第７期 ２０ｌ０年７月 广东水利水电 ＧＵＡＮＧＤＯＮＧ ＷＡＴＥＲ ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ ＡＮＤ ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ Ｎｏ．７ Ｊｕ１．２０１０ 浅谈红岩水库除险加固中引水隧洞设计与施工 钟世华，刘 旭 （生产建设兵团勘测规划设计研究院，乌鲁木齐８３０００２） 摘要：红岩水利枢纽工程建成后经过３０多年的运行，经鉴定其大坝安全性评定为三类坝，属于病险水库，需要进行除险 加固设计。针对枢纽中的引水隧洞存在洞身衬砌结构缺陷、裂缝等问题，进行除险加固设计。 关键词：除险加固；隧洞；衬砌加固；裂缝；优化 中图分类号：ＴＶ７３２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００８—０１１２（２０１０）０７—００５４—０３ １概述 利进行，对原洞线进行了改线处理，并对施工出现的集 红岩水库位于乌鲁木齐市头屯河流域，是一座 具有灌溉、工业及生活供水等效益的中型水库工程。工 程枢纽建筑物包括：土石坝、溢洪道、引水隧洞、放水隧 洞、放水渠等，水库总库容为３ ６００万ｍ 。红岩水库 １９６６年动工修建，１９７２年竣工蓄水。建成后经过３０多 年的运行，经鉴定，红岩水库大坝安全性评定为三类坝， 属于病险水库，需要进行除险加固。 引水隧洞全长为７１１ｍ，桩号为０＋０００～０＋７１１， 纵坡为１／９５４，隧洞断面型式为城门洞形，现状洞身０＋ ０００—０＋２５８段为２０ｃｍＣ２０素砼衬砌，０＋２５８～０＋７１１ 段为衬砌厚度为３０ｃｍ的Ｃ２０钢筋砼，单层配筋。衬砌 后隧洞断面尺寸为２．５ｍ×２．５ｍ，设计流量为５ｍ ／ｓ，加 大流量为６．５ｍ ／ｓ。 中渗漏部分洞段进行了钢支撑结合钢筋混凝土的复合 衬砌加固处理。由于建设年代早，建设标准相对较低， 现状引洪洞内出现大范围的纵横裂缝，并在桩号６＋ １８２—６＋５５０段片渗严重，局部洞壁及顶拱漏水呈射流 状，２００５年桩号６＋２５８出现冒顶现象，堵塞淤积隧洞， 引水隧洞无法正常引水。 ２ 引水隧洞破坏情况检测及分析 ‘ ２．１原衬砌结构检测 ２００８年３月，委托农业大学水利水电设计研 究所对红岩水库引水隧洞混凝土质量进行检测分析，报 告主要内容如下： １）隧洞外观剥蚀情况 红岩水库引水隧洞为城门洞型，矢高为１．２５ｍ，宽为 ２．５ｍ，涵洞边墙高为１．５ｍ，衬砌厚度为２０～３０ｅｍ。隧洞 隧洞进口段（０—１００ｍ）洞身围岩岩性为第三系中 新统前山组泥岩，夹薄层砾岩、砂岩，岩层产状７５。ＮＷ 的顶板混凝土未见剥蚀现象，顶板及边墙有裂缝渗水，溶 出现象，其中桩号６十１８２～６＋５００段的边墙片渗严重。 ２）裂缝情况 衬砌面混凝土已多处出现裂缝，裂缝主要分布在边 ／＿６５。，薄层～中厚层状结构，与洞线（洞线走向１０１。） 呈２６。相交，形成不利组合，易崩塌掉块。该段位于岩 体强、弱风化层内，节理发育，岩体破碎，呈镶嵌碎裂结 构，围岩类别为Ｖ类；洞身１００～３１８ｍ段位于微风化至 新鲜岩体内，基岩岩性为第三系中新统前山组泥岩，夹 墙上，有渗水、溶出现象，共有裂缝１３２条，其中渗水裂缝 ７２条，占裂缝数量的５４．５％，裂缝总长为１ ３１７．