涵洞除險加固采用內(nèi)襯鋼管灌漿法的技術(shù)要點

孔建華，田俊佳

(云南創(chuàng)研勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650228)

0 引 言

小型水庫大多建于20世紀50—60年代，至21世紀初已使用40—50年，水庫建設時受制于技術(shù)條件、思想認識等因素，樞紐工程存在諸多病險、隱患較多，設施老化、功能退化，特別是輸水涵洞，普遍存在清基不徹底、洞身漏水、進口淤積，閘門銹蝕、啟閉不靈、關(guān)閉不嚴、漏水，病害較多，不能正常使用，甚至危及壩體安全。從20世紀90年代初到現(xiàn)在，小型病險水庫的除險加固工作基本完成。

筆者主持或參與完成了十余座小型水庫除險加固工程，鑒于地形地質(zhì)條件不能夠新建輸水隧洞的，需進行涵洞加固處理。昆明市的涵洞加固處理工程，大多采用洞身內(nèi)襯鋼管、新老洞身之間的空隙和老洞結(jié)構(gòu)壁外灌漿的方案(簡稱內(nèi)襯鋼管灌漿方案)，如20世紀90年代竣工的自衛(wèi)村水庫加固工程，本世紀初竣工的沙井小河水庫、三角水庫加固擴建工程，及后來陸續(xù)完工的白龍?zhí)端畮旒庸坦こ獭⒏耖运浼庸坦こ痰龋罱囊粋€項目完工、投入使用8年，最長的已使用20多年，運行情況良好。

1 工程實例

1.1 官渡區(qū)某水庫輸水涵洞加固改造工程

官渡區(qū)某水庫(以下簡稱水庫1)始建于1958年，總庫容127.1 萬m3，工程規(guī)模為小(一)型，壩高35 m，壩頂軸線長約118 m，寬5.0 m。輸水工程初步設計階段做了3個方案，方案①：在順流右岸新建輸水隧洞，缺點：右岸山體破壞大，將來會存在漏水隱患；工程造價高；方案②：重建涵洞，洞身為φ內(nèi)800 mm預制混凝土管、外包C20鋼筋混凝土；缺點：開挖壩體、對土壩造成很大破壞；工程量大、投資大；方案③：加固改造老涵洞，即內(nèi)襯鋼管灌漿方案。經(jīng)實地調(diào)查、測量，老輸水涵洞全長124 m，洞身部分長86 m，洞線短(比隧洞方案洞線短約30 m)，洞身呈直線布置，雖然管徑小(混凝土預制管φ內(nèi)400 mm)，但水庫1的主要功能是城鄉(xiāng)供水及水澆地灌溉，供水流量不大，如果能像自衛(wèi)村、三角水庫那樣采用內(nèi)襯鋼管(鋼管φ外300 mm)、充填灌漿的加固方案和措施，工程量小、投資省，且涵洞進口加固改造工作量小、工期短，因而施工協(xié)調(diào)簡單(4月底水庫放空、至6月底主汛期到來前便可完成)；洞身施工技術(shù)成熟(從涵洞出口向洞內(nèi)頂管)、結(jié)構(gòu)處理不復雜，可避免方案①建隧洞帶來的工程量大、投資多、工期長，以及因開挖隧道(爆破)而引起右岸山體新的滲漏、從而帶來的增加灌漿處理工程量的問題。方案比選：3個方案均能徹底解決原輸水涵洞環(huán)向開裂、漏水、洞壁結(jié)構(gòu)變形、凸凹不平、沖蝕、掏空、混凝土碳化的問題，而方案③優(yōu)勢比較明顯：①工程投資省，僅為方案2的38.2 %；②無需破壩施工，對大壩的影響小，保證了大壩的完整性、利于壩體和壩基的防滲處理；③施工協(xié)調(diào)簡單方便，施工時的導流措施不復雜；④施工技術(shù)成熟、安全性高。因此，選擇內(nèi)襯鋼管灌漿方案并在施工圖設計階段優(yōu)化了工程措施(進口5 m、出口5 m挖除、改造，順直后靠山，地質(zhì)條件更好，基礎處理深度小)。

