密云水庫潮河輸水隧洞進(jìn)口段改造方案研究

王惠萍

摘要：本文旨在對(duì)密云水庫潮河輸水隧洞進(jìn)口段改造方案的比較研究，為隧洞進(jìn)口“龍?zhí)ь^”形式的工程提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：密云水庫，隧洞，“龍?zhí)ь^”，漸變段，封堵，流態(tài)

Abstract: this paper intends to miyun reservoir ChaoHe convey tunnel for import modification plan comparative study, for tunnel import "dragon look up" forms of projects for reference and reference.

Keywords: miyun reservoir, tunnel, "dragon look up", gradual change section, sealing, flow

中圖分類號(hào)：TV62文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

1、工程概況

潮河輸水隧洞位于北京密云水庫潮河主壩以東，黃各莊村以南延伸近東西向的單薄山脊中，介于第一及第二溢洪道之間，是密云水庫樞紐工程中最先施工和最早投入運(yùn)用的建筑物。建設(shè)初期，隧洞的任務(wù)是解決潮河地區(qū)的施工導(dǎo)流問題、泄洪與灌溉供水，后又增加了發(fā)電任務(wù)。根據(jù)《北京市密云水庫防御洪水方案》（2003年），潮河輸水隧洞在庫水位超過百年一遇調(diào)洪最高水位（157.48m）時(shí)參與泄洪。

輸水隧洞進(jìn)口引渠自上游河床過水段開始與進(jìn)口明拱段相連，全長1170m，斷面為梯形。明渠末端至進(jìn)水塔檢修門槽為素混凝土明拱段，長60.15m，進(jìn)口底高程為117.15m，結(jié)構(gòu)型式為圓形，內(nèi)徑為4m。明拱進(jìn)口處還設(shè)有疊梁門檢修閘門槽及高程127.0m操作平臺(tái)。

隧洞進(jìn)口控制建筑物為一斜臥墩墻式進(jìn)水塔，進(jìn)水塔兩側(cè)為厚80cm的混凝土墩墻，支承著兩層平臺(tái)，第一層高程為153.0m，為斜門及攔污柵檢修平臺(tái)。第一層高程為160.0m，設(shè)置固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，用來啟閉檢修閘門和攔污柵。

2、存在問題分析

受建設(shè)之初材料、施工技術(shù)、設(shè)計(jì)規(guī)范以及工期等各種因素的影響，隧洞結(jié)構(gòu)在很多方面均存在安全隱患。結(jié)合清華大學(xué)關(guān)于隧洞的安全鑒定結(jié)果，隧洞進(jìn)口段的存在的主要問題有:

⑴ 進(jìn)口明拱段當(dāng)頂拱上塌落土高達(dá)5m，157.5m水位泄洪時(shí)，頂拱最大拉應(yīng)力達(dá)14.86kg/cm2，超過原設(shè)計(jì)混凝土標(biāo)號(hào)（100號(hào)）的允許拉應(yīng)力值，明拱安全性差；

⑵ 原設(shè)計(jì)進(jìn)水塔按7°地震校核，軸向與側(cè)向穩(wěn)定均滿足要求，現(xiàn)按8°地震核算，彎矩增加了4.6倍，進(jìn)水塔在8°地震作用下穩(wěn)定性差；

⑶ 進(jìn)口檢修門門槽前后無漸變段，呈矩形的門槽嵌入圓形洞中，門槽兩側(cè)底角處很容易為雜物所堵塞，對(duì)檢修門封水極為不利，造成底止水因門體不能落底而漏水，漏水量超過1.0m3/s。門槽上游胸墻只修筑到高程130.0m，庫水位超過130.0m，庫水自胸墻頂部跌入閘門槽，這股水流夾帶空氣進(jìn)入洞內(nèi)與由明拱入流的主水流摻和，發(fā)生干擾，影響泄流量；

⑷ 進(jìn)口檢修門門槽埋件只設(shè)有兩根主軌，無側(cè)軌、反軌，也無封水板及平壓管，封水條件極差，門槽尺寸為0.8×0.3m，尺寸偏小，門槽混凝土中未放置剪力筋，高水位擋水時(shí)，門槽抗剪強(qiáng)度不夠，要求限制在150.0m水位以下運(yùn)用。

3、進(jìn)口段改造方案

3.1、方案比選

隧洞進(jìn)口段的改造，對(duì)隧洞泄洪時(shí)的流態(tài)、結(jié)構(gòu)安全影響較大，比選方案如下：

方案一：“龍?zhí)ь^”方案。鑒于原引渠末端明拱的不安全性及洞身素混凝土襯砌段滿足不了強(qiáng)度的要求，為此，避開明拱，拆除原進(jìn)口檢修門及進(jìn)水塔，將進(jìn)口底坎高程由原117.15至130.0m高程，重新布置豎井式進(jìn)水口，設(shè)事故閘門井及相應(yīng)閘門及啟閉設(shè)備，閘后設(shè)漸變段，再用二個(gè)反彎段、斜直段與原洞身相連。

