金鑫

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110000)

淺談輸水隧洞老化病害機(jī)理及防治技術(shù)

金鑫

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110000)

本文以大伙房水庫輸水(二期)工程為例，分析了在正常運(yùn)行過程中，輸水隧洞老化可能發(fā)生的三種病害的產(chǎn)生機(jī)理及相對(duì)應(yīng)采取的防治措施，為今后同類工程提供可資借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

輸水隧洞;老化病害;防治

1 工程概況

大伙房水庫輸水工程是為解決遼寧中部撫順、沈陽、遼陽、鞍山、營口、盤錦和南部大連7城市水資源短缺問題的戰(zhàn)略性工程，該工程是遼寧省經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、老工業(yè)基地產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和改造、沿海經(jīng)濟(jì)帶開發(fā)的重要區(qū)域性水資源配置工程，涉水人口上千萬，被稱為遼寧的生命線工程。其中，大伙房水庫輸水(二期)工程是將調(diào)入大伙房水庫的水采用管道輸水方式輸送到下游受水城市，工程主要建設(shè)內(nèi)容包括:取水首部、29.1km輸水隧洞及連接段、231.7km輸水管線、7座配水加壓站、8座穩(wěn)壓塔和沈陽調(diào)度中心等。輸水隧洞為有壓隧洞，總長25.5km，成洞洞徑6m，根據(jù)圍巖條件分別采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土和普通混凝土模筑襯砌。隧洞連接段為6m鋼管外包混凝土，總長3.6km。輸水管線鞍山以上為雙管埋設(shè)，以下為單管埋設(shè)，需要安裝的管道總長為349.5km，直徑為3.2～1.4m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筒管(簡稱PCCP管)、玻璃鋼夾砂管和鋼管。工程設(shè)計(jì)總工期42個(gè)月，概算總投資49.06億元。

2 輸水隧洞老化病害

在長期運(yùn)行后，輸水隧洞可能產(chǎn)生的老化病害主要包括混凝土裂縫、混凝土滲漏侵蝕和工程空蝕三種。

2.1 混凝土裂縫

根據(jù)對(duì)大伙房水庫輸水(二期)工程的分析研究，輸水隧洞運(yùn)行多年后會(huì)出現(xiàn)裂縫。其中，橫向和環(huán)向的裂縫較多。研究發(fā)現(xiàn)，荷載擴(kuò)展通常因裂縫而出現(xiàn)，

或是荷載和變形一同作用的結(jié)果。裂縫原因?qū)儆谝蜃冃螢橹鞯募s占五分之四，屬于因荷載為主的約占五分之一。不同性質(zhì)的裂縫對(duì)輸水隧洞的危害程度也有所不同:環(huán)向裂縫會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的漏水、射水，橫向裂縫可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體破壞。此外，洞壁混凝土裂縫還會(huì)引起其他病害的發(fā)生和發(fā)展，如:致使洞壁混凝土的滲漏侵蝕，加快混凝土的碳化和鋼筋銹蝕等，形成惡性循環(huán)。因此，對(duì)混凝土裂縫的危害和潛在威脅，應(yīng)引起高度重視。

2.2 混凝土滲漏侵蝕

滲漏水對(duì)洞身混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的溶出性侵蝕，就是所謂的滲漏侵蝕，是輸水隧洞老化病害之一。眾所周知，水泥的水化產(chǎn)物(如:水化鋁酸鈣、氫氧化鈣、水化硅酸鈣等)會(huì)在混凝土中形成膠結(jié)作用，而足夠的氫氧化鈣又是其他水化產(chǎn)物凝聚、結(jié)晶和穩(wěn)定的保證。然而，在以上水化產(chǎn)物中，氫氧化鈣遇水會(huì)有著較高的溶解度，因此一般情況下混凝土毛細(xì)孔中存在飽和的氫氧化鈣溶液。滲漏水會(huì)把硅中的氫氧化鈣不斷地溶出帶走，其中一部分與空氣中的二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成白色的碳酸鈣結(jié)晶留在混凝土外壁，其余部分流失。因混凝土中氫氧化鈣的不停溶出，水泥其他水化產(chǎn)物穩(wěn)定存在的平衡條件被破壞，水化產(chǎn)物將會(huì)分解，致使混凝土性能削弱。研究表明，當(dāng)混凝土中總的氫氧化鈣含量被溶出四分之一時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度下降二分之一;當(dāng)溶出量超過三分之一時(shí)，混凝土將失去強(qiáng)度而松散破壞。因此，對(duì)于滲漏侵蝕的危害不可掉以輕心。

2.3 工程空蝕

空蝕破壞是在輸水隧洞運(yùn)行中，當(dāng)水流流經(jīng)不平順的邊界，如洞壁不平整、洞身邊界輪廓不平順等，由于流速較高，不斷把不平順的空氣帶走，從而致使局部區(qū)域的壓力低于大氣壓力，形成負(fù)壓區(qū)。當(dāng)壓力降低到該位置相應(yīng)的大氣壓力時(shí)，小氣泡隨水流流向下游正壓區(qū)，氣泡內(nèi)的水汽重新凝結(jié)，氣泡突然破裂消失，使混凝土邊界區(qū)域不斷遭受氣泡破裂時(shí)的巨大機(jī)械沖擊而剝蝕，從而發(fā)生空蝕破壞。

