棋盤山水庫壩腳排水溝滲漏原因分析及處理措施

劉孝東

(遼寧西北供水有限責任公司，沈陽 110003)

1 工程概況

棋盤山水庫位于沈陽市北郊滿堂鄉渾河支流蒲河上游輝山——棋盤山山谷，是一座以防洪為主，兼顧旅游、養魚等綜合利用的多年調節水庫。水庫設計總庫容為6034萬m3，規模為中型水庫，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物的級別為3級。水庫正常蓄水位94.5m，設計洪水標準為100a一遇，設計洪水位為97.56m，校核洪水標準為1000a一遇，校核水位為100.02m。

水庫主要工程有攔河壩、輸水洞、非常溢洪道。壩長267m，防浪墻頂高程104.45m，壩頂寬8.9m，最大壩高24.5m，為均質土壩。輸水洞位于大壩右岸，洞長283.4m，洞徑3.5m。非常溢洪道為開敞式寬頂堰，堰頂高程98.33m，堰長33m，堰頂筑有土堤，當庫水位達到100m高程時，土堤自潰，非常溢洪道泄流，最大泄量達471 m3/s。

2 現狀描述及滲漏原因分析

2.1 輸水洞現狀及存在問題

輸水洞位于大壩右岸，從大壩右岸山體穿過，為混凝土有壓圓斷面隧洞，隧洞內壁由不等厚的鋼筋混凝土襯砌(各段襯砌厚度見表1)。洞長283.4m，洞徑3.5m，洞進口底高程81.5m，出口底高程79.5m，預留1孔發電支洞，由于未進行發電，此洞已用混凝土堵死。輸水洞最大泄流量為101.9m3/s，出口為挑流消能，尾水渠河底高程78.20m。輸水洞除了滿足下游生態需要外，還承擔泄洪任務。

表1 輸水洞襯砌特性表

輸水洞與大壩位置關系見圖1。

圖1 輸水洞與大壩位置關系

根據棋盤山水庫管理處工作人員描述及實際現場檢查，水庫大壩下游右側壩腳，距離輸水洞洞身約30m處排水溝側墻體有明流溢出，出溢水清澈、未攜帶雜物。此現象在輸水洞內充滿水時存在，放空后消失。

現場檢測發現隧洞襯砌外觀質量檢測發現多處滲水點，具體情況如下：

1)0+042-0+050范圍內襯砌存在多處滲水點，沿襯砌內壁滲水，滲流量較小，但洞壁存在清晰滲流痕跡。其中左側靠近閘門處存在一處排水管漏水，漏水情況較為明顯。

2)0+078襯砌頂部存在一處滲水點，滲水處已形成細流，流速較快。

3)0+113處襯砌右側存在一處漏水點，水流較細且噴灑而出。漏水部位為混凝土橫向與縱向施工接縫處。

4)0+235襯砌右側存在一處孔洞漏水點，水流較細，流速較快，漏水現象較為明顯。

5)0+253處襯砌混凝土存在一處環形裂縫，其裂縫寬度為0.1-10mm，無滲水現象。

6)其余部位雖未發現明顯漏水點，但洞壁存在清晰滲流痕跡。大都存在混凝土表面露石、破損嚴重，局部已形成剝蝕淺坑。

2.2 排水溝邊墻滲漏原因分析

水庫自建庫以來在下游排水溝就有滲水現象，其滲流量約為57m3/d，輸水洞放空時滲流消失。當時經省市有關專家分析，認為壩腳滲水不是繞壩滲流，而是輸水洞滲漏引起的，因此2011年組織實施了棋盤山水庫加固工程，對輸水洞襯砌裂縫采取化學灌漿處理。處理后，滲水現象有所好轉，但仍未徹底解決。現在，在距離輸水洞洞身約30m處壩腳排水溝側墻體有明流溢出，出溢水清澈、未攜帶雜物。輸水洞內無水時，滲漏現象消失，滲水量與輸水洞內壓力水相關性很強，可以判定輸水洞滲漏是排水溝邊墻滲漏的主要因素[1]。

輸水洞建成距今40多年，當時施工工藝落后，襯砌混凝土開裂、破損；回填灌漿不密實極易造成洞頂襯砌與巖體間出現空隙。輸水洞內有壓水通過襯砌裂縫、破損等部位滲出，或經過洞頂的空隙通道，順著山體的節理裂隙排出，造成壩腳排水溝邊墻產生滲漏現象。

