頂管在水庫除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用

羅歆煥

(大埔縣水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)室，廣東 梅州514200)

1 前 言

大埔縣于2008—2009年共實(shí)施了21 宗廣東省人大議案小型水庫除險(xiǎn)加固工程，這些水庫基本上都是建于20 世紀(jì)60、70年代。經(jīng)過幾十年運(yùn)行，這些工程三大建筑物大壩、溢洪道和輸水涵均存在不同程度的問題。在對(duì)其安全隱患進(jìn)行處理時(shí)，輸水涵管的處理較為棘手，主要由于水庫的輸水涵布置底高程比較低，為了能在水庫出險(xiǎn)時(shí)放空庫水，輸水涵都布置在比庫底稍高一點(diǎn)的位置，對(duì)一些低壩采用傳統(tǒng)的破壩換管的方法進(jìn)行處理是比較合理，但對(duì)高壩也采用傳統(tǒng)的破壩換管的方法進(jìn)行處理則會(huì)對(duì)大壩壩體造成較大影響，而且工程費(fèi)用也高，因此，在對(duì)其中的一座葵坑水庫輸水涵處理時(shí)，我們采用了頂管的方法。

2 葵坑水庫頂管設(shè)計(jì)

葵坑水庫建于1960年3月，壩址以上集雨面積5.3 km2，壩型為均質(zhì)土壩，最大壩高19.4 m，壩頂長(zhǎng)度99.5 m，壩頂平均寬6 m，迎水坡比為1∶2.5，背水坡比為1∶3，正常水位95.9 m，總庫容144 萬m3，屬小( 1) 型水庫?，F(xiàn)有輸水涵為內(nèi)直徑0.4 m的鋼筋混凝土圓管涵，涵管全長(zhǎng)89 m，進(jìn)口高程為85.2 m，出口高程為80.48 m，設(shè)計(jì)流量為0.41 m3/s，輸水涵開關(guān)為斜拉桿涵。2009年對(duì)該水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固時(shí)，檢查發(fā)現(xiàn)存在輸水涵局部脫節(jié)漏水、涵頭消力池漿砌石脫落等安全隱患，必須處理才能確保水庫安全。鑒于該水庫大壩比較高，若采用破壩換管處理會(huì)對(duì)原壩體土的完整性造成嚴(yán)重破壞，回填土的壓實(shí)質(zhì)量也難得到保證，而且葵坑水庫壩體相對(duì)較高，長(zhǎng)度卻相對(duì)較短，用破壩方法改建輸水涵開挖回填土工程量和新建同樣的壩體相差無幾，通過經(jīng)濟(jì)比較采用采用破壩方案工程投資約30 萬元，工期3個(gè)月，采用頂管方案工程投資約20 萬元，工期20 d，因此經(jīng)方案比較后決定采用頂管的方法在老輸水涵旁邊新開一條輸水涵。

本次除險(xiǎn)加固重建輸水涵，采用刃口推進(jìn)工法頂管施工，涵管采用由有質(zhì)量保證資質(zhì)的正規(guī)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的內(nèi)直徑0.8 m的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管，輸水涵頭高程85 m，出口高程83.58 m，頂管長(zhǎng)87 m。本工程頂管長(zhǎng)度較短，采用從下游側(cè)向上游側(cè)單向頂進(jìn)。頂管前按照設(shè)計(jì)擬定的管線進(jìn)行放線，在水庫后坡輸水涵出水口位置設(shè)置頂管工作井，為結(jié)合出口消力池，工作井采用現(xiàn)澆C20混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)頂管要求的工作面擬定工作井平面尺寸長(zhǎng)4m×寬3m×深1.5m，然后進(jìn)行頂管力和工作井后靠背結(jié)構(gòu)抗力計(jì)算，以便確定采用的千斤頂和后靠背結(jié)構(gòu)。

2.1 頂力計(jì)算

( 以Φ800 mm 計(jì)算) 推力的理論計(jì)算:

式中:F 為總推力;F1為迎面阻力;F2為頂進(jìn)阻力。

式中: D 為管外徑0.96 m; P 為控制土壓力。

式中: Ko 為靜止土壓力系數(shù)，一般取0.55; Ho 為地面至掘進(jìn)機(jī)中心的厚度，取最大值19 m; γ 為土的濕重量，取1.9 t/m3。式中: f 為管外表面平均( 根據(jù)頂進(jìn)距離平均淤泥土) 綜合摩阻力，取0.8 t/m2; D 為管外徑0.96 m; L 為頂距，取最大值100 m。

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)2=241.2 t

因此，總推力F = 30 +241.2 = 271.2 t。

根據(jù)總推力、工作井所能承受的最大頂力及管材軸向允許推力比較后，取最小值作為油缸的總推力。工作井( Φ800 mm 頂管) 設(shè)計(jì)允許承受的最大頂力為400 t，管材軸向允許推力300 t，主頂油缸選用2 臺(tái)200 t(2000kN) 級(jí)油缸。每只油缸頂力控制在180 t以下，這可以通過油泵壓力來控制，千斤頂總推力360 t。

2.2 后靠背結(jié)構(gòu)的計(jì)算

后靠背是后背在頂力作用下，產(chǎn)生壓縮，壓縮方向與頂力作用方向一致，后背不允許出現(xiàn)上下或左右的不均勻壓縮，否則，千斤頂在余面后背上，造成頂進(jìn)偏差。為了保證頂進(jìn)質(zhì)量，施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行后背的強(qiáng)度和剛度計(jì)算。本工程后靠背采用現(xiàn)澆鋼筋C25 混凝土，寬3m×高2.5m×厚1m。

后靠背受力計(jì)算公式為:

式中:N 為千斤頂頂力取400 t; A =2.5 m2; f =18.5 MPa。

按上式計(jì)算，后靠背加護(hù)套后能承受457.9 t 頂力＞實(shí)際頂力400 t。

本次頂管選擇了有資質(zhì)的頂管施工隊(duì)進(jìn)行頂管施工，前期工作準(zhǔn)備就緒后開始頂管，10 d完成全部頂管工作。管道頂通后應(yīng)對(duì)接頭預(yù)留孔進(jìn)行灌漿(1∶1 水泥漿) ，灌到孔回漿為止。老涵封堵方法: 進(jìn)出口用C20 混凝土封堵，然后用灌漿機(jī)灌M10 水泥砂漿，使輸水老涵里充滿砂漿。

3 結(jié) 論

葵坑水庫是大埔縣第一個(gè)采用頂管新建輸水涵的工程，工程2010年4月完工至今運(yùn)行近兩年，未發(fā)現(xiàn)輸水涵有問題，頂管效果良好。通過該工程的實(shí)施，我們認(rèn)為，對(duì)于壩體較高的水庫大壩輸水涵重建采用頂管技術(shù)具有施工方法簡(jiǎn)便、工期短、費(fèi)用低、質(zhì)量易于保證等優(yōu)點(diǎn)，值得在水庫、堤防等穿堤壩建筑物處理時(shí)推廣使用。

［1］趙惠新，馬延廷，丁喜富. 頂管施工技術(shù)［J］. 黑龍江水利科技，1999，27(2) :92－93.