中小型水库坝下排水涵管除险加固设计

中小型水库坝下排水涵管除险加固设计重点

1 排水涵管运行现状

我国在20世纪50-70年代修建了大量的中小型水库，大坝坝型多采用土石坝，排水建筑物大多采用坝下涵管。受当时经济技术条件的制约和影响，往往在缺乏规范的设计图纸和专业施工单位的情况下，工程仓促上马，造成工程施工质量差，致使大多数涵管存在渗漏或其他问题，影响大坝的正常运行。

导致涵管渗漏的主要原因有：涵管基础地质条件差，不均匀沉陷导致涵管损坏；坝体施工质量差，坝内涵管与大坝防渗体结合不严密，造成沿涵管外壁的接触渗漏冲刷或坝体变形导致涵管损坏；涵管砌筑质量差引起破裂漏水；进水口闸门或防渗结构损坏引起渗漏等。

由于原设计施工资料严重缺失，且涵管深埋在坝下，涵管病害问题是否存在或严重程度难以查明，病害问题一旦发展则对大坝威胁极大，处理起来难度也很大，故涵管病害被称为“大坝心脏病”。

坝下排水涵管除险加固设计首先要查明涵管存在的问题，管壁外侧是否存在接触渗漏问题，涵管是否有裂缝、断裂等结构性问题，管内漏水要分清是进口闸门漏水还是坝体渗水汇入管内等情况，针对不同的问题，设计应提出相应的处理措施。通常的处理方法分为两钟：①对结构没有大问题的老涵管，进行加固和防渗处理时，多采用进口开挖后重新回填黏土夯实防渗、修补涵管内外侧壁与涵管内衬钢管或塑料管、涵管外侧灌浆和增设截水环等方法。②对于结构破坏严重，或坝中断裂错位的小管径涵管，则须封堵或挖除老涵管，重新修建放水建筑物，一般采用挖除并新建涵管、新建虹吸管或有条件时新开隧洞等处理方法。笔者在进行一些设计复核工作时，发现很多涵管加固设计不合理，现将多年设计工作的经验加以总结，供设计人员参考。

2 防止涵管接触渗漏设计要点

有些水库坝下涵管虽经多年运行，没有出现大的结构性问题，主要原因是进口闸门及启闭设施运行多年后锈蚀老化。这样的涵管处理应以维修加固为主。对于渗漏情况并不严重的涵管可以不作防渗处理，而是将涵管出口处开挖后做好反滤，保证工程大坝渗透稳定。进口闸口及启闭设施一般需要改造更新处理。接触渗漏比较严重时，需在上游侧或坝顶位置采取截渗措施。

2.1 充填灌浆处理

由于原涵管两侧回填土不密实或不均匀沉降等原因，造成水库蓄水后在涵管外周边易形成渗漏通道，在长期集中渗流情况下，涵管外围接触面会形成空洞。为使坝体与涵管接合紧密，确保坝体安全，可采用充填灌浆处理涵管外周边的空隙。

充填灌浆适用于处理性质和范围都已确定的局部隐患，进行充填灌浆设计首先要确定涵管的位置和涵管外侧空洞或裂隙的范围，根据涵管缺陷情况确定孔位布置、灌浆压力、浆液材料及浓度等设计指标。孔位间排距一般取1-1.5m，孔深至涵底以下1m，灌浆压力不大于0.05MPa，以免劈裂坝体形成新的缺陷。为确保灌浆效果，要求每孔复灌3次以上，每次复灌间歇时间不少于5d。灌浆材料可采用灌黏土水泥浆，水泥用量为干料量的5%-30%。

需要强调的是，充填灌浆处理大坝防渗是不可行的，由于原坝体细颗粒较多，渗透系数本身就不大，充填灌浆要求的灌浆压力又很小，浆液在坝体内不能有效扩散，孔与孔之间不能搭接形成防渗幕墙，起不到防渗的作用。所以一般老的坝体存在的压实度不够、渗透系数较大等问题不能用充填灌浆处理。

2.2 倒挂并增设截水环

对于沿管壁接触渗漏问题比较严重的，应进行截渗处理，可在管壁外侧增设截水环防渗。由于涵管深埋坝下，明挖处理费工费时且风险较大，截水环可采用倒挂井的施工方法开挖。倒挂井是在坝顶浇筑混凝土锁梁，梁下修建混凝土的倒挂井，逐层向下开挖、立模、浇筑混凝土倒挂井壁，挖至涵管基岩后清除风化岩石、凿毛清洗干净，浇筑防渗墙截水环截渗。倒挂井采用人工开挖，技术简单，不需要大型设备和专业施工力量，施工方便，不受水库洪水影响，可减少土石方开挖量，降低工程成本，缩短建设周期。

倒挂井设计的要点首先是根据地质情况确定井深及井圈的大小和组数，然后确定锁口梁的结构及尺寸，锁口梁可以保证井口稳定，并且井圈的重量也主要由锁口梁承担，故锁口纵横梁应按简支梁设计并配筋。倒挂井垂直开挖要靠井壁支护，并壁一节一节自上而下施工并预埋钢筋，上一段支护稳定后开挖下一段，然后浇注下一段的井壁混凝土，下一节井壁倒挂在上一节井壁上维持稳定。由于井圈不是封闭的圆圈，横向支撑必不可少，支撑可采用方木或型钢焊制，一般每层设置3道横

