内套钢衬在水工压力隧洞渗漏处理中的应用

谢金元

1 前言

水工隧洞大多采用限裂设计，但若HD值较大需设置的钢筋过多或有严格防渗要求时，常采用钢板混凝土衬砌；有时为减短或平顺洞线，也采用钢板衬砌来穿越埋深不足或地质条件较差的洞段。

在我国水利水电工程建设过程中，也出现了一些工程因原认识不足或施工质量缺陷导致隧洞充水时出现严重渗漏甚至导致洞外边坡失稳的事故，在这些隧洞渗漏处理中，大部分都首先考虑对支护缺陷本身进行处理，或对围岩进行补强灌浆处理，结果第二次充水仍不能满足正常运行要求，最终不得不采用内套钢衬方案；如羊湖水电站引水隧洞处理、柳洪水电站压力管道处理、烟岗水电站引水隧洞处理、大洪河水电站压力管道技改、罗村水库三级电站压力管道处理、信邑水库放水洞除险加固等（见表1）。

工程处理案例的经验证明，内套钢衬在水工隧洞渗漏处理上具有可靠性高、配套技术成熟、施工迅速等优势。

首先对水工隧洞渗漏处理的特点和内套钢衬处理隧洞渗漏的优点进行分析，再结合工程实例对内套钢衬设计要点进行论述，希望对类似工程压力隧洞设计和事故处理提供借鉴和参考。

2 水工隧洞渗漏处理特点

出现严重渗漏事故的水工隧洞围岩一般裂隙都较发育，渗透性较强；在渗漏事故中，围岩裂隙中的细颗粒被渗流带出，受内水压力作用，裂隙宽度和延伸长度更进一步被扩张。如果设置有钢筋混凝土衬砌，放空检查时往往会发现衬砌上分布众多缺陷，特别是贯穿性裂缝或孔洞等集中性渗漏通道在放空后外水内渗。

水工隧洞发生严重渗漏事故时，一般都是工程投产前的充水调试阶段或投产运行初期，事故发生对工程经济效益及当地社会影响均较大，往往要求尽快进行稳妥处理。在处理方案选择上，可靠和施工快速的要求往往高于投资控制的要求。

3 内套钢衬处理隧洞渗漏的优点

水工隧洞充水运行出现严重渗漏事故后，可采用的处理措施一般有：补充固结灌浆、增设或修补钢筋混凝土衬砌、增设钢板衬砌等。

如前所述，发生严重内水外渗的隧洞围岩本身透水性就强，渗流更加剧了其裂隙连通性，仅仅补充固结灌浆往往难以达到预期效果。

针对原混凝土衬砌缺陷，一般可采取如下处理措施：对裂缝进行化学灌浆、对混凝土内部缺陷进行置换或灌浆、对少筋区域进行纤维补强、对衬砌表面增设防渗涂层等。但要对原混凝土衬砌进行修补，首先需对外观和内部缺陷进行详细检查，相应制定针对性处理措施；修复处理施工中还存在工序复杂、高分子材料对施工环境和养护要求高、处理效果难以保证等问题。

若采取新增钢筋混凝土衬砌处理，则存在新增水头损失过大、新老混凝土衬砌间结合处理要求高、衬砌模板制作安装复杂、混凝土待强时间相对较长等问题。

而采用内套钢板衬砌，则可达到严密防渗的效果。内套钢衬虽需减小过水断面，但断面缩小幅度相对不大，且因钢板糙率更小，处理后对隧洞水头损失影响可进一步降低。

采用内套钢衬方案后，可按钢板单独承担内水压力来设计，以简化对原衬砌缺陷的检查和处理要求，尽量让管壁自身满足抗外压稳定以免除或简化加劲环设置，尽量减少现场安装焊缝，并采用单面焊接方式。由于内套钢衬按单独承担内水压力设计，也可适当降低管外回填混凝土（或砂浆）及灌浆的要求，适当放宽管外脱空面积限度。因此，内套钢衬方案还具有施工速度快的特点。

根据羊湖引水隧洞、柳洪压力管道和烟岗引水隧洞内套钢衬施工情况（见表2）可知，内套钢衬施工进度均较理想。

柳洪水电站压力管道内套钢衬布置示意图如图1所示。

4 内套钢衬设计要点

内套钢衬设计应综合考虑地形地质条件、渗漏事故表现、缺陷分布分类、工程运行要求、相邻建筑物布置、结构受力、施工方法、施工进度等多方面因素，重点确定内套钢衬范围、钢衬内径、钢衬壁厚及抗外压措施、钢衬焊接设计、管外回填及灌浆设计。

下面结合柳洪水电站压力管道上斜井渗漏处理内套钢衬设计施工实例予以具体阐述。

柳洪水电站为美姑河流域梯级开发的第四级，采用引水式开发，电站设计引用流量57m³/s，额定水头361m，装机容量180MW（3×60MW）。压力管道为地下埋藏式，布置格局为一条主管分岔为三条支管，主管由上、中、下三个平段和上、下两个斜段组成，内径3.8m。原设计以压力管道中平段桩号（管）0+335.25处为界，将压力管道分成两种衬砌型式，其上采用钢筋混凝土衬砌，其下采用钢板衬护；上平段（管）0+000.000～（管）0+050.000段因设置有检修蝶阀也采用钢衬。（管）0+050.000～（管）0+335.25原设计钢筋混凝土衬砌厚60cm，全段进行固结灌浆、平段进行回填灌浆。电站充水运行时压力管道上斜段发生了严重渗漏，随即采用了补强灌浆和内刷防渗涂料处理，再次充水，渗漏量仍较大；最后对（管）0+050.000～（管）0+335.250段进行了内套钢衬处理，钢衬内径3.3m，壁厚24～28mm。经内套钢衬处理后，电站至今运行正常。