工程措施：在原涵管內(nèi)，頂入1根φ300 mm鋼管作內(nèi)襯；從壩坡、壩頂沿涵洞軸線打5個灌漿孔(打穿老涵洞洞頂)，灌注1：1水泥砂漿回填；老壩軸線前做3道截水環(huán)，布置12個帷幕灌漿孔，進行防滲截流灌漿；壩軸線后布置4排各2個孔，對老涵洞壁外的孔洞進行充填；總共布25個灌漿孔。

涵洞進口已建的斜拉閘門維修后留做檢修閘，在出口新建1個350 mm凡爾閘作為工作閘，閘門后設置消力池與沙井大溝連接。建蓋鋼混結(jié)構(gòu)閘房1間，高3.0 m，柱子軸線平面間距為3.3 m×3.6 m。

雖然內(nèi)襯鋼管方案使涵洞過水斷面變小，但鋼管糙率低，經(jīng)計算，可以滿足供水要求。水庫1與鄰谷的另一個水庫為下游用水區(qū)的2個重要水源(共用1條引水管渠)，另一水庫已新建了輸水隧洞，輸水流量和調(diào)控能力大，2庫可以相互配合、靈活調(diào)度(供水時段和輸水流量)，因此，推薦的內(nèi)襯鋼管灌漿、加固已有的輸水涵管的工程方案是合理的。

1.2 石林縣某水庫輸水涵洞加固改造工程

石林縣某水庫(簡稱水庫2)始建于1958年，總庫容10.1 萬m3，壩高15.8 m，工程規(guī)模為一般小(二)型。水庫地處縣域邊遠山區(qū)，受投資、地形、地質(zhì)條件等因素所限，輸水工程只能采取加固改造老涵洞方案，即內(nèi)襯鋼管灌漿方案，這是成功運用了20年的方案，有很好的實踐經(jīng)驗。

涵洞全長60.5 m，洞身部分長54.0 m。工程措施分5個部分：

(1)涵洞進口包括引渠和沉沙進水井2個部分，保留原涵洞的沉沙進水井，其位置不變，前面修筑鋼筋混凝土引渠以適應本次壩坡坡度的調(diào)整；

(2)涵洞洞身采用鋼管內(nèi)襯，原老涵洞為下部矩形、上部半圓形的漿砌石斷面，凈寬0.6 m、凈高1.0 m，設計內(nèi)襯鋼管外徑500 mm，Q235B鋼板、壁厚8 mm，鋼管沿洞底敷設(從出口向上游頂管)；進出口各10 m長范圍開挖清基至堅硬基巖，回填漿砌石至設計高程，保證基礎牢固，鋼管采用C20鋼筋混凝土外包；

(3)涵洞出口設φ500 mm閥門2道，工作、檢修各1道；

(4)出口建蓋閘房1間，高3.0 m，柱子軸線平面間距為3.8 m×4.25 m；

(5)灌漿：①洞身內(nèi)充填灌漿，沿涵洞軸線、從壩頂和前后壩坡布置3個鉆孔做洞內(nèi)空隙的充填灌漿，鉆孔打穿老涵洞頂部，鉆孔距離進口13 m，鉆孔間距10 m；灌漿前將洞身進口、出口斷面封堵，先灌上游、下游的孔，用壩頂?shù)闹虚g孔排氣回漿，最后再灌中間孔；洞身充填灌漿材料：沙子、水泥、水混合漿，先濃后稀，適當加壓灌注；②涵洞外壁帷幕灌漿形成截水環(huán)，布置6個涵洞兩側(cè)灌漿孔做帷幕灌漿，形成3道截水環(huán)，灌漿的方法、材料等，同壩體帷幕灌漿，自上而下分段灌漿。灌漿底界暫定洞身底部加深1個灌段，若基礎透水率大時，加灌1段。見圖1、圖2。

