靳春玲，余　濤

（1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 甘肅　蘭州　730070；2.重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 重慶　400000）

西部干寒地區(qū)引水隧洞病害特點(diǎn)及預(yù)防治理

靳春玲1，余濤2

（1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 甘肅蘭州730070；2.重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 重慶400000）

摘要：以西部干寒地區(qū)運(yùn)營(yíng)引水隧洞作為研究對(duì)象，考察隧洞病害發(fā)生的狀況，總結(jié)病害的特點(diǎn)和類型，針對(duì)病害的實(shí)際情況分析造成病害的原因，提出了底板置換、邊墻錨桿加固、頂拱回填灌漿、排水、洞內(nèi)迎水面降糙、洞臉護(hù)坡加固等病害處理的方案，并提出了預(yù)防此類病害的措施，為西部干寒地區(qū)擬建引水隧洞病害的預(yù)防工作提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：西部干寒地區(qū)；引水隧洞；病害特點(diǎn)；病害治理；預(yù)防措施

0　引　言

引水工程是許多國(guó)家和地區(qū)用以緩和或解決缺水地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要措施。我國(guó)是淡水資源缺乏國(guó)家，水量在地區(qū)上分布嚴(yán)重不均衡，降水量從東南沿海地區(qū)向西北內(nèi)陸地區(qū)逐漸遞減，全國(guó)有約 45% 的土地面積屬于降水量小于 400 mm 的干旱或半干旱地區(qū)。特別是黃河、淮河、海河三大流域內(nèi)耕地面積約占全國(guó)的 1/3，但是其徑流量占全國(guó)徑流量不足 5%，尤其以西北廣大地區(qū)最為嚴(yán)重，年平均降水量少于 250 mm，屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)，缺水已經(jīng)成為嚴(yán)重制約西北廣大地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。隨著人口的增加和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)和居民的用水需求日益增長(zhǎng)。許多國(guó)家例如美國(guó)、澳大利亞、前蘇聯(lián)、巴基斯坦、印度等，都采用跨流域調(diào)水的方法重新分配水資源，在緩和或解決缺水地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面進(jìn)行實(shí)踐，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。比較知名的調(diào)水工程有：美國(guó)的中央河谷工程、科羅拉多河調(diào)水工程等，前蘇聯(lián)的伏爾加一莫斯科調(diào)水工程、巴基斯坦“西水東調(diào)”工程，印度恒河流域薩爾達(dá)薩哈亞克調(diào)水工程等。我國(guó)是淡水資源缺乏國(guó)家，特別是北方地區(qū)、西北地區(qū)和部分沿海城市嚴(yán)重缺水。我國(guó)在西部地區(qū)也投資建設(shè)了大量的引調(diào)水工程，然而由于西部黃土高原地區(qū)自然條件的限制，導(dǎo)致許多引水工程全線隧洞眾多，給工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)都增加了相當(dāng)大的難度。

1　西部干寒地區(qū)引水隧洞病害特點(diǎn)

由于西部地區(qū)氣候干燥、寒冷，加上引水隧洞長(zhǎng)期受水力侵蝕，經(jīng)考察調(diào)研引水隧洞存在許多問(wèn)題。

1.1引水隧洞底板病害特點(diǎn)分析

隧洞底板凹凸不平，積水嚴(yán)重，發(fā)育縱向裂縫，裂縫張開(kāi)寬度 0.5 cm～2 cm，局部閉合，呈樹(shù)杈狀，間斷性延伸，沿裂縫有輕微鼓起現(xiàn)象，裂縫造成底板完整性差，加上水流沖蝕，麻面發(fā)育，混凝土骨料外露，局部形成蝕坑。氣候干旱、植被稀疏的第四系黃土區(qū)隧洞洞底堆積有大量松散堆積物，地形坡度大，具備產(chǎn)生黏性泥石流的條件，存在安全隱患。部分洞段有地下水滲出，并伴有白色析出物，洞底有混凝土腐蝕剝落現(xiàn)象等(詳見(jiàn)圖 1、圖 2)。