3 滲漏處理方案設計

棋盤山水庫任務是以防洪、灌溉為主，兼顧養魚等綜，為保證汛前騰空庫容，應盡快對輸水洞滲漏進行修復，其他部位有條件的宜同時完成。

根據輸水洞現場圖像資料和檢測報告，輸水洞原襯砌結構存在表面平整度較差、局部破損漏筋和存在較大裂縫和滲水點，存在洞內水在內水壓力作用下，穿透襯砌薄弱點經山體裂隙外滲，最終在壩腳排水溝出露的可能。輸水洞前次除險加固采用局部灌漿修補的措施，從目前情況看效果并不理想。因此，本次處理考慮對全洞進行防滲處理以解決滲漏問題。擬比選3種洞內防滲方案，分別為：方案①不銹鋼板內襯、方案②鋼管內襯、方案③聚脲涂層內襯[2-4]。

3.1 方案①不銹鋼板內襯

1)技術依據：

不銹鋼內襯焊接工藝主要依據《現場設備、工業管道焊接工程施工規范》(GB50236)和《工業金屬管道工程施工規范》(GB50235)；施工驗收參考《給水排水管道工程施工及驗收規范》(GB50268)進行。

2)內襯結構示意圖見圖2。

圖2 不銹鋼板內襯示意圖

本方案借鑒非開挖地下管道不銹鋼內襯管道工藝，即在原有的地下管道1中襯入薄壁不銹鋼管道3，在1、3層間縫隙灌入填充劑2。原有地下管道1主要功能是承受管道內壓與外壓。薄壁不銹鋼管3是耐蝕金屬制成的薄壁金屬管，其主要功能是防腐蝕和防漏水。填充層2的功能是填充原管道1內壁和不銹鋼襯管3外壁之間的空間，使不銹鋼襯里地下管道成為一個整體結構的復合管。

3)薄壁不銹鋼內襯的優點：

內襯后的管內壁光滑不易結垢，降低運行摩阻。由于鋼中含有18%的鉻，在使用過程中管道內壁形成一層極薄的氧化鉻薄膜，該薄膜阻止金屬繼續氧化，故不銹鋼有很強的耐腐蝕性能，不僅能承受水和空氣的腐蝕，而且可以承受弱酸弱堿的腐蝕。內襯不銹鋼管的厚度有3mm。

強度高：304不銹鋼的抗拉強度520MPa，屈服強度210MPa，斷裂伸長率>30%，具有良好的適應變形和附著性能。

耐腐蝕性好：特別是耐晶間腐蝕性優越；不老化，沒有其他材料慢速裂紋、快速裂紋的致命缺陷；適用于一般腐蝕性的許多環境。

安全、衛生：該型號不銹鋼屬于食品級材料；薄壁不銹鋼內襯，基本不改變原管道的直徑，表面光滑提高流量能力10%-20%。

4)薄壁不銹鋼內襯在本工程的適用性：

根據輸水洞洞內無水時外水內滲的情況可知，隧洞周邊存在外水壓力。根據庫水位和周邊山體地形，外水壓力最高可達十余米。隧洞原襯砌結構已有多處破損，外水從破損點穿過襯砌結構進入洞內。若采用薄壁不銹鋼內襯，外水壓力將作用在內襯不銹鋼管上。而內襯不銹鋼管一般厚度在5mm以下，本身無法抵抗外水壓力，此時只能依靠內襯不銹鋼管與原襯砌結構間的填充劑將不銹鋼管與原襯砌結構結合，共同承擔外水壓力。一旦填充劑在外水壓力作用下產生破損，內襯不銹鋼管與原襯砌結構間就會產生空腔，空腔處不銹鋼管不單要承擔外水壓力，還宜在洞內高速水流所用下產生震動，最終造成疲勞破壞或與原襯砌結構脫離。

因此，內襯不銹鋼板雖能很好的承受內壓，但本工程原隧洞襯砌結構已有多處破損，很難保證內襯不銹鋼板與原襯砌混凝土的結合。一旦局部破損處內襯不銹鋼板剝離，就會形成聯鎖反應，造成整個內襯管道大面積破壞。

3.2 方案②鋼管內襯

為解決方案①中薄壁不銹鋼板不可承擔外水壓力的問題，擬采用內襯鋼管承擔外水壓力和內水壓力。輸水洞內徑3.5m，考慮鋼襯外回填混凝土，鋼管洞內運輸等作業空間，鋼管外徑取Φ3220mm。施工時，原襯砌結構鑿毛50mm，鋼管外壁至原襯砌凈尺寸140mm，襯砌回填自密實混凝土厚190mm。

