不同彈性抗力取值分析成果表

注： 表中襯砌混凝土強度等級為C25。

3.1 裂縫產生的原因分析

由于實際最大裂縫寬度超過0.3 mm，超過了設計限值(0.25 mm)及規范允許值(正常運行2次不大于0.25 mm，檢修工況不大于0.3 mm)，故排除了因設計缺陷因素引起隧洞襯砌裂縫寬度超標的可能性。

查閱竣工資料可知:所有進場的水泥、鋼筋均有出廠合格證, 抽樣試驗亦完全合格;砂子和碎石骨料品質也達到了規范要求;施工過程中混凝土取樣試驗合格。因此，亦排除了因混凝土強度不足引起裂縫超標的可能性。

隧洞襯砌段兩側和下半部的多數裂縫有溶蝕(白、黃)漿液析出, 而洞頂卻少有, 這很有可能是由于回填或固結灌漿未做好、襯砌與圍巖間有空隙、圍巖的單位彈抗系數達不到設計值、不能產生有效的巖石抗力而被拉裂形成裂縫。襯砌開裂后, 內水壓力水流向襯砌外的空隙擠壓裂縫, 使裂縫寬度加大，從而導致出現局部裂縫超過標準值的情況。

3.2 所采取的處理措施

表3 不同混凝土強度等級取值分析成果表

注： 表中圍巖單位彈抗系數和山巖壓力系數取值同表1。

據裂縫成因分析并經參建各方會議討論后，設計單位提出了處理方案：(1)裂縫處理：對于縫隙<0.1 mm的裂縫，進行表面封閉處理，縫面采用水泥基滲透結晶材料防滲涂刷；對于縫隙≥0.1 mm的裂縫，采取化學灌漿處理，化學灌漿材料采用LPL高滲透改性環氧漿材。(2)灌漿處理：對混凝土襯砌頂拱120°范圍內重新掃孔，進行回填補灌。對樁號Y4+800～Y6+900襯砌段全部采用固結灌漿處理，固結灌漿孔孔深5 m，灌漿壓力為0.5 MPa，對隧洞樁號Y6+200～Y6+340以及樁號Y6+500～Y6+630段實施加強灌漿，固結灌漿孔孔深10 m，分三段按壓力0.5 MPa、0.8 MPa、1.5 MPa灌注。灌漿效果采用壓水實驗單點法檢查，對檢查不合格的裂縫進行補灌，直到其滿足要求后方可封孔。

4 結 語

(1)水電工程引水隧洞襯砌段按限裂設計。由于灌漿未做好、襯砌與圍巖間有空隙或空洞, 從而使襯砌與圍巖沒有形成整體, 不能產生有效的巖石抗力, 改變了設計襯砌受力條件、不能限制裂縫的發展而導致裂縫寬度超規范標準值。

(2)影響引水隧洞襯砌結構安全的主要因素有混凝土強度等級、圍巖完整性以及圍巖與混凝土是否緊密結合、混凝土強度等級或圍巖單位彈抗系數達不到設計值均容易造成裂縫寬度超過規范要求。灌漿施工質量的優劣，直接影響到隧洞的安全運行。

(3)工程實施時，采用以灌漿為主，裂縫處理為輔的處理方式，加固了圍巖，使襯砌與圍巖形成整體,產生了有效的巖石抗力, 有利于襯砌結構受力。處理完后的隧洞充水運行至今已達4年多，無異常，表明裂縫成因分析合理、裂縫處理方式可行。

[1] SL279——2016，水工隧洞設計規范[S].

[2] 祝遠波, 馮振西. 和平水電站引水隧洞襯砌裂縫原因分析及修復設計[J]. 廣東水利電力職業技術學院學報, 2003, 1(4):52-54.

[3] 胡忠瑞. 隧道襯砌裂縫成因分析及處理措施[J]. 建筑工程技術與設計, 2014，2(10):230-230.

(責任編輯：李燕輝)

2016-10-10

TV7;TV554;TV544

B

1001-2184(2017)02-0083-03

游志純(1978-)，女，江西南城人，高級工程師，工程碩士，從事水工結構設計工作；

劉 婷(1968-)，女，湖南攸縣人，教授級高級工程師，學士，從事水工結構設計工作；

翟曉斌(1980-)，男，河南鞏義人，高級工程師，學士，從事水工結構設計工作.