2.1 水工隧洞断裂和漏水的处理措施

隧洞断裂和漏水的处理方法有贴补、灌浆、喷锚支护、内衬等方法。其中，喷锚支护在实际工程中应用广泛，故本文重点介绍喷锚支护措施。喷锚支护指喷射混凝土和锚杆支护的方法。它与现场浇筑的混凝土衬砌相比，具有与周围岩体贴结好、能提高围岩整体性和稳定性、承载能力强、抗振性能好、施工速度快、成本低等优点。可用于隧洞无衬砌段加固或衬砌损坏的补强。近年来在我国地下工程中得到了广泛应用。喷锚支护可分为喷纯混凝土支护、喷混凝土加锚杆联合支护和钢筋网喷混凝土与锚杆联合支护等类型。其适用范围如下：

在坚硬或中等质量的岩层中，当隧洞跨度较小且总体是稳定的，仅有局部裂缝交割的危岩可能塌落，可采用喷纯混凝土支护。有些隧洞即使周围的岩体比较破碎甚至是不稳定的，但只要能保证喷射的混凝土能保证岩体的稳定，也可采用喷纯混凝土支护。

对裂隙发育的火成岩、变质岩等围岩，可选用喷混凝土和锚杆联合支护，这时主要靠锚杆抵抗大块危岩的塌落，混凝土仅承受锚杆间岩层的重量。

对松软、破碎和断裂的岩层，可采用钢筋网喷混凝土与锚杆联合支护。

具体施工方法分别叙述如下。

2.1.1 喷纯混凝土

喷纯混凝土是一种快速、高效、不用模板，把运输、浇筑、捣固连接在一起的一种新型混凝土施工工艺。喷混凝土的材料中，可用400～500号普通硅酸盐水泥，可用细度模数为2.5～2.7、粒径为0.35～5mm的纯净河沙，滑料用小于20mm的一级配混凝土灰比在0.4～0.45之间。施工时，先将干料经一般拌和机拌和后，送于双罐式混凝土喷射机，由压缩空气将干料压经直径为50mm的高压橡胶管，在喷枪处与水混合后喷射出去。喷射时，喷枪口离喷射面0.8～1.0m的距离，并尽量保持与被喷面垂直的角度。仰喷时，每层厚度为5～7cm，平喷时为8～15cm，若厚度较大，当用速凝剂时，间隔10～30min再喷一层，直到达到规定层厚为止。

2.1.2 喷混凝土加锚杆支护

灌浆锚杆法是在洞顶有可能坍塌的岩块上钻孔，孔深入塌落拱以上一定深度，用水泥砂浆对插入至孔底的锚杆进行固结，从而对塌落拱以内的岩块起到悬吊作用。灌浆锚杆能将不稳定的松碎岩块团结成整体，在成层的岩层上，锚杆能把数层薄的岩层组织起来，因此在岩层中插入灌浆锚杆后再喷混凝土支护隧洞洞壁效果相当好。

灌浆锚杆的承载能力与锚杆本身的强度、砂浆与锚杆的黏结强度、砂浆与钻孔岩石的黏结强度以及锚固深度有关。

锚杆长度取决于洞室的开挖尺寸，当岩石抗压强度在9.8～2.45MPa，隧洞跨度平均在5m时，锚杆长度为

式中 L——锚杆长度，m；

B——隧洞开挖跨度，m。

锚杆的间距a，按一般的经验公式确定，即

灌浆锚杆施工之前，应将锚杆布置区的松动危岩岩彻底清除掉，并根据岩石节理裂隙或断层情况选择孔位，砂浆锚杆的施工有以下两种方法。

（1）“先灌后锚”灌浆锚杆。“先灌后锚”灌浆锚杆施工程序如下：

选孔位钻孔杆体除锈、松查并洗孔拌和砂浆注浆插杆。

注意钻孔时，钻孔方向应垂直岩石节理面，钻孔孔径应根据锚杆直径和施工方法而定，一般孔径为32～38mm。

拌和砂浆时，砂子的粒径最大不超过3mm。砂浆配比要准确，拌和要均匀，当灰砂比为1∶1.0～1∶1.2时，水灰比最好为0.4～0.45。

先灌浆后插杆的操作顺序是：选择合适的灌浆管长度 （一般大于孔深30～40cm）；把拌和好的水泥砂浆装入罐内；将罐盖密封，把灌浆管插入锚孔底部；打开罐上的进风阀门，利用风压把砂浆压入锚孔内。砂浆注入孔中时，应缓慢地将灌浆管抽出，不要太快，否则将影响灌浆质量；灌完浆随即插上锚杆。