鋼襯結構圖如圖3所示。

3.2.1 鋼襯結構復核

鋼襯抗外壓穩定按明管計算，其外壓按標準值考慮，即鋼襯內最大負壓0.05MPa，鋼襯外最大外水壓力0.15MPa，組合最不利外壓標準值為0.20MPa。

不考慮鋼襯外混凝土的約束作用，依據《水電站壓力鋼管設計規范》(NB/T 35056-2015)，光面管管壁抗外壓分析公式如下。

(1)

式中：t為鋼襯計算壁厚；D為鋼襯內徑；Es為鋼材彈性模量，206000MPa。

圖3 鋼管內襯示意圖

經計算，外壓0.20MPa時，光面鋼襯計算壁厚18mm，考慮2mm的腐蝕厚度并取整，鋼襯設計厚度取20mm。

另外，棋盤山水庫輸水洞樁號0+101.554-0+131.916為轉彎段，轉彎半徑30m，轉角約58°；輸水洞出口設一扇3.1m×2.6 m弧形鋼閘門。內襯鋼管進入洞內，必須在工廠縱向分割成3-4塊瓦片，現場焊接組裝。瓦片在工廠內分別加工接觸灌漿孔。具體工序如下：

1)鋼襯沿軸線方向均分為3-4塊瓦片，現場安裝時，先將下部兩節瓦片運至漸變段正確位置，進行定位、拼裝工作，定位、拼裝并點焊完畢后，在下部兩節鋼襯內表面鋪設輕軌，安裝起升臺車，然后利用起升臺車分別將上部瓦片頂推至安裝位置，進行定位、拼裝工作。

2)整個鋼襯全部定位拼裝完畢后，在鋼襯內進行焊接工作，焊接工藝均為單面焊雙面成型。縱縫焊接完成后，進行鉆孔及錨固鋼筋的植入和塞焊、焊后磨平操作。

3)焊接工作驗收完畢后，實施灌注微膨脹細石混凝土C30F200、回填灌漿、接觸灌漿，確保鋼襯與混凝土襯砌密切貼合。最后焊接堵塞鋼板并涂刷聚脲防腐層。

3.2.2 鋼襯水力計算

輸水洞為有壓隧洞，洞徑3.5m，洞長283.4m，進口為喇叭口形，有一扇平板閘門，出口為弧形鋼閘門，對輸水洞進行水力學過流能力復核，計算公式：

(2)

(3)

鋼襯前輸水洞洞徑3.5m，襯砌粗糙系數取0.014；鋼襯后洞徑3.2m，襯砌粗糙系數取0.012。

經核算，鋼襯后輸水洞最大泄量98.3m3/s，基本滿足庫水位100.01m以下時，獨自承擔泄洪任務。

3.3 方案③內襯聚脲涂層

輸水洞表面普遍存在蜂窩麻面，水力沖蝕破壞嚴重，且存在環向裂縫，需對環縫進行開槽、環氧砂漿處理，對輸水洞襯砌表面進行打磨，缺損處涂彈性環氧砂漿，滲水點進行堵漏處理，伸縮縫內填塞聚氨酯類嵌縫密封料使其與襯砌表面平整；以上工序完成后，在輸水洞襯砌表面設置聚脲涂層，厚度≥3mm，采用刮涂、涂刷或輥涂方法施工。

另外，輸水洞周邊山體可能存在庫內與下游的滲漏通道，為防止庫內水經山體向下游滲漏，在輸水洞樁號0+102附近設置3排環向灌漿帷幕。帷幕灌漿孔深12m，孔徑Φ56mm，交錯布置。灌漿孔排距1m，每排布設15孔，灌漿壓力≤1MPa，并根據施工中具體情況進行調整。

4 比選結論

從投資、工期、防滲效果、運行影響等因素比較以上方案如表2所示。

表2 方案比選表

方案①多用于工業管道，管徑較小，水工建筑物運用較少且無法抵抗外水壓力，存在安全隱患。

方案②技術成熟，整體剛度高；但施工工藝復雜，周期長，投資高。

方案③投資低，施工工藝簡單，周期短，且已在國內外多個水利工程中運用，技術成熟，耐久性好。

考慮修復工程規模小，安全性要求高，推薦投資小、工期短且不影響運行的方案③內襯聚脲涂層。