小型病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固引水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

尹艷萍

【摘要】本文將筆者近年來在小型水庫除險(xiǎn)引水系統(tǒng)加固設(shè)計(jì)實(shí)踐中積累總結(jié)的一些設(shè)計(jì)工作思路，加固方案選擇確定方法、結(jié)構(gòu)除險(xiǎn)加固處理措施等介紹出來與大家探討。

【關(guān)鍵詞】小型病險(xiǎn)水庫；除險(xiǎn)；加固；引水系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

1 引言

第一次全國水利普查結(jié)果的數(shù)據(jù)顯示：我國現(xiàn)有9.80萬座水庫，其中小型水庫9.33萬座。這些水庫大部分建于20世紀(jì)50～70年代，輸引水建筑物大部分為壩下埋設(shè)輸引水涵管，這些涵管管徑小，檢查維修困難，現(xiàn)在基本都出現(xiàn)了滲漏、裂縫、甚至斷裂，嚴(yán)重危及大壩安全，且一旦出現(xiàn)穿孔潰壩等險(xiǎn)情，將嚴(yán)重危及人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。水利是農(nóng)業(yè)的命脈，水庫是水利產(chǎn)業(yè)的重要設(shè)施，為使這些水庫安全運(yùn)行并繼續(xù)正常發(fā)揮效益，需要對(duì)它們進(jìn)行除險(xiǎn)加固。引水系統(tǒng)加固設(shè)計(jì)除必須遵循常規(guī)水利工程設(shè)計(jì)的規(guī)程、規(guī)范外，還要特別注重前期勘測(cè)及水庫原始資料數(shù)據(jù)的收集，圍繞險(xiǎn)情與除險(xiǎn)兩個(gè)根本點(diǎn)，科學(xué)決策確定加固建設(shè)方案。

2 基礎(chǔ)資料收集

加固工程與新建工程不同，在進(jìn)行設(shè)計(jì)前不僅要收集水庫原勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、運(yùn)行管理等方面的資料，還需要通過測(cè)繪、鉆探等手段來取得工程現(xiàn)狀的一手資料，以便進(jìn)行驗(yàn)收復(fù)核。工程建筑區(qū)表面情況通過踏勘測(cè)量比較直觀，容易進(jìn)行復(fù)核。建筑物基礎(chǔ)、內(nèi)在結(jié)構(gòu)、質(zhì)量等情況則相對(duì)較難準(zhǔn)確全面揭示，這也是與新建工程地勘工作有明顯區(qū)別的地方。

3 引水系統(tǒng)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)原則

在小型水庫引水系統(tǒng)加固中，為實(shí)現(xiàn)根除病患的目的，堅(jiān)持以下幾點(diǎn)加固設(shè)計(jì)原則，對(duì)確定小型水庫引水系統(tǒng)加固設(shè)計(jì)方案的選擇非常重要。

3.1 輸引水建筑物與大壩“能分則分”

只要條件允許原壩內(nèi)輸引水涵洞盡量易址壩外重建，與大壩分開。原小型水庫大部分為壩下埋設(shè)輸引水涵管，這些涵管管徑小、檢查維修困難，現(xiàn)在基本都出現(xiàn)了滲漏、裂縫、甚至斷裂，嚴(yán)重危及大壩安全，有的甚至被淤泥堵塞，失去輸水功能。如直接對(duì)原涵管進(jìn)行加固，很難徹底解決問題，而采用在大壩外山體另外選址新開挖隧洞進(jìn)行輸引水，對(duì)原涵管進(jìn)行封堵加固設(shè)計(jì)方案，則可一勞永逸，即使輸引水隧洞出現(xiàn)狀況，也不會(huì)直接影響大壩。