１６ｍ，裂 缝平均长度为９．７９ｍ，最长为２９．８３ｍ。裂缝最宽为 ３ｒａｍ，隧洞裂缝宽度／＞０．２ｒａｍ的裂缝占总数的９３％。 ３）混凝土质量检测 薄层砾岩、砂岩，呈镶嵌碎裂结构；洞身３ｌ８—６００ｍ段 位于强风化至弱风化岩体内；洞身６００～７１１ｍ段位于 第四系上更新统砂砾石层内，密实状态，泥质弱胶结～ 半胶结，稳定性较差。 引水隧洞顶部右侧的山脊问凹地处为八一钢铁厂 的尾水矿库，该水库蓄水期间对隧洞的周边围岩产生极 大的外水压力及化学腐蚀，施工中为保证工程建设的顺 混凝土质量检测的内容包括混凝土强度检测、混凝 土裂缝冷缝形状检测、隧洞伸缩缝形状检测、水质检测 及钢筋直径、问距、锈蚀情况检测等。 通过检测报告及专家现场意见，得出如下结论：裂 收稿日期：２０１０—０６～２４； 修回日期：２０１０—０７～０６ 作者简介：钟世华（１９７５一），男，本科，工程师，主要从事水利水电工程设计工作。 ・５４・ ２０１０年７月 第７期 钟世华，等：浅谈红岩水库除险加固中引水隧洞设计与施工 Ｎｏ．７ Ｊｕ１．２０１０ 缝的数量及漏水会危及隧洞的稳定安全；经洞身混凝土 的强度及碳化深度检测，洞身衬砌砼强度不低于Ｃ２５， 隧洞本身不存在结构性缺陷；洞内裂缝渗水中ＳＯ 一含 ，量较高，但隧洞衬砌砼为高抗硫酸盐水泥砼，水质目前 对砼的侵蚀等级未达到弱侵蚀。 ２．２隧洞结构复核 隧洞前段６００ｍ洞身在较为稳定的泥岩、砾岩和砂 岩中，后段１１１ｍ在第四系的砂砾石地层中。结构复核 时衬砌按裂缝宽度设计，设计荷载组合为考虑山岩 弹性抗力。原隧洞衬砌为Ｃ２０混凝土， 混＝２４ｋＮ／ｍ ， 结构计算采用查表法，泥岩岩石弹性抗力系数 ＝０．７ ×１０。ｋＮ／ｍ ，不计内外水荷载作用。 原隧洞０＋０００～０＋６００段围岩为泥岩、砾岩和砂 岩，岩石坚固系数ｆ＝３．０， ＝７０。，ｙ＝２４ｋＮ／ｍ 。衬砌 计算按结构力学法，经计算原隧洞Ｃ２０混凝土衬砌允 许压应力值为５ ７６９ｋＮ／ｍ ，允许拉应力值为７６７ ｋＮ／ｍ 。衬砌断面左半部分全部衬砌段共分为１０个截 面（如图１所示），圆拱段各截面按１５。倾角均分，直墙 图１衬砌分段不意 段各截面按４等分划分。由计算结果可知，各截面压应 力小于允许压应力值，３组边缘拉应力大于允许值，不 满足要求。隧洞衬砌厚度为０．３ｍ，素砼不满足限裂要 求；０＋６００～０＋７１１段围岩为第四系砂砾石，岩石坚固 系数ｆ＝１．０， ＝４５。，Ｙ＝２２ｋＮ／ｍ 。衬砌计算按结构力 学法，经计算隧洞衬砌厚度为０．３ｍ。中间局部破碎带 为Ⅳ类围岩，设计采用钢支撑结合０．３ｍ钢筋混凝土复 合衬砌的衬砌形式。钢筋砼衬砌为单层筋，受力钢筋为 ‘Ｐ１６＠２５０，分布钢筋为‘Ｐｌ２＠２００，结构计算均能满足要 求。 经复核，原隧洞０十０００～０＋２５８段结构满足不限 制裂缝宽度设计要求。规范要求混凝土衬砌顶拱必须 进行回填灌浆，原隧洞未进行回填灌浆。 表１ ０＋０００～０＋６００段各衬砌截面边缘应力计算 ３隧洞设计方案选择 针对现状隧洞的腐蚀及洞顶坍塌问题，除险加固设 计考虑了３个方案，方案一：新建隧洞方案，在离现状隧 洞１５０ｍ的地方，重新修建１条引水隧洞；方案二：原洞 加固方案，清理冒顶及淤积，前端限裂不满足隧洞段采 取喷射早强钢纤维混凝土加固衬砌，在尾矿库影响段做 水泥及化学灌浆堵漏，隔绝库水影响，将现状裂缝全部 做碳纤维布贴补，整体做消缺处理；方案三：支洞方案， 在原隧洞片渗段做平行支洞绕行方案，支洞前后端与老 隧洞进行连接，不再新建进出口，支洞段做水泥及化学 灌浆。 ３．１新建隧洞方案 在原引水洞北侧，平行与原轴线１５０ｍ左右，重新 修建１条隧洞，新建引水隧洞全长９６０ｍ，洞身为半圆拱 的城门洞形，洞内采用０．４ｍ厚Ｃ２５钢筋砼衬砌，断面 尺寸为２．５ｍ Ｘ２．７５ｍ，侧壁直墙高为１．５ｍ，顶拱半径为 １．２５ｍ。隧洞进出口做浆砌石衬砌及支护。工程投资 为２ ４５３万元。 ３．２原洞加固方案 １）对前端０＋０００～０＋２５８段喷射早强钢纤维混 凝土加固衬砌。 ２）对洞身存在的所有裂缝、伸缩缝进行化学灌浆 防渗补强处理，对宽度大于０．２ｍｍ的裂缝增贴碳纤维 布复合增强处理。 ３）为了改善衬砌结构的受力条件，并减少渗漏，必 须对渗漏段（６＋１８８～６＋５５０）进行回填灌浆，考虑水 质中ＳＯ 、Ｍｇ 含量高，回填灌浆应以防腐能力较强 ・５５・ ２０１０年７月第７期 广东水利水电 表２材料及配比 Ｎｏ．７ Ｊｕ１．２０１０ 的化学灌浆为主，水泥灌浆为辅，即化学灌浆及水泥灌 浆相结合的综合灌浆处理；对于６＋００６～６＋１８８段 ２０ｅｒａ素混凝土衬砌、６＋５５０～６＋７１７段３０ｅｒａ钢筋混 凝土衬砌做水泥回填灌浆处理。工程投资为１ ０３０万 元。 ３．３支洞方案 隧洞主要缺陷存在于弯道段６＋３００—６＋５５０段， 因此方案二为由６＋３２４．６桩号开始至６＋６６７．２段新 修建１条支洞，支洞末端修２个弯道和原隧洞连接，新 修建支洞桩号为６＋３２４．６—６＋７３３．２，洞长为３５８．６ｒｎ， 新建支洞的纵坡为１／９７０，隧洞为城门洞型，断面尺寸 为２．５ｍ×２．５ｍ，全断面为Ｃ２５钢筋混凝土衬砌，衬砌 厚度为４０ｅｒａ。为有效消除渗漏水影响，支洞全洞做综 合灌浆处理，原隧洞６＋００６—６＋３００段做水泥灌浆处 理，进出口处理同方案。工程投资为１ ５３２万元。 ３．４方案综合论证 通过对各方案进行详细论证，并经过技术、经济、环 保等多方面的比较，认为方案二属常规处理，施工运行 风险小、投资省、工期短、工艺成熟，对周边环境影响小， 最终选择方案二为推荐方案。 ４施工及验证 清理隧洞内泥砂等杂物：引水隧洞因运行多年，洞 内沉积有泥砂、块石、卵石等杂物，必须在隧洞加固处理 前全部清理干净。 ４．１喷射早强混凝土作业 ４．１．１喷射前的准备工作 １）根据设计要求，用风镐将原衬砌表面腐蚀混凝 土铲除，清除松动的浮渣并用高压水将受喷面清洗干 净，以利新旧混凝土结合。 ２）埋设控制喷体厚度的钎钉。 ３）认真整备洞内照明设施，保证在作业时不出故 障，以便有效利用线路封锁时间。 ４．１．２喷射作业 喷射早强钢纤维混凝土作业，大体与喷射混凝土相 同，但要注意以下几点： １）拌料：应先放卵石、砂再放水泥，最后将速凝剂 撒放到水泥面上，为避免钢纤维搅拌不均，在投放卵石、 砂，水泥时，按规定的掺量多次将钢纤维用人工擞人料 斗中，拌合料要随拌随用，掺人速凝剂的混合料停放时 间不宜超过２０ｒａｉｎ。 重量配合比：水泥：砂子：卵石为１：２．４：１．６；速凝 剂掺量：水泥重量的３％～５％；钢纤维掺量：每／１０ 混凝 土掺入８０ｋｇ；水灰比：Ｏ．４～０．５。 ・５６・ ２）喷射；喷射质量主要取决于喷射速度，喷射压 力、喷射流量和喷射机工作状态。