（1）内套钢衬应根据缺陷分布连续包络设置，并做好与上下游端原衬砌的衔接。

柳洪压力管道渗漏发生后，放空进行外观检查发现压力管道上斜段存在混凝土集中破坏3处、集中外水内渗点3处、0.2mm宽度以上裂缝10条总长66.5m。外观检查发现上斜段重大缺陷存在分段集中规律，但数量较多，上平段总体情况相对较好。同时根据渗漏出水点位置分布及出水量在压力管道放水过程的变化，也可以判断，渗水集中主要发生在压力管道上斜段高程较高的部位。

为避免局部钢筋混凝土衬砌段出现集中绕渗而在钢衬外形成较大外水压力的问题，同时避免钢管与原衬砌钢筋混凝土连接的施工难度，对压力管道钢筋混凝土衬砌段即（管）0+050～（管）0+335.25 段全部采用内套钢衬处理，并于上下游端与原钢衬焊接封闭。

（2）内套钢衬内径应综合工程运行和处理施工条件确定。

柳洪水电站压力管道内套钢衬管径的选择主要考虑水头损失、施工难度两个因素，设计比选了3.4m、3.3m和3.2m 三个方案。经计算，三个方案水头损失比原方案分别增加0.232m、0.649m和1.150m。为减小管外空间占用，经计算，壁厚适当加大后即可满足抗外压稳定要求，加劲环仅需按施工构造要求配置。综合考虑水头损失和施工要求后，选用3.3m内径方案。同时对压力管道水锤压力进行了复核计算，计算表明，水锤升压未超过原钢衬段及机组设计内压，水锤降压下管顶压力仍满足要求。

（3）内套钢衬宜按单独承担内水压力设计，并尽可能简化加劲环设置。

柳洪水电站压力管道内衬钢管设计时，不考虑围岩承担内水压力，受施工条件限制，钢管采用内侧单面焊接。综合考虑工程处理工期及钢材采购供货情况，钢种选用Q345B。按《水电站压力钢管设计规范》（DL/T 5141—2001）附录B.1钢管单独承受内水压力公式计算并计入2mm裕量后管壁厚为8～20mm。

因管外净空尺寸不足25cm，不便设置较大尺寸的加劲环，为使光面管壁能满足抗外压稳定要求，经计算，管壁厚度实际取为24～28mm，按光面管计算即可满足抗外压稳定要求。为便于管节安装，在管外间隔10m设置一道高为10cm的加劲环。

对于斜井段，考虑前期处理时在原衬砌表面刷有光滑的防渗涂层，为简化原钢筋混凝土衬砌表面的凿毛处理，相应假定斜井段钢管自重、管内水重、管外回填混凝土自重的下滑力全部传递到钢衬上，而形成管道轴向压应力。受益于管壁厚度加大，综合钢衬内的环向应力、轴向应力和径向应力，按第四强度理论计算出钢衬内的组合应力值均小于钢材的抗力限值，满足规范要求。为增强安全度，仍要求沿管轴线每隔10m设置一排锚筋，每排4根，锚筋深度2.5m，端头与加劲环焊接。

（4）内套钢衬应尽量减小现场焊接工作量，并对现场焊缝进行严格探伤检查。

柳洪水电站压力管道内套钢衬在洞外制作成管节，采用车辆运至蝶阀室，卸车并翻身为水平状态后，采用设置在上平段蝶阀室和下平段的两台卷扬机作为牵引和反牵引缓慢沿管轴线运送至安装位置。管节间安装环缝采用单面焊接双面成形工艺，因此在组装过程中要求所有环缝背面都设垫板。考虑到内套钢衬施工的特殊性，要求对焊缝100%超声波探伤检查。

（5）内套钢衬外回填和灌浆设计宜尽量简化。

由于钢管外壁与原混凝土之间的间隙有限，回填材料无法振捣，同时考虑到柳洪压力管道处理工期的紧迫性，单次回填段在施工能力能够保证的情况下宜尽量长，因此管外回填采用了细石混凝土和砂浆，总共分了4个仓段。

根据衬砌缺陷检查成果和结构受力分析，柳洪水电站压力管道洞室围岩稳定无问题，同时考虑到内套钢衬可单独承担内水压力，为简化处理施工，可降低管外灌浆要求。最终仅在平段和弯段内套钢衬顶部设置了少量回填灌浆孔，排距6m，每排在管顶设1孔，补强板设置在管内；接触灌浆孔则根据管壁敲击检查出的较大面积脱空部位有针对性设置。

5 结束语

综上所述，内套钢衬是水工压力隧洞严重渗漏处理时的一种最有效措施，其具有安全可靠、技术成熟、施工快捷等优势；在围岩透水性强、原衬砌缺陷多，补充固结灌浆和原衬砌修补困难或效果难以掌控的情况下，宜优先采用。

参考文献

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