淺談輸水隧洞老化病害機理及防治技術

金鑫

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧沈陽 110000)

淺談輸水隧洞老化病害機理及防治技術

金鑫

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧沈陽 110000)

本文以大伙房水庫輸水(二期)工程為例，分析了在正常運行過程中，輸水隧洞老化可能發生的三種病害的產生機理及相對應采取的防治措施，為今后同類工程提供可資借鑒的經驗。

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略性工程，該工程是遼寧省經濟社會可持續發展、老工業基地產業結構調整和改造、沿海經濟帶開發的重要區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，工程主要建設內容包括: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座穩壓塔和沈陽調度中心等。輸水隧洞為有壓隧洞，總長25.5km，成洞洞徑6m，根據圍巖條件分別采用無粘結預應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，以下為單管埋設，需要安裝的管道總長為349.5km，直徑為3.2～1.4m，采用預應力混凝土鋼筒管(簡稱PCCP管)、玻璃鋼夾砂管和鋼管。工程設計總工期42個月，概算總投資49.06億元。

2 輸水隧洞老化病害

在長期運行后，輸水隧洞可能產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

根據對大伙房水庫輸水(二期)工程的分析研究，輸水隧洞運行多年后會出現裂縫。其中，橫向和環向的裂縫較多。研究發現，荷載擴展通常因裂縫而出現，

或是荷載和變形一同作用的結果。裂縫原因屬于因變形為主的約占五分之四，屬于因荷載為主的約占五分之一。不同性質的裂縫對輸水隧洞的危害程度也有所不同:環向裂縫會產生嚴重的漏水、射水，橫向裂縫可能導致結構的整體破壞。此外，洞壁混凝土裂縫還會引起其他病害的發生和發展，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。因此，對混凝土裂縫的危害和潛在威脅，應引起高度重視。

2.2 混凝土滲漏侵蝕

滲漏水對洞身混凝土內部產生的溶出性侵蝕，就是所謂的滲漏侵蝕，是輸水隧洞老化病害之一。眾所周知，水泥的水化產物(如:水化鋁酸鈣、氫氧化鈣、水化硅酸鈣等)會在混凝土中形成膠結作用，而足夠的氫氧化鈣又是其他水化產物凝聚、結晶和穩定的保證。然而，在以上水化產物中，氫氧化鈣遇水會有著較高的溶解度，因此一般情況下混凝土毛細孔中存在飽和的氫氧化鈣溶液。滲漏水會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生化學反應，形成白色的碳酸鈣結晶留在混凝土外壁，其余部分流失。因混凝土中氫氧化鈣的不停溶出，水泥其他水化產物穩定存在的平衡條件被破壞，水化產物將會分解，致使混凝土性能削弱。研究表明，當混凝土中總的氫氧化鈣含量被溶出四分之一時，混凝土的抗壓強度下降二分之一;當溶出量超過三分之一時，混凝土將失去強度而松散破壞。因此，對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行中，當水流流經不平順的邊界，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，從而致使局部區域的壓力低于大氣壓力，形成負壓區。當壓力降低到該位置相應的大氣壓力時，小氣泡隨水流流向下游正壓區，氣泡內的水汽重新凝結，氣泡突然破裂消失，使混凝土邊界區域不斷遭受氣泡破裂時的巨大機械沖擊而剝蝕，從而發生空蝕破壞。

3 防治技術措施

3.1 裂縫處理措施

對于縱向裂縫，要在荷載的規定下加固補強其整體，用環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，用環氧砂漿找平。這種裂縫處理方式是將原來的結構粘結起來，以改善和調整洞壁混凝土的受力狀態，從而強化了裂縫位置加載后的變形強度。

對于環向縫隙，可以采取的嵌縫材料很多。首先對槽內清洗干凈，并進行烘干處理，之后將粘結劑涂刷在兩槽壁處，再將嵌縫材料分層地嵌入進去，一定要達到設計的厚度，從而有效防護表層的混凝土。

3.2 安裝旋轉濾網

為防止漂浮物流入管道和輸水隧洞，危害系統調流調壓設備，大伙房水庫輸水(二期)工程將三套旋轉濾網設置在取水頭部工作門后，水深達40m，濾網寬度為4m，采用網外雙面進水的形式，最低水位過網流速為0.75m/s取水，尺寸為4m×10 m(高)。旋轉格網的網眼尺寸為10mm×10mm。45×2m為每孔旋轉濾網長度，水下濾網轉彎半徑為1610mm。在網前后水位差值為200mm(或者其他設定值)時，將自動啟動旋轉濾網;當水位差下降到200mm以下時，將停止運行旋轉濾網。當存在較為潔凈水質時，旋轉濾網一般設定4～8h啟動一次，運行30min(事前調好)。

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，使用洞外接觸灌漿的方式較多，將洞外的滲漏通道進行封堵，降低外水對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強工作中，也可以使用壓力灌漿的方式，通常將孔布置在洞內，分序實施灌漿。按照墩體材料、排水固結條件和孔位等，對灌漿壓力和漿材進行綜合控制。例如:對不同水泥摻量和黏土漿進行選擇，進行灌漿處理。

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，其邊界輪廓應做到“順、直、平”，不能出現突縮、突擴、急折和驟彎。在邊界不得已發生變化的地方，應注意圓角化、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距比、斜坡坡度和寬深比等。

其次，在容易產生空蝕的部位選用抗拉強度大、彈性模量大和硬度大的材料，或是提高混凝土的標號。對已產生空蝕的部位進行處理時，可選用環氧砂漿材料、硅粉水泥砂漿(混凝土)、鋼纖維水泥砂漿(混凝土)等，根據實際需要選擇合適的材料。

4 結語

綜上所述，遼寧省大伙房水庫輸水(二期)工程自2011年試運行以來，已向下游受水城市供水約8億m3。對二期工程輸水隧洞老化病害的及時處理，不僅保障了工程的正常運行，更使輸水工程能夠持續發揮其社會經濟效益。

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

［2］魏辰．地下洞室群施工通風網絡實時仿真計算與可視化研究［D］．天津:天津大學，2012．

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

［4］張勁松，劉利珍．輸水洞侵蝕破壞機理分析及防護措施研究［J］．武漢大學學報(工學版)，2003(1)．

［5］古漢文．灌漿技術在南水泄洪洞除險加固工程中的應用［J］．江西電力職業，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