韓金明，劉 武

(四川鹽源甲米河水電開發(fā)有限公司，四川鹽源，615700)

1 概述

水工隧洞設(shè)計(jì)理念在其100多年的發(fā)展歷史中已經(jīng)發(fā)生了顯著變化，尤其是對(duì)水荷載作用形式、隧洞襯砌與圍巖的聯(lián)合承載機(jī)理等方面都有了更為深入的認(rèn)識(shí)。傳統(tǒng)的鋼板襯砌結(jié)構(gòu)雖然防滲效果良好，但其工程量較大、造價(jià)高，且施工困難，對(duì)施工進(jìn)度有較大影響。出于經(jīng)濟(jì)效益和施工方面的考慮，目前水工隧洞中大量采用鋼筋混凝土襯砌。

我國(guó)水電站壓力隧洞混凝土襯砌在內(nèi)水壓力作用下的配筋，已由早期的“抗裂設(shè)計(jì)”改革為“限裂設(shè)計(jì)”，它要求最大裂縫寬度 Wmax＜0.2mm～0.25mm。因?yàn)槿舨蝗菰S開裂，計(jì)算得到的配筋量往往很大，Ⅳ類和Ⅴ類圍巖中的隧洞尤其如此，且施工極為困難。

混凝土襯砌裂縫形成的原因非常復(fù)雜，往往是多種不利因素綜合作用的結(jié)果，主要有施工不規(guī)范、材料質(zhì)量差或配合比不合理以及荷載作用引起的開裂等因素?；炷烈r砌裂縫會(huì)產(chǎn)生若干不利影響:裂縫形成新的滲水通道，影響發(fā)電量，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生管涌引發(fā)山體災(zāi)害。我國(guó)許多水電工程，如天生橋一級(jí)、公伯峽、周寧、惠蓄等工程的水工隧洞，均不同程度地存在內(nèi)水外滲現(xiàn)象。部分隧洞充水運(yùn)行后產(chǎn)生嚴(yán)重滲水，影響電站正常運(yùn)行，并給隧洞維護(hù)帶來難度。

本文主要分析內(nèi)水作用下混凝土襯砌開裂過程及不同工況下襯砌裂縫寬度變化情況，同時(shí)針對(duì)襯砌開裂提出了預(yù)防和應(yīng)對(duì)措施，并將分析結(jié)論引用到甲米河二級(jí)水電站引水隧洞襯砌實(shí)例中。

2 引水隧洞混凝土襯砌開裂成因分析

2.1 襯砌開裂過程分析

混凝土結(jié)構(gòu)本身受拉能力較低，當(dāng)內(nèi)水壓力較小時(shí)，拉應(yīng)力完全由混凝土承擔(dān)，襯砌不會(huì)開裂(出現(xiàn)宏觀裂紋)。

當(dāng)內(nèi)水壓力較大，達(dá)到某一臨界值時(shí)，襯砌在較高內(nèi)水壓作用下發(fā)生裂縫，且裂縫特征(形態(tài)、開度、分布、數(shù)量等)與襯砌應(yīng)力狀態(tài)有密不可分的關(guān)系〔1〕，其過程實(shí)質(zhì)為水壓作用下襯砌內(nèi)部的微裂紋萌生、擴(kuò)展及貫通，直到最后宏觀裂紋產(chǎn)生并發(fā)展的過程。由于裂縫的存在，隧洞襯砌是透水的，內(nèi)水會(huì)沿裂縫滲入圍巖內(nèi)，在內(nèi)水作用下襯砌大部分范圍是與圍巖脫開的，內(nèi)水壓力大部分由圍巖承擔(dān)，襯砌只分擔(dān)很小一部分，且鋼筋應(yīng)力和裂縫寬度隨配筋面積增加不會(huì)有明顯改善，此時(shí)改善圍巖參數(shù)能有效減小裂縫寬度和改善鋼筋應(yīng)力情況。

當(dāng)內(nèi)水壓力很大，達(dá)到某一臨界值時(shí)，高壓水會(huì)沿裂縫通道作用于圍巖，會(huì)使巖體裂縫擴(kuò)展、貫通，產(chǎn)生水力劈裂現(xiàn)象，形成大的滲漏通道，危害隧洞運(yùn)行安全。

襯砌裂縫和圍巖裂隙的存在會(huì)導(dǎo)致隧洞內(nèi)水外滲現(xiàn)象發(fā)生，隧洞的滲漏量與混凝土襯砌和洞周圍巖的滲透性密切相關(guān)。圍巖的裂隙開度及其滲透性與圍巖原先的滲透性和開挖過程中爆破卸荷關(guān)系密切，在開挖完成后即已基本決定，之后隧洞的充水加壓對(duì)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和裂縫開度影響較小(水壓過大會(huì)導(dǎo)致水力劈裂)，其滲透性在充水過程中變化不大。混凝土的滲透性與裂縫特征和結(jié)構(gòu)所處的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，在不受外力的情況下，襯砌自身的滲透性非常小，可近似認(rèn)為是不透水材料，由于微裂紋的擴(kuò)展，其滲透性會(huì)逐漸提升，在襯砌出現(xiàn)宏觀裂縫后，混凝土的滲透性將隨裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展而急劇增加，因此改善混凝土襯砌的受力狀態(tài)和圍巖滲透性，是改善隧洞滲漏的有效途徑。