为此要在正式施工前 培训好喷射手，喷射机司机及有关人员。关于分层，按 设计要求１２ｃｍ喷射层厚度，拱的喷射要求分３次喷 完，第一层为５～６ｅｒａ，第二层为５～４ｅｍ，第三层为２ｅｒａ 的砂浆保护层。边墙也分３次喷完，第一层为７一 ｌＯｏｍ，第二层为３～０ｅｒａ的找平处理，第三层为２ｅｒａ的 砂浆保护层。每层喷射相隔时间，按运营隧道大修作业 条件宜在２４ｈ左右。 ３）养护：由于早强硫铝酸盐水泥渗人速凝剂后，喷 射后混凝土的强度增长极快，２ｈ选５ＭＰａ，８ｈ达１５ＭＰａ， ３ｄ后可达到设计强度，在强度增长时，由于水化热反 应，需要大量加水，因此养护工作要及时跟上。视气温 和环境条件，一般在喷后１～２ｈ即要浇水养护。第一昼 夜每２ｈ应浇水１次，第２～３昼夜浇水间隔不应超过３ —４ｈ，从第４天到１５天每天浇水次数可适当减少，但不 得少于每天１次。 ４）其他：机械检查维修、强度检查等应按喷射混凝 土施工规范要求进行。 ４．２裂缝处理及补缺措施 对全线隧洞的裂缝包括伸缩缝进行化学灌浆，并对 渗漏段进行回填灌浆，回填灌浆采用化学灌浆与水泥灌 浆相结合。为分析化学灌浆处理的可行性及处理效果， 委托专业施工公司对引洪隧洞衬砌裂缝化学灌浆及砼 渗漏处理进行试验。选择隧洞片渗较严重的６＋２８２～ ６＋２８８段作为试验段进行试验，共处理渗水裂缝１ｌｍ、 干燥裂缝１２ｍ、回填灌浆５８．４ｍ 、粘贴碳纤维１０ｍ，试 验结果为：渗水裂缝经化学灌浆后再无渗漏，干燥裂缝 试打水后，在０．３ＭＰａ水压下，打水２０ｍｉｎ无渗漏，可见 化学灌浆在裂缝中充填密实饱满，可消除因裂缝缺陷造 成的隐患。 对现状隧洞的混凝土衬砌面渗水裂缝进行水溶性 聚氨酯灌浆处理及对干燥裂缝进行化灌高固含量无收 缩环氧树脂材料，对贯穿性裂缝 （下转第６３页） ２０１０年７月第７期 广东水利水电 表４坝肩岩体受力结果 常剧烈，裂隙十分发育，其中尤以左坝肩岩石十分破碎。 取岩样ｌ２块，做饱和单轴抗压强度测试：． ＝１３．７～ ３５．８ＭＰａ，平均为２２．５ＭＰａ。 ４．４坝肩稳定计算 ３６ ２ ４３０．１８ —８６ ６７ １ ９１７．１６ １ ４９３．７９ １ ０３０．４８ 拱圈拱端由外荷产生的内力为轴向力日和剪力 ， ３６ ２ ６４４．９７ —２１３．４２ ２ １６３．０６ ｌ ５３４．５９ １ ５８３．４３ 将Ⅳ和 分解为平行和垂直于破裂面交线①一①的２ 个分值，设破裂面与轴向力 方向相交成ａ角，则平行 于破裂面的分力Ｓ为： Ｓ＝Ｈｃｏｓａ＋Ｖｓ．ｉｎａ ３６ ２ ６２０．４４ —４３５．５９ ２ ２８６．９ｌ ｌ ３４８．６６ １ ８６８．５８ ３６ ２ ３０４．３９ —７３６．０３ ２ ２３７．６９ ９ｌ５．６２ ２ ｌ５Ｉ．３４ ３６ ｌ ７４９．５７３６ 一ｌ０１７．９９ １ ９９３．７２ ３４３．４４ ２ ７８１．９０ ｌ ２７６．３ 一ｌ４２４．４５ １ ８９２．１４—２７１．７４ ２ ７８１．９０ 垂直于破裂面的分力Ｊ）ｖ为： Ｎ＝Ｈｓｉｎａ——Ｖｃｏｓａ ３６ ５３７．６５ —９３７．２１ ｌ ０１３．５３—３７２．７３ ２ ７８１．９０ １３ ５０４．２１ ４ ９９１．６３ １４ ９７９．５３ ８ ６８１．