圖 1　隧洞底板破損

1.2引水隧洞側(cè)壁病害特點(diǎn)分析

隧洞側(cè)壁不同程度發(fā)育混凝土裂縫，長(zhǎng)度 3 m～7 m，張開(kāi)寬度 0.2 cm～1.0 cm，不斷有新裂縫出現(xiàn)和原裂縫發(fā)展變化趨勢(shì)，部分有地下水滲出、伴白色析出物和混凝土腐蝕剝落現(xiàn)象，隧洞側(cè)墻縱斜向裂縫分布密集，大部分裂縫處理后會(huì)再次開(kāi)裂，且滲水量較大、析出物多，部分直墻襯砌混凝土有向隧洞內(nèi)側(cè)隆起現(xiàn)象(詳見(jiàn)圖 3、圖 4)。

圖 2　隧洞底板水蝕蜂窩麻面

圖 3　隧洞側(cè)壁滲水

圖 4　隧洞側(cè)壁裂縫

1.3引水隧洞頂拱病害特點(diǎn)分析

引水隧洞存在不同程度拱頂噴混凝土腐蝕脫落掉塊現(xiàn)象，多數(shù)隧洞所出露的巖體較完整，存在小面積拱頂襯砌混凝土塌落現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)有大面積巖體塌落跡象；頂拱斜向裂縫分布密集，有地下水滲出，白色析出物多，裂縫還處在微變化狀態(tài)。尤其隧洞巖性為白堊系砂巖、含礫砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖和砂質(zhì)黏土巖等地段，多為泥質(zhì)點(diǎn)接觸黏結(jié)或膠結(jié)，局部為泥鈣質(zhì)膠結(jié)、強(qiáng)度低，遇水易軟化崩解(詳見(jiàn)圖 5、圖 6)。

圖 5　隧洞頂拱漏水

圖 6　隧洞頂拱混凝土塌落

2　隧洞病害成因分析

通過(guò)對(duì)甘肅引大入秦工程隧洞大修情況進(jìn)行實(shí)地考察及引洮供水工程隧洞施工狀況調(diào)查分析，總結(jié)西部地區(qū)隧洞病害的主要原因如下。

2.1工程地質(zhì)條件復(fù)雜

由于引水工程線路長(zhǎng)，各條隧洞所經(jīng)過(guò)的地區(qū)地形地貌差異很大，造成隧洞的地質(zhì)現(xiàn)象復(fù)雜。例如甘肅引大入秦工程，從渠首至秦王川盆地區(qū)域地貌可分為四個(gè)大區(qū)：侵蝕斷塊石質(zhì)高中山區(qū)、侵蝕堆積與侵蝕構(gòu)造黃土中低山區(qū)、侵蝕堆積構(gòu)造河谷平原區(qū)、山前沖洪積盆地平原區(qū)。其不良物理地質(zhì)現(xiàn)象包括風(fēng)化、坍塌、滑坡、風(fēng)積流動(dòng)砂丘、地表濕陷等。其中巖體風(fēng)化以物理風(fēng)化為主，由于地形差異、巖性、構(gòu)造切割不同，其風(fēng)化深度也有所不同。

2.2隧洞穿越斷層帶或大斷裂帶

在施工過(guò)程中容易出現(xiàn)塌方，隧洞運(yùn)營(yíng)過(guò)程中容易引起隧洞邊墻及頂拱開(kāi)裂，在斷層邊界處易引起隧洞斷裂，形成橫向裂縫、斷裂影響帶涌水、側(cè)墻開(kāi)裂、邊墻向洞內(nèi)凸出變形、底板隆起開(kāi)裂等。

2.3山體滑坡或洪水影響

由于西部地區(qū)地貌特點(diǎn)，在雨季容易形成山體滑坡及山洪災(zāi)害，以引大入秦工程為例，東一干渠線在關(guān)景川溝道內(nèi)，由于洪水沿地面裂縫進(jìn)入地下，形成落水洞，并引起地面塌陷，塌陷處位于東一干渠 2# 隧洞軸線偏左側(cè)，由此導(dǎo)致了隧洞冒頂、塌方及裂縫情況，地面塌陷坑長(zhǎng)約 23 m，寬約13 m，深約 20 m。