撑。截水环施工完毕后井内应回填黏土夯实到坝顶，不可浇注混凝土，以免混凝土干缩以及和坝体间产生不均匀沉降，形成横向裂缝，影响防渗效果。

出于安全考虑，设计倒挂井开挖的最大深度一般控制在30m以内。在无黏性砂石料中挖井因土料凝聚力小，开挖易出现塌方，对于级配较好且密度较高的砂砾层，塌方不严重时可采取缩短井节高度加快施工周期的过渡措施。当遇有级配较差、砾石集中又不密实的土层时，可采取灌注黏土、水泥或丙凝水泥浆液进行灌浆充填固结的措施，以增加井壁的稳定性。

2.3 高压喷射灌浆截水处理

对沿管壁接触渗漏问题，也可采用高压喷射灌浆进行截水处理。高压喷射灌浆是一种采用高压水或高压浆液形成高速喷射流束，冲击、切割、破碎地层土体，并以水泥基质浆液充填、掺混其中，形成桩柱或板墙状的凝结体，用以提高低级防渗或承载能力的施工技术。依靠高压喷射浆液可对涵管周围及底板以下土层进行防渗加固处理，防止沿涵管与坝体土接触面的接触渗漏、冲刷破坏涵管周围土体。

高压喷射灌浆分为旋喷、摆喷和定喷3种形式，截水处理一般采用定喷或摆喷，定喷固结体呈壁状，摆喷形成厚度较大的扇状固结体，可承担较大的渗透比降。高压喷射灌浆设计的要点是灌浆孔距的确定。设计应根据坝体土体性质和灌浆试验成果确定灌浆孔距，一般定喷、摆喷孔距为

1.2-1.5m，旋喷为0.8-1.2m。

高压喷射灌浆不需要对地层进行开挖，可通过坝体、涵洞等建筑物对数十米以下砂砾层、隐患进行处理，可在水上对水下隐患进行处理，相对成槽法造墙工艺，高压喷射灌浆无须护壁浆液和混凝土制作浇筑系统，其对施工场所的要求不高。高压喷射灌浆的缺点也比较明显，首先要对地层材料较为敏感，最适用的是粉砂土和淤泥质土，黏性土的黏粒含量较高时，灌浆效果较差，容易出现施工质量问题，不能形成连续板墙或形成的泥结石墙体厚薄差异较大。另外高压喷射灌浆技术难度相对较大，地方上一般没有好的施工队伍，且涵管防渗工程量很小，难以找到施工经验丰富的施工单位，施工质量更加难以保证。

3 防止内水外渗设计要点

涵管内部若有混凝土剥落、裂缝等缺陷，可能发生内水外渗，管径较大可以进人的涵管，可采取丙乳或其他聚合物水泥砂浆抹面或嵌缝处理，不能进人的涵管可采用套管法加固原涵管。

套管法是在原涵管内安装1根直径小于原涵管且能满足过流要求的管道。套管安装就位后将两端封堵，原涵管与套管之间的空隙填充水泥砂浆或预埋骨料灌浆，同时在涵管的进口段开挖后重新回填黏土夯实，做好防渗的工程措施，黏土中可掺入15%左右的水泥以提高防渗性能。在涵管出口段应填筑导渗的反滤料将渗水导出。直径较大的套管可采用钢管，如果原涵管布置不是直线或有轻微变形也可采用PE或PP-R等塑料管，以克服钢管不可弯曲的缺点。

涵管内套管需注意新管与老涵管之间的充填灌浆浆液须充满管壁间的空隙，为避免浆液干缩形成裂缝，浆液中应适当添加微膨胀剂。

套管法施工具有技术简单，不需要大量开挖土方，施工期短，度汛风险小，工程投资少等诸多优点。笔者认为坝下涵管处理应优先考虑这一方案。

4 原涵管拆除与新建设计要点

挖除新建涵管方案是较为彻底的处理方案，新建涵管的基础需是基岩，在涵管前半部分基岩条件较好的位置设置截水环截渗，然后回填黏土到原坝体断面。

新建涵管设计的要点是涵管必须埋入基岩，设计应选择合适的坝肩位置，在基岩中挖槽，将涵管埋入开挖明槽中，管底及两侧的空隙用混凝土回填并振捣密实，涵管上部的混凝土保护厚度不小于20cm，坝高较高管径较大时要配钢筋。混凝土面应与原基岩齐平，新建函管在岸坡上时，应根据岩面情况，混凝土面可为斜面。如大坝是黏土心墙坝，还应注意心墙应在涵管处扩大断面，以延长渗径。结构设计特别应注意一定要在涵管出口处设置反滤，这一措施，增加的工程投资微乎其微，但保护坝体渗流安全效果显著。

由于开挖断面场地狭小，没有碾压条件，填筑质量难以保证，坝高较高时，开挖后坝体的回填部分与原坝体之间的不均匀沉降问题不容忽视；此外由于涵管高程较低，导流就是一大难题，度汛风险很大，故此方案适合于坝高不高、工程量较小的情况，笔者认为涵管断面坝高超过10m时应慎用此方案。

4.1 新建涵管的截水环问题

《碾压式土石坝设计规范》（以下简称规范）的条文说明中，对截水环问题的论述为：“坝下埋管过去都要求做截流环，因而给接触面上土的压实带来困难，近年来一般不做截流环了”。笔者