（2）“先锚后灌”的灌浆锚杆。“先锚后灌”的灌浆锚杆，一般是先把锚杆和排气管插入钻孔内，将孔口封闭，然后用灌浆罐灌浆。

“先锚后灌”锚杆的孔径应稍大，一般为44～55mm。当砂浆灰砂比为1∶1.0～1∶1.2时，水灰比最好为0.3～0.35左右。太大罐内砂浆难以全部吹出，太小易堵塞管路。

“先锚后灌”有关灌浆顺序及操作方法与 “先灌后锚”基本一致。

2.1.3 喷混凝土、锚杆和钢筋网联合支护

这种方法是在喷射混弹簧土层中设置钢筋网 （或钢丝网）。施工时，先钻孔埋设锚杆，然后在锚杆的露出部分绑扎钢筋网 （或钢筋网），最后喷射混凝土。这种联合支护对防止收缩裂缝、增加喷射混凝土的整体性、提高支护承载能力，具有良好的作用。

2.2 气蚀的处理措施

隧洞的气蚀，开始时往往不易被人们重视，认为剥蚀程序轻，不会影响安全。但如果不注意修复或改善水流条件，则会发展到很严重的程序。气蚀的产生，水流的流速和边界条件是两个重要的因素。国内外研究成果显示，气蚀强度与流速的5～7次方成正比。目前，常用的防气蚀措施主要有以下几个方面。

（1）改善边界条件。当隧洞的进口形状不恰当时，极易产生气蚀现象。试验表明，渐变的进口形状最好做成椭圆曲线，常用的矩形进口椭圆曲线方程为

式中 x——水平坐标；

y——竖直坐标；(www.daowen.com)

D——输水洞洞径。

（2）控制闸门开度和设置通气孔。闸门不同的开度，不仅使闸门底级及底坎产生气蚀，而且对闸门振动的振幅和频率均有影响。据山东省统计分析，当闸门相对开度为0.2或0.8～0.9时，大型输水闸门有50%发生过振动，重者拉杆断裂或焊缝开裂。同时还发现，当闸门开度小时，闸门振动为上下方向；开度大时，为水平方向。经分析，小开度时，闸门门底止水后易形成负压区，闸门底部易出现气蚀；当开度大时，闸门后易产生明满流交替出现，同样易造成输水隧洞气蚀。

其次，闸门不同开度，对通气量的要求也不同。已建水库车水洞的通气孔尺寸是否满足要求，可用康培尔公式验算

式中 Qa——通气量，m3/s；

Q——输水洞闸门开度为80%时流量，m3/s；

v——收缩断面的平均流速，m/s；

h——收缩断面的水深，m。

有了需要的通气量，通常采用气流速度为30～50m/s，可估算出通气孔的面积大小或管径。如气流速度以40m/s计，则式 （4）可改为求通气孔面积A的公式，即

式中 A——通气孔的面积，m2。

一般用开度为80%的流量和水深来计算通气孔的面积。

（3）采用抗气蚀材料修复破坏部分。隧洞表面粗糙及材料强度差是引起气蚀破坏的原因之一。对于已产生气蚀破坏的部分，可用环氧砂浆进行修补，环氧砂浆的抗磨能力高于普通混凝土30倍。研究资料表明，混凝土标号愈高，抗气蚀性能愈好。

近年来，国内外都进行了在普通混凝土中掺入硅粉以提高普通混凝土的抗气蚀强度的研究。研究表明，普通混凝土中掺入硅粉后，其抗气蚀强度可提高14倍。硅粉的主要成分为氧化硅，颗粒极小，比水泥颗粒小100倍，由于硅粉微粒的充填作用及火山灰活性反应，可大大提高混凝土的各种性能。

对隧洞剥蚀严重的部位可考虑采用的钢板衬砌等方法修理。

目前钢纤维混凝土以其所具有优越的吸收能特性、抗冲击、抗爆破性能，在建筑物抗气蚀材料中占有了一席之地。通常情况下，在混凝土中掺入2%的钢纤维，其抗拉强度为素混凝土的1.5～1.7倍，抗弯强度为素混凝土的1.6～1.8倍。钢纤维混凝土的抗拉、抗弯强度与钢纤维的长径比 （L/d）成正比，一般钢纤维长径比为60～100，直径为0.2～0.6mm。