圖1 涵洞灌漿孔平面布置圖

圖2 涵洞灌漿孔立面圖

洞身部位施工方法：首先在鋼結(jié)構(gòu)加工廠按設計尺寸卷板、焊接成圓筒型，每段長4.0 m，運抵工地，在涵洞出口處建1個頂管操作井(與閘室基礎二合一建設)，將鋼管逐段頂入老涵洞內(nèi)，每頂進一段焊接下一段，直至鋼管在涵洞進口工作面露頭，按設計長度做好定位、調(diào)整。

2 內(nèi)襯鋼管灌漿方案的優(yōu)點

小型水庫涵洞加固工程中采用內(nèi)襯鋼管灌漿的方案，經(jīng)濟合理、技術(shù)可行、施工期短、安全可靠，內(nèi)襯鋼管灌漿方案的主要優(yōu)點：①該方案最經(jīng)濟實用，工程造價僅為破壩建涵方案的40 %～50 %；②可同時解決老涵洞身開裂、漏水、局部下沉、沖蝕、掏空、混凝土碳化的問題，很多涵洞斷面尺寸窄小，人無法進入，曾經(jīng)做的改造，均未能處理涵洞洞身的這些問題；③施工簡便、施工期短、安全可靠，洞身鋼管從出口頂管而入，簡單易行。

3 涵洞加固工程采用內(nèi)襯鋼管灌漿方案的技術(shù)要點

涵洞內(nèi)襯鋼管灌漿方案實施前后的變化主要有：無壓洞變有壓洞，洞身加長、斷面變小，針對這些情況，在技術(shù)措施和管理上需特別注意把控，控制放水流量、不使洞內(nèi)出現(xiàn)無壓有壓交替的不穩(wěn)定流態(tài)；也不宜超過該流量，涵洞在有壓流情況下的出流量，并不比無壓狀態(tài)的最大出流量增加多少。運行管理時，只能控制出流量、延長放水時間。總結(jié)的技術(shù)要點包括工程措施和調(diào)度運行2個方面。

1)以前的老涵洞，一般是在涵洞進口安裝閘閥(如轉(zhuǎn)蓋閘)，閘閥尺寸小、大部分是φ300～500 mm，過流量小，涵洞凈空高度能保證無壓流狀態(tài)；內(nèi)襯鋼管后，取消進口閘閥，在出口處安裝閥門，無壓涵洞變成有壓涵洞，運行過程中洞身會出現(xiàn)各種不同的流態(tài)(有壓、無壓和介于2者之間的不穩(wěn)定流態(tài))。在特定水位、流量范圍時形成的不穩(wěn)定流態(tài)，會引起洞身的振動和剝蝕，不利于洞身結(jié)構(gòu)安全；因此，在涵洞放水時，要做好閘門開度調(diào)控，盡量縮短不穩(wěn)定流態(tài)出現(xiàn)的時長。根據(jù)出流量分析計算成果，制定調(diào)度運行制度和注意事項，并嚴格遵守。

小涵洞雖然斷面小、出流量小、流速小，運行過程中進口、洞身出口同樣會出現(xiàn)復雜的水流流態(tài)，工程設計和管理時應采取措施，盡量避免。

2)消除不穩(wěn)定流態(tài)(這種流態(tài)會危害涵洞)的措施。不穩(wěn)定流態(tài)即洞身出現(xiàn)時而無壓、時而有壓，并伴隨著不穩(wěn)定的周期性的負壓空腔(空腔沿程交替出現(xiàn)呈周期性)水流現(xiàn)象。此時，需要分段充分慘氣，避免出現(xiàn)負壓空腔，避免洞身出現(xiàn)振動和剝蝕。因此，對于凈高大的老涵洞，可以考慮在內(nèi)襯的鋼管上方設置通氣孔。