在原檢修斜門進(jìn)水塔拆除之前，對(duì)原檢修門進(jìn)行加固改造，做好封水裝置，門周邊用棉織物包裹，將檢修門沉入原閘門槽117.0m底坎上，使之盡可能起擋水作用，然后對(duì)位于龍?zhí)ь^下方的原洞身進(jìn)行封堵。封堵完成后，對(duì)龍?zhí)ь^部分進(jìn)行施工開挖以及洞身的二次固結(jié)灌漿和混凝土襯砌可同時(shí)進(jìn)行。

進(jìn)口引渠寬6.0m，長15m，兩側(cè)開挖成1:0.75的邊坡，在引渠前部臨水庫水面處預(yù)留一塊梯形巖體不開挖，作為施工圍堰擋水用，此處巖面頂高程約為140.0m。為滿足庫水位143.0m擋水，需在頂部砌筑漿砌石，高3m，在預(yù)留巖體后開挖出豎井進(jìn)水口。由樁號(hào)0+020.5m起開挖洞段，洞臉開挖坡度為1:0.5，洞身進(jìn)口尺寸為4×4.2m，建設(shè)水平段洞身長16m。樁號(hào)0+036.5至0+043.5m新建事故閘門井，閘室段長7m，孔口尺寸由4×4.2m過渡到4×4m。閘門井后接6m長漸變段，由矩形4×4m過渡到直徑為4m的圓形洞身。漸變段后為斜洞段，包括豎曲線段、斜線段和反弧段，于樁號(hào)0+082m處與原洞身順接。

進(jìn)口預(yù)留巖體需要灌漿處理，以減少施工期的圍堰滲水量。待進(jìn)水口改建完畢，閘門及啟閉機(jī)可以正常操作后，再拆除預(yù)留巖體。拆除可以采用水下爆破，水下清碴來解決，或者可待水庫水位下降后逐層挖除清理，因?yàn)轭A(yù)留巖體后新開挖的豎井進(jìn)水口，可以滿足高水位泄洪過流的要求。

方案二：進(jìn)口檢修門改建方案。拆除原檢修門前部的一段明拱混凝土，高程153.0m以下的門槽全部拆除重建，重新制作檢修閘門。首部設(shè)小龍?zhí)ь^進(jìn)水口，底坎高程為120.0m，閘門孔口尺寸為4×4.2m（斜高），門后設(shè)漸變段使之逐步過渡到直徑為4m的圓洞。

此方案在施工時(shí)，需要在上游明拱之上修建高達(dá)26m左右的土石圍堰，防滲需采用混凝土墻。為保證明拱不被土石圍堰的垂直土重壓跨，還需在明拱頂上采用大口徑鉆孔灌柱樁水下混凝土填實(shí)。土石圍堰高26m，若圍堰按30m長，壩頂按5m寬，上、下游壩坡按1:2考慮，計(jì)算工程量與方案一比較如下：

表1 進(jìn)水口方案工程量對(duì)比表

從上表可以看出，方案二立足于充分利用現(xiàn)狀建筑物，開挖、拆除及新建的混凝土工程量比較小，但施工部分的工程量很大。土石填筑方量4.5萬m3，相當(dāng)于一座土石壩的工程量，且土石圍堰僅為一臨時(shí)工程，工程完建后，需要對(duì)圍堰進(jìn)行拆除，若拆除的不徹底，進(jìn)水口就有可能被淤堵。方案二在減少永久工程的工程量的同時(shí)大幅的增加了臨時(shí)工程的工程量，且圍堰的填筑、拆除、混凝土防滲墻及鉆孔灌注樁的施工均存在較大的難度，對(duì)施工單位要求較高，推薦采用方案一。

3.2、進(jìn)口段水力計(jì)算

⑴ 進(jìn)口及連接段的設(shè)計(jì)

① 進(jìn)口邊界曲線

隧洞進(jìn)口采用三面收縮的四分之一橢圓曲線，長半軸a＝洞高h(yuǎn)＝4.2m，短半軸b＝a/3＝1.4m，橢圓方程為x2/4.22＋y2/1.42＝1。

② 斜洞段曲線

對(duì)于“龍?zhí)ь^”式隧洞，其斜洞部分一般由豎曲線段、斜線段和反弧段組成，參考《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》得:

豎曲線段:采用拋物線方程 x2＝4Kф2H0y

式中:K—為防止負(fù)壓采用有壓安全系數(shù)，取K=1.2；

ф—流速系數(shù)；

H0—包括行近流速水頭在內(nèi)的總水頭H0=H＋v2/2g

計(jì)算得豎曲線段拋物線方程為:x2＝65y

反弧段:反弧半徑R=（0.2~0.5）（H+P）

H+P—設(shè)計(jì)水位與反弧段底板高差

按千年一遇設(shè)計(jì)洪水對(duì)應(yīng)水位計(jì)算，取反弧半徑R＝20m<（7.5~10）×（洞高h(yuǎn)）。