2.2 不同工況下襯砌寬度變化分析

2.2.1 施工期(襯砌完成且圍巖固結(jié)灌漿完成)工況。此時(shí)結(jié)構(gòu)幾乎處于無水狀態(tài)，襯砌受自重和圍巖應(yīng)力作用，襯砌受力狀態(tài)良好，以壓應(yīng)力為主，局部拉應(yīng)力極小，襯砌幾乎不開裂，頂拱與邊墻處由于應(yīng)力集中可能出現(xiàn)局部開裂。

2.2.2 充水運(yùn)營(yíng)期(隧洞充水完成)工況。此時(shí)襯砌受自重、內(nèi)水壓力和圍巖應(yīng)力共同作用，襯砌應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為內(nèi)力均為拉應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)水壓力較小時(shí)，拉應(yīng)力不會(huì)超過混凝土抗拉強(qiáng)度，襯砌不會(huì)出現(xiàn)宏觀裂紋;當(dāng)內(nèi)水壓力較大，大于臨界值，拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)宏觀裂縫，且裂縫寬度在一定程度上隨拉應(yīng)力增大而變寬，且較大裂縫多出現(xiàn)在拱頂?shù)撞扛浇?/p>

2.2.3 放空檢修工況。此時(shí)襯砌受自重、孔隙水壓力和圍巖應(yīng)力共同作用，由于此時(shí)裂縫內(nèi)孔隙水壓力近似于外水壓力作用，襯砌應(yīng)力狀態(tài)仍表現(xiàn)為壓應(yīng)力，襯砌裂縫寬度較運(yùn)營(yíng)期時(shí)有一定幅度的減小。

3 襯砌裂縫預(yù)防與處理措施

3.1 裂縫預(yù)防措施

3.1.1 從保證襯砌混凝土強(qiáng)度出發(fā)，加強(qiáng)原材料質(zhì)量控制，控制好混凝土的塌落度和配合比，嚴(yán)格控制混凝土施工工藝，做好混凝土振搗和養(yǎng)護(hù)。

3.1.2 合理設(shè)置施工縫長(zhǎng)度，通常采取8m～12m，施工縫采用止水材料填縫。

3.1.3 在內(nèi)水壓力較大的部位，采用強(qiáng)度較高且抗?jié)B等級(jí)高的混凝土，也可考慮采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌或鋼板和混凝土聯(lián)合襯砌。

3.1.4 在內(nèi)水壓力很大的部位，采用高強(qiáng)度混凝土的同時(shí)，可通過固結(jié)灌漿和回填灌漿改善圍巖滲透特性，提高圍巖承載能力，從而改善襯砌受力情況，并適當(dāng)增加襯砌配筋率，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化鋼筋應(yīng)力，減小襯砌裂縫寬度。

3.2 裂縫處理措施

經(jīng)放空檢查發(fā)現(xiàn)裂縫時(shí)，可采取以下幾種處理措施:

3.2.1 表面修補(bǔ)。表面壓實(shí)抹平，涂抹環(huán)氧粘結(jié)劑，噴水泥砂漿或細(xì)石混凝土。

3.2.2 局部修復(fù)。常采用充填法，必要時(shí)可鑿去重新澆筑。

3.2.3 水泥壓力灌漿或化學(xué)灌漿，適用于縫寬較大的穩(wěn)定裂縫。

4 工程實(shí)例分析

4.1 工程概況

甲米河二級(jí)水電站總裝機(jī)容量為24MW，正常蓄水位2054.4m。工程區(qū)位于橫斷山脈北西側(cè)的雅礱江右岸三級(jí)支流甲米河下段，地貌單元屬青藏高原東南緣向四川盆地過渡之川西高山區(qū)中部。工程引水隧洞總長(zhǎng)約5.14km，斷面形狀為城門洞形，斷面尺寸為4.4m×5.5m，引水線路沿線物理地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為巖體的風(fēng)化卸荷和局部崩塌，滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育。引水隧洞穿越地層較多，巖性較復(fù)雜，主要由三疊系的砂巖、石灰?guī)r、泥灰?guī)r和砂礫巖等組成。圍巖類別為引水隧洞前段以Ⅲ類為主，后段部分洞段為Ⅳ、Ⅴ類。

4.2 臨界內(nèi)水壓力及裂縫寬度計(jì)算方法

引水隧洞混凝土襯砌出現(xiàn)宏觀裂紋，襯砌與圍巖脫開時(shí)，臨界壓力按下式計(jì)算:

式中有關(guān)符號(hào)及推導(dǎo)過程見文獻(xiàn)〔2〕。

導(dǎo)致圍巖裂紋擴(kuò)展，發(fā)生水力劈裂的臨界內(nèi)水壓力表達(dá)式為:

式中有關(guān)符號(hào)及推導(dǎo)過程見文獻(xiàn)〔3〕。

襯砌開裂裂縫寬度2a按下式計(jì)算:

式中有關(guān)符號(hào)及推導(dǎo)過程見文獻(xiàn)〔4〕。

4.3 計(jì)算參數(shù)

引水隧洞最大內(nèi)水壓力0.48MPa，Ⅱ、Ⅲ類圍巖采用底板襯混凝土20cm，邊墻、頂拱噴12cm，系統(tǒng)錨桿 φ22mm(L=2m)間距 1.8m、排距1.5m;Ⅳ類圍巖采用鋼筋混凝土全襯40cm(C20(二)，鋼筋布置主筋 φ22mm@25cm，分布筋φ18mm@25cm)，Ⅴ類圍巖采用鋼筋混凝土全襯60cm(C20(二)，鋼筋布置主筋φ25mm@20cm，分布筋φ18mm@25cm)，主要材料強(qiáng)度見表1所示。

表1 計(jì)算力學(xué)參數(shù)

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

4.4.1 甲米河二級(jí)引水隧洞中導(dǎo)致襯砌出現(xiàn)宏觀裂紋與圍巖脫開時(shí)的臨界內(nèi)水壓力，Ⅳ類圍巖為1.22MPa，Ⅴ類圍巖為0.81MPa，而甲米河二級(jí)引水隧洞最大內(nèi)水壓力僅為0.48MPa。計(jì)算結(jié)果表明在目前支護(hù)方案情況下，洞內(nèi)襯砌不會(huì)出現(xiàn)宏觀裂紋，設(shè)計(jì)擬采用抗?jié)B混凝土方案是不必要的。

4.4.2 甲米河二級(jí)引水隧洞中導(dǎo)致圍巖裂紋擴(kuò)展，出現(xiàn)水力劈裂現(xiàn)象的臨界內(nèi)水壓力為Ⅳ類圍巖1.36MPa，Ⅴ類圍巖為2.12MPa。而甲米河二級(jí)引水隧洞最大內(nèi)水壓力僅為0.48MPa，表明引水隧洞圍巖條件不會(huì)出現(xiàn)水力劈裂現(xiàn)象。但因引水隧洞后段局部洞段在開挖初期出現(xiàn)過塌方，其圍巖參數(shù)較低，裂隙較為發(fā)育，應(yīng)做好固結(jié)灌漿和回填灌漿，改善圍巖強(qiáng)度參數(shù)和滲透性能。

4.4.3 按最大內(nèi)水壓力計(jì)算，考慮襯砌最易開裂的滿水運(yùn)營(yíng)工況，甲米河二級(jí)隧洞混凝土襯砌最大裂縫寬度為0.08mm，低于規(guī)范規(guī)定的上限值(最大裂縫寬度Wmax＜0.2mm～0.25mm)。

4.4.4 隧洞放空檢查時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)檢查引水洞后段(尤其是樁號(hào)4+000m以后)及塌方洞段，根據(jù)檢查結(jié)果采取適當(dāng)處理措施。

5 結(jié)語(yǔ)

5.1 當(dāng)內(nèi)水壓力較小時(shí)，襯砌承擔(dān)拉應(yīng)力較小(不超過混凝土抗拉強(qiáng)度)，一般不會(huì)開裂，此時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)減小襯砌，降低配筋率，以節(jié)約投資。

5.2 當(dāng)內(nèi)水壓力較大時(shí)，襯砌一般會(huì)發(fā)生開裂，裂縫的寬度與襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，此時(shí)靠增大配筋率，增加襯砌厚度，對(duì)裂縫寬度的減小效果并不明顯，可通過提高混凝土等級(jí)或采用預(yù)應(yīng)力混凝土來減小裂縫寬度。

5.3 當(dāng)內(nèi)水壓力很大時(shí)，襯砌必然會(huì)開裂(此時(shí)靠提高混凝土等級(jí)和增大配筋率不起作用)，且裂縫寬度較大，高水壓沿裂縫通道作用圍巖裂隙，導(dǎo)致水力劈裂，會(huì)形成大的滲漏通道。此時(shí)應(yīng)通過固結(jié)灌漿和回填灌漿填充圍巖裂隙，改善圍巖特性，同時(shí)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌，以達(dá)到減小裂縫寬度的效果。

〔1〕翁其能，袁勇，楊 紅．開裂混凝土襯砌的滲透模型［J］．鐵道學(xué)報(bào)，2008，30(2):124 ～127．

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〔4〕彭守拙，鐘建文，谷兆祺．考慮隧洞充水過程的襯砌裂縫寬度計(jì)算．水利水電科技進(jìn)展，2010，30(8):67～70．