3 防治技術(shù)措施

3.1 裂縫處理措施

對(duì)于縱向裂縫，要在荷載的規(guī)定下加固補(bǔ)強(qiáng)其整體，用環(huán)氧材料灌注填充縫隙。例如:可以將3cm寬、1cm長的槽修筑在裂縫口處，將渣末清除，用環(huán)氧砂漿找平。這種裂縫處理方式是將原來的結(jié)構(gòu)粘結(jié)起來，以改善和調(diào)整洞壁混凝土的受力狀態(tài)，從而強(qiáng)化了裂縫位置加載后的變形強(qiáng)度。

對(duì)于環(huán)向縫隙，可以采取的嵌縫材料很多。首先對(duì)槽內(nèi)清洗干凈，并進(jìn)行烘干處理，之后將粘結(jié)劑涂刷在兩槽壁處，再將嵌縫材料分層地嵌入進(jìn)去，一定要達(dá)到設(shè)計(jì)的厚度，從而有效防護(hù)表層的混凝土。

3.2 安裝旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)

為防止漂浮物流入管道和輸水隧洞，危害系統(tǒng)調(diào)流調(diào)壓設(shè)備，大伙房水庫輸水(二期)工程將三套旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)設(shè)置在取水頭部工作門后，水深達(dá)40m，濾網(wǎng)寬度為4m，采用網(wǎng)外雙面進(jìn)水的形式，最低水位過網(wǎng)流速為0.75m/s取水，尺寸為4m×10 m(高)。旋轉(zhuǎn)格網(wǎng)的網(wǎng)眼尺寸為10mm×10mm。45×2m為每孔旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)長度，水下濾網(wǎng)轉(zhuǎn)彎半徑為1610mm。在網(wǎng)前后水位差值為200mm(或者其他設(shè)定值)時(shí)，將自動(dòng)啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng);當(dāng)水位差下降到200mm以下時(shí)，將停止運(yùn)行旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)。當(dāng)存在較為潔凈水質(zhì)時(shí)，旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)一般設(shè)定4～8h啟動(dòng)一次，運(yùn)行30min(事前調(diào)好)。

3.3 灌漿法處理

在處理取水口及隧洞連接段附近涵洞的滲漏時(shí)，使用洞外接觸灌漿的方式較多，將洞外的滲漏通道進(jìn)行封堵，降低外水對(duì)洞壁混凝土造成的滲透壓力。在隧洞連接段附近混凝土的補(bǔ)強(qiáng)工作中，也可以使用壓力灌漿的方式，通常將孔布置在洞內(nèi)，分序?qū)嵤┕酀{。按照墩體材料、排水固結(jié)條件和孔位等，對(duì)灌漿壓力和漿材進(jìn)行綜合控制。例如:對(duì)不同水泥摻量和黏土漿進(jìn)行選擇，進(jìn)行灌漿處理。

3.4 控制空蝕的措施

首先，控制合理的邊輪廓。以避免空蝕為原則，其邊界輪廓應(yīng)做到“順、直、平”，不能出現(xiàn)突縮、突擴(kuò)、急折和驟彎。在邊界不得已發(fā)生變化的地方，應(yīng)注意圓角化、橢圓化和流線化。如果需要改建門槽，一定要控制好其中的錯(cuò)距比、斜坡坡度和寬深比等。

其次，在容易產(chǎn)生空蝕的部位選用抗拉強(qiáng)度大、彈性模量大和硬度大的材料，或是提高混凝土的標(biāo)號(hào)。對(duì)已產(chǎn)生空蝕的部位進(jìn)行處理時(shí)，可選用環(huán)氧砂漿材料、硅粉水泥砂漿(混凝土)、鋼纖維水泥砂漿(混凝土)等，根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的材料。

4 結(jié)語

綜上所述，遼寧省大伙房水庫輸水(二期)工程自2011年試運(yùn)行以來，已向下游受水城市供水約8億m3。對(duì)二期工程輸水隧洞老化病害的及時(shí)處理，不僅保障了工程的正常運(yùn)行，更使輸水工程能夠持續(xù)發(fā)揮其社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

［1］程素珍．輸水洞老化病害機(jī)理分析及治理技術(shù)研究［J］．水利工程，2011(7)．

［2］魏辰．地下洞室群施工通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算與可視化研究［D］．天津:天津大學(xué)，2012．

［3］李道田．青峰嶺水庫土石壩加固技術(shù)及加筋礫石料的應(yīng)力應(yīng)變特性研究［D］．南京:河海大學(xué)，2006．

［4］張勁松，劉利珍．輸水洞侵蝕破壞機(jī)理分析及防護(hù)措施研究［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2003(1)．

［5］古漢文．灌漿技術(shù)在南水泄洪洞除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用［J］．江西電力職業(yè)，2003(3)．

On aging disease mechanism and prevention control technology of water conveyance tunnel

JIN Xin
(Liaoning Runzhong Water Supply Co.，Ltd.，Shenyang 110000，China)

In the paper，Dahuofang Reservoir Water Diversion(Stage II)Project is adopted as an example．Three possible disease generation mechanisms of water conveyance aging and corresponding prevention measures in normal operation process are analyzed，thereby providing reference experience for similar projects in the future．

water conveyance tunnel;aging disease;prevention control

TV698.2+4

A

1005-4774(2015)06-0076-03