2.4濕陷性黃土

在黃土分布的地區(qū)，黃土在自重或一定荷載作用下受到水的浸濕后，迅速破壞而發(fā)生顯著下沉，以至使其上部的建筑物受到破壞，這種具有濕陷性的黃土被稱為濕陷性黃土。西部地區(qū)部分引水隧洞的基礎(chǔ)位于第四系全新統(tǒng)洪積黃土狀土或粉質(zhì)壤土上，屬中等濕陷性黃土。由于隧洞滲漏水導(dǎo)致基礎(chǔ)沉陷，隧洞頂拱、側(cè)墻和底板均產(chǎn)生不同程度的裂縫，裂縫加劇導(dǎo)致滲漏進(jìn)一步加劇，從而形成沉降裂縫的惡性循環(huán)。

2.5干寒氣候

西部大部分地區(qū)具有冬長(zhǎng)暑短、雨熱同季、日照時(shí)間長(zhǎng)、年降水少、蒸發(fā)量大和晝夜溫差大的高寒半干旱氣候特點(diǎn)。往往降水隨高程的增加而遞增，愈向上游冰凍期愈長(zhǎng)，氣溫也低，降水量增大、蒸發(fā)量減小。比如天堂水文站實(shí)測(cè)降水和部分蒸發(fā)資料以及鄰近氣象站資料推得多年平均氣溫為 3.0℃，極端最高氣溫為 30.0℃，極端最低氣溫 -28.3℃，最大凍土深度 148 cm。如此惡劣的氣候條件造成了引水隧洞長(zhǎng)期遭受凍融破壞。

3　引水隧洞病害處理方案建議

針對(duì)西部地區(qū)引水隧洞病害特點(diǎn)及病害成因分析結(jié)果，建議對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)的隧洞病害采取以下措施進(jìn)行處理。

3.1底板置換處理

對(duì)于底板破損比較嚴(yán)重的洞段，可根據(jù)原隧洞襯砌情況，將底板拆除后采用 C25 混凝土重新澆筑，厚度不小于18 cm，表層設(shè) φ8@200×200 鋼筋網(wǎng)抗裂。對(duì)于底板破損不太嚴(yán)重的蜂窩麻面洞段，可將底板鑿毛后，采用 2 cm 厚鋼絲網(wǎng)水泥砂漿抹面，使隧洞底板滿足過(guò)水的要求。

3.2邊墻隨機(jī)錨桿和系統(tǒng)錨桿加固

在隧洞邊墻裂縫嚴(yán)重段可設(shè)系統(tǒng)錨桿，錨桿直徑約為φ25，長(zhǎng)約 4 m～6 m，排距約 1.5 m，梅花型布置，邊墻拆除后采用 C25 鋼筋混凝土重新澆筑，厚度約 30 cm。在裂縫不太嚴(yán)重的邊墻位置可根據(jù)具體情況打隨機(jī)錨桿加固裂縫，力爭(zhēng)加固后不產(chǎn)生新的裂縫，原有裂縫修補(bǔ)后不重新出現(xiàn)。

3.3頂拱回填灌漿及排水結(jié)合

由于部分隧洞二次襯砌混凝土與初支護(hù)面間有架空現(xiàn)象，造成隧洞局部洞頂襯砌混凝土有掉塊情況，可采用 C25混凝土填筑洞頂?shù)魤K及空洞部位，設(shè) φ22 隨機(jī)錨桿加固，并在隧洞頂拱 90° 范圍回填灌漿，洞頂拱 120° 范圍內(nèi)布設(shè)固結(jié)灌漿孔，梅花型布置，可以取得很好的加固維修效果。在滲水較嚴(yán)重的洞段，可在拱頂布設(shè) φ50PVC 排水孔。

3.4洞內(nèi)迎水面降糙

在隧洞內(nèi)迎水面為降低糙率、滿足過(guò)流要求，可采用塑料板護(hù)壁，在降糙的同時(shí)也延緩了混凝土的水力侵蝕速度。

3.5洞臉護(hù)坡處理

部分隧洞進(jìn)出口防護(hù)簡(jiǎn)單，洞臉邊坡存在雨水沖刷破壞問(wèn)題，需對(duì)邊坡進(jìn)行砌護(hù)處理，并設(shè)排水溝，完善排水設(shè)施。

4　預(yù)防引水隧洞病害發(fā)生的措施

為了有效預(yù)防西部地區(qū)引水工程隧洞在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的病害，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)以下幾方面的工作。