６７ 设基坑面与垂线相交成 角，将垂直于破裂面的 分力～沿基坑面分解为垂直和平行的２个分力Ｐ和Ｑ， ５ 结语 由结构应力计算结果分析，坝体最大压应力及最大 拉应力均不超出砌石坝设计规范要求，在最不利荷载组 基坑面上还受自重 ．及渗透压力Ｕ的作用。最后可得： ⅡⅢⅣＶⅥⅧ∑ 平行于底滑面的分力：Ｑ＝Ｎｓｉｎ￣一Ｗ ｃｏｓ￣０＂ 垂直于底滑面的分力：Ｐ＝Ｎｃｏｓ￣＋Ｗ ｓｉｎ 一Ｕ ∞∞如∞∞如如 合情况下，拱座抗滑稳定安全系数也满足规范要求，表 明该拱坝结构是安全的，大坝４０余年的运行实践也说 明了计算分析结果的可靠性。 参考文献： 根据坝体应力分析结果，拱端内力组成见表４。 作用在破裂面上的力有Ｐ、Ｑ、Ｓ三个，其中Ｐ是稳定 力，Ｓ是滑动力，因而安全系数 为： Ｋ＝Ｐｆ／Ｓ＝Ｉ厂（Ｎｃｏｓ￣＋Ｗｌ ｓｉｎ 一Ｕ）／Ｓ 根据表４数据，可算得在最不利荷载组合情况下， 拱座抗滑稳定安全系数为１．２２，大于规范规定的１．１０， 满足规范要求。 誉 强 苔 ｛ ； 葛 ［１］ 中华人民共和国水利部．ＳＬ２５—２０Ｏ６砌石坝设计规范［Ｓ］． ［２］冯广宏，郎重呜．砌石拱坝建设［Ｍ］．重庆：四川人民出版 社，１９８０． ［３］ 潘家铮，黎展眉．拱坝［Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９８２． （本文责任编辑马克俊） （上接第５６页）还应粘贴炭纤维布复合增强处理，待化 用化学及水泥综合灌浆对洞身围岩及裂缝进行加固处 理，不改变隧洞原有断面，用碳纤维布对裂缝进行补强， 学灌浆凝固后，再对隧洞片渗面进行水泥灌浆结合化学 灌浆的综合灌浆处理，再对顶拱进行回填灌浆。 具体灌浆段为：６＋１８２～６＋５５０段片渗严重，采用 综合灌浆；６＋０００～６＋１８２、６＋５５０～６＋７１７段为干燥 段，采用水泥灌浆。 防渗效果明显，增大了流量系数，提高了隧洞的过流能 力。通过这些加固措施，提高了结构的承载力及耐久 性，节约了运行后的维修费用。 参考文献： 为加强砼与岩壁的结合，填充砼与岩壁间的空隙， 需对隧洞顶拱范围内进行回填灌浆，回填灌浆孑Ｌ距和排 距为３ｍ，灌浆孔深入围岩１０ｃｍ，灌浆压力采用 ［１］ 朱幼斌．农十二师红岩水库引洪隧洞混凝土质量检测与 分析报告［Ｒ］．乌鲁木齐：农业大学水利水电设计研 究所，２００７． ０．３ＭＰａ。回填灌浆结束后，将回填灌浆孔改造成排水 孔，排水孔间距、排距为３ｍ，孔深深入岩石２ｍ。 该工程于２００８年３月１５日开工，２００８年７月２５ 日基本完工。衬砌加固及缺陷处理后立即见效，漏水现 ［２］ 朱幼斌．农十二师红岩水库引洪隧洞衬砌裂缝化学灌浆 及混凝土渗漏处理试验报告［Ｒ］．乌鲁木齐：农业大 学水利水电设计研究所，２００７． ［３］ 钟世华．兵团乌鲁木齐山区农十二师红岩水库除险 加固工程初步设计报告［Ｒ］．乌鲁木齐市：生产建设 兵团勘测规划设计研究院，２００７． 象消除。经过１年多运行检验，加固效果良好。 ５结语 ［４］ 熊启均．取水建筑物丛书——隧洞［Ｍ］．北京：中国水利 水电出版社，２００３． ［５］ 王铁梦．工程结构裂缝控制［Ｍ］．北京：中罔建筑１二业出 版社，２００１． 传统的挂网浇筑混凝土等水工隧洞加固技术相当 于对隧洞进行二次衬砌，施工难度大、周期长，经济效益 差，且改变了隧洞的过流断面。采用喷射早强钢纤维混 凝土对衬砌结构补强效果好、施工进度快、效益好。采 （本文责任编辑・罗睿） ６３・