(1)進口、出口處設置通氣孔，見圖3，孔管可以沿山坡向上延伸。

圖3 進口、出口處布置通氣孔示意圖

(2)洞身中部的通氣孔難設置，可考慮擴大灌漿鉆孔直徑，放一根通氣管到鋼管部位、與管壁上(頂管前)預留的通氣孔連接(灌漿前人工操作)，而后灌漿。

老、新涵洞斷面尺寸小，設置通氣孔的具體工程措施有待進一步研究，確保設計的完善和施工的萬無一失，否則會遺留漏水隱患。

3)涵洞內(nèi)襯鋼管后，洞身斷面尺寸變小，過水斷面面積比原涵洞小，需做輸水流量的計算復核，使其滿足水庫所承擔的灌溉面積的供用水要求。

4)涵洞的長度、斷面尺寸反差大，再由于前后壩坡坡比的調(diào)整、涵洞洞身的加長，與斷面變小更不相稱，向上游延長的洞身段，斷面尺寸宜適當加大，尤其是洞頂部位，結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土，便于涵洞的運行維護。

5)這類水庫除險加固，壩體多從下游培厚，后坡、壩趾向下游延伸，此時，若涉及到涵洞出口平面位置變化，不要延長涵洞管身結(jié)構(gòu)，涵洞越長、越不利于運行。應盡量保持涵管出口位置不變，用明渠或大尺寸的箱涵銜接，線路走向沿等高線、山坡內(nèi)側(cè)，避開壩體。

6)對于尺寸較小的老涵洞(如沙井小河)，頂管之前，先用高壓水槍沖洗洞身，待泥沙等淤積物排出后，再進行頂管作業(yè)。

7)老的小型水庫，無建設資料，涵洞斷面小，勘測人員無法進洞做檢測，涵洞軸線是否為一條直線，關(guān)系到內(nèi)襯鋼管灌漿方案的成立與否。有一個簡單的判別方法，放干庫水，全開閘閥，從進口或出口將半個身子伸如洞內(nèi)觀察另一個洞口，能看到明顯的光亮點，并用厚的黑布遮掩、拉開幾次，觀察光亮的變化是否明顯，變化明顯的為直洞；若亮光很弱，說明轉(zhuǎn)彎點靠近洞口，此時，用φ50 mm鋼管向洞內(nèi)探測并分段接長，該方法探測深度可達20 m。若能斷定轉(zhuǎn)彎點距離洞口不超過20 m，可以采用內(nèi)襯鋼管灌漿方案，轉(zhuǎn)彎段前的這20 m需開挖后拉直重建，或擴大施工斷面處理、或在轉(zhuǎn)彎段設置豎井處理。

若看不見光亮點說明洞身中部有轉(zhuǎn)彎段，不宜采用內(nèi)襯鋼管灌漿方案。看不見光亮也有多種原因，遇到的情況如：進口結(jié)構(gòu)為1個井，閥門在側(cè)邊的井壁上，有1個水庫的涵洞，閥門設在井口的水平面上，不利于觀察光亮。

8)由于老涵洞頂壁與內(nèi)襯的鋼管頂部空間很小，做洞身充填鉆孔前，先計算地面距離洞頂?shù)纳疃龋咏错敃r應減慢鉆進速度，特別留意，一旦出現(xiàn)吊鉆，立即停止鉆孔。

9)洞身空間較大時，灌漿材料可以添加粗砂、中砂，此時要注意漿液的流動性，通過試驗確定不同濃度漿液的配合比和慘砂的比例。

4 結(jié) 語

洞身采用內(nèi)襯鋼管灌漿方案，工程技術(shù)成熟、經(jīng)濟實用，能夠在汛期水庫水位較低時期施工完畢，不影響水庫蓄水，在小型水庫除險加固工程中得到廣泛使用。

除險加固后，做好調(diào)度運行管理，充分發(fā)揮工程效益。