圖 7　引洮工程典型隧洞斷面型式

4.1優(yōu)選設(shè)計(jì)方案

在進(jìn)行引水工程全線線路規(guī)劃時(shí)，考慮線路的綜合經(jīng)濟(jì)效益，隧洞選線充分考慮工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，盡量避開(kāi)斷層帶、斷裂帶和濕陷性黃土區(qū)段，為隧洞的施工和通水期安全運(yùn)營(yíng)打下良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，在隧洞橫斷面設(shè)計(jì)時(shí)，也要充分考慮地形地質(zhì)條件、氣候條件、水流侵蝕、水位波動(dòng)等綜合因素來(lái)確定隧洞斷面類型，例如引洮工程的典型隧洞斷面類型如圖 7。

4.2加強(qiáng)施工管理

首先，嚴(yán)格控制隧洞襯砌質(zhì)量。常規(guī)隧洞施工方法是采用氣腿式風(fēng)鉆鉆孔、爆破，采用噴錨方式作為臨時(shí)支護(hù)措施；不良地質(zhì)地段的成洞條件比較差，如采用常規(guī)的施工方案難以通過(guò)，推薦采用以下的施工技術(shù)措施：加強(qiáng)施工中的超前支護(hù)措施，采用管棚法進(jìn)行掘進(jìn)、注漿和鋼插板等措施，襯砌緊跟掌子面，以防開(kāi)挖洞段坍塌。其次，確?；炷翝仓|(zhì)量，混凝土應(yīng)集中拌制、液壓混凝土泵連續(xù)澆筑入倉(cāng)、機(jī)械振搗，混凝土成型后加強(qiáng)灑水養(yǎng)護(hù)，避免產(chǎn)生干縮裂縫。再次，施工過(guò)程中減少圍巖擾動(dòng)，保護(hù)圍巖的整體穩(wěn)定性，為隧洞在通水期降低滲漏、減少沉降提供可靠的保障。最后，確定隧洞最佳支護(hù)時(shí)間，隧洞洞室開(kāi)挖后，圍巖變形、破壞有一個(gè)緩慢發(fā)展的過(guò)程，因此隧洞支護(hù)應(yīng)選擇一個(gè)最合適的時(shí)間。支護(hù)時(shí)間如果過(guò)早，因巖體尚未充分變形而導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞；支護(hù)時(shí)間如果太遲，圍巖可能已經(jīng)失穩(wěn)，或者因巖石變形太大而需要更堅(jiān)固的支護(hù)。因此選擇最佳支護(hù)時(shí)間可以起到事半功倍的支護(hù)效果。

4.3注重運(yùn)營(yíng)期維護(hù)

首先，引水隧洞通水運(yùn)營(yíng)期間，應(yīng)堅(jiān)持變形監(jiān)測(cè)工作，進(jìn)行隧洞底板、側(cè)壁及頂拱支護(hù)系統(tǒng)的變形測(cè)量，整理支護(hù)位移、涌水量等方面的數(shù)據(jù)，為選擇停水維修時(shí)機(jī)提供最直接的參考。其次，加強(qiáng)冬期供水管理，冬期供水期間若明渠段有浮冰進(jìn)入引水隧洞，將對(duì)隧洞襯砌混凝土造成嚴(yán)重的破壞，因此在管理方面可考慮冬期斷水維修，這樣既不影響下游灌溉用水，也可避開(kāi)冰層的侵蝕。

5　結(jié)　語(yǔ)

引水工程建設(shè)是我國(guó)西部地區(qū)用以緩和或解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要措施，引水隧洞是西部地區(qū)引水工程的一個(gè)典型建筑物類型，針對(duì)引水隧洞病害問(wèn)題的研究具有很高的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)對(duì)西部地區(qū)運(yùn)營(yíng)隧洞的維修施工情況進(jìn)行實(shí)地考察，分析病害的類型及成因，提出了今后規(guī)劃建設(shè)引水隧洞工程預(yù)防病害的措施，為擬建項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工提供了有效的理論支撐。

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中圖分類號(hào)：TU712

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1007-4104(2014)06-0056-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51268030)；甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目(2013A-055)；甘肅省教育科學(xué)規(guī)劃課題(2012-GSGXG110)。

收稿日期：2014-04-09

作者簡(jiǎn)介：靳春玲(1976—)，女，副教授，主要從事水利工程項(xiàng)目管理及水安全研究工作。

通信地址：甘肅省蘭州市蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院408#信箱；E-mail：jinchunling@mail.lzjtu.cn