（4）采用通气减蚀措施。将空气直接输入可能产生气蚀的部位，可有效地防止建筑物气蚀破坏。国外研究成果指出；当水中掺气的气水比为1.5%～2.5%时，气蚀破坏大为减弱，当水中掺气的气水比达7%～8%时，可以消除气蚀。1960年美国大苦力坝泄水孔应用通气减蚀取得成功后，以后世界上不少工程都相继采用此法，都取得了良好的效果。我国自20世纪70年代起，先后在冯家山水库溢洪洞、新安江水电站挑流鼻坎、石头河输水洞中使用，效果也比较好。

通气减蚀的主要原因是，通气能降低或消除负压区，增加空穴中气体空穴所占的比重，减少空穴的破坏力。

（5）加强施工质量的控制。施工质量的控制一方面要控制混凝土材料的强度，使其达到设计要求；另一方面要保证混凝土表面具有较高的平整度。美国黄尾坝气蚀处理实例：黄尾坝是一座坝高160m的混凝土拱坝。泄水建筑物是位于坝左岸岩体中的泄洪隧洞，泄洪隧洞的斜井和垂直弯段的混凝土衬砌表面均有凹凸不平，弯段处最大流速达49m/s。为此，整个泄洪洞中较大的坑、槽，均采用环氧砂浆预制板或混凝土预制板处理。经过一个汛期以后，发现自垂直弯段的切点下游约2.5m开始。沿洞身38m长度内，气蚀破坏严重，另外，在垂直弯段上有两处较小的破坏。由于这一段环氧砂浆预制板不平整，所以导致了气蚀的发展。

采取的处理办法是在垂直弯段开始处的上游修建涌气槽，通气减蚀。此外，通过涂抹环氧砂浆、回填环氧混凝土和混凝土对损坏部分进行修补，处理后，再没有出现气蚀现象。

2.3 隧洞磨损的处理措施

隧洞衬砌的磨损主要是由河水中混沙引起的，而县移质泥沙和推移混沙对建筑物表面磨损的方式不同。实践表明，县移质泥沙，当V≥20～35m/s时，平均含沙量大于30kg/m3；或V≥15～20m/s时，平均含沙量大于80～100kg/m3，泄水建筑物经过几个汛期，C28左右混凝土表面，会受到严重的冲磨破坏。三门峡水利工程2号底孔就属这类破坏。推移质泥沙对建筑物表面撞击和摩擦，使建筑物表面磨损也比较严重。葛洲坝二江泄水闸，1981年7月泄洪72000m3/s，由于上游围堰残渣及上游消坡块石进入河道，大量推移质混沙在过闸时，造成对闸室及护坦的磨损。累者磨深1cm，重者磨深2cm以上。磨损最严重的第27孔闸，闸底板中心最大磨深达10.2cm。

在高速水流的输、泄水建筑物中，对不同的流速及含沙量、含沙类型，应采用不同的抗冲耐磨材料。常用的抗冲耐磨材料主要有以下的几种。

（1）铸石板。它比石英具有更高的抗磨损强度和抗悬移质微切消破坏性能。三门峡3号排沙底孔使用辉绿岩铸石板镶面，表现出较高的抗冲耐磨性能。

（2）铸石砂浆和铸石混凝土。高强度的铸石砂浆和铸石混凝土，在高速含沙水流中，具有很强的抗冲耐磨特性。葛洲坝二江泄水闸即使用了高强度的铸石的砂浆。

（3）耐磨骨料的高强度混凝土。用耐磨骨料的高强度混凝土，其抗磨强度与抗压强度有关。中国水电科学研究经过试验得出关系式为

式中 RA——混凝土抗冲磨强度，h·m2/kg；

R——混凝土抗压强度，MPa/cm2。

常用的耐磨骨料有石英石、铁矿石等。

（4）聚合物砂浆及聚合物混凝土。聚合物粘结强度比水泥黏强度高，在相同骨料情况下，聚合物混凝土抗悬移质和推移质冲磨强度都较高。但应注意，采用聚合物时，也应采用好的骨料，这样才能达到应有的效果。但因聚合物造价比较高，不太适合于大面积使用。

（5）钢材。钢材因其抗冲击韧性好，故抗推稀移质冲磨性能好。但因钢材价格高，施工工艺要求高，一般用于冲磨严重和难于维修的部位。

隧洞 （包括涵管）的气蚀和磨损，在高水头和多泥沙河流上经常可见。采用的处理方法也很多，在实际工作中，需根据具体磨蚀情况、当地具有的材料及施工技术条件因地制宜地确定处理方案。