3.2 結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、兼顧美觀

小型水庫引水系統(tǒng)主要存在結(jié)構(gòu)不安全的問題體現(xiàn)為：裂縫、剝蝕、漏水；涵（洞）外圍接觸性破壞、有滲漏通道；進(jìn)水口閘門及啟閉設(shè)備老化、控制失靈等。首先全面掌握水庫引水系統(tǒng)存在哪些病險(xiǎn)情況，徹底查找分析計(jì)算產(chǎn)生病險(xiǎn)原因，再針對(duì)病險(xiǎn)原因有的放矢，采用行之有效的加固處理方案，做到確保結(jié)構(gòu)安全的情況下，經(jīng)濟(jì)實(shí)用、兼顧美觀，使水利工程內(nèi)部安全，外表生態(tài)美觀大方。

4 引水系統(tǒng)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案選擇

4.1 套管方案

直接在原壩內(nèi)洞（涵）進(jìn)行加固處理，對(duì)內(nèi)徑1.0m以上的洞（涵）管可采用內(nèi)套鋼管，沿放水涵管外壁兩側(cè)進(jìn)行充填灌漿，此方案不用易址，不牽涉征地問題，洞線最短，施工相對(duì)簡(jiǎn)單。

4.2 重建方案

小型水庫引水系統(tǒng)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)首選重建方案，重建一般有易址重建、破壩重建、頂管三種方案。優(yōu)先采用易址壩外開挖隧洞、虹吸管，使引水系統(tǒng)與大壩徹底分開，消除壩下人工建筑隱患。在庫區(qū)內(nèi)大壩兩邊山體地質(zhì)條件好可以采用新開隧洞方案，若沒有條件易址并新開隧洞時(shí)，建議采用破壩重建或頂管方案。當(dāng)壩高在10m以下時(shí)，可考慮破壩挖除老涵管、重新澆筑混凝土新涵管；壩高大于10m時(shí)，建議采用頂管的方法，在壩下新建引水涵管。

5 引水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案選擇

小型水庫引水系統(tǒng)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮易址壩外開挖隧洞重建方案，本人在2008年至2013年期間共獨(dú)立完成13座小型水庫引水系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)，其中11座水庫為隧洞引水，1座水庫為頂管，1座水庫為壩后廠房發(fā)電兼灌溉放水，隧洞引水占85%，以下重點(diǎn)介紹隧洞引水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5.1 隧洞進(jìn)口建筑物型式選擇

隧洞軸線一般布置在水庫原引水涵管同一岸，以便隧洞出口與灌溉渠道連接，因此進(jìn)口建筑物布置在水庫原引水涵管進(jìn)口附近。隧洞一般分為進(jìn)口、洞身和出口三部分。隧洞進(jìn)口建筑物常用型式有豎井式、塔式和梯級(jí)式取水三種，進(jìn)口建筑物三種型式各有其優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)地形地質(zhì)和水流條件以及施工、運(yùn)行條件等各種因素全面分析考慮。水庫壩高于10m，壩肩兩岸山體高，岸坡較陡，山體覆蓋土層較薄，巖石較堅(jiān)固一般選擇豎井式。豎井式進(jìn)口的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性較好，運(yùn)用方便，缺點(diǎn)是新建進(jìn)口建筑物位置要重新征地，對(duì)征地有困難的水庫不宜選擇此型式。水庫壩高于10m，河岸地質(zhì)條件較差，岸坡較緩，山體覆蓋土層較厚，一般選擇塔式。塔式進(jìn)口的優(yōu)點(diǎn)是工作安全可靠，新建進(jìn)口建筑物布置在水庫內(nèi)，不牽涉到征地，缺點(diǎn)是需要設(shè)工作橋與岸坡連接，造價(jià)較高。作用水頭較低或根據(jù)運(yùn)用要求只需設(shè)一道閘門時(shí)，進(jìn)水塔可用框架式的，可以節(jié)省工程量并便于施工。水庫壩高小于10m，壩肩兩岸山體不高，岸坡較緩，山體覆蓋土層較厚，設(shè)計(jì)水位和正常水位高差不大，一般選擇梯級(jí)取水。

5.2 隧洞洞身斷面尺寸和襯砌型式確定

由于小型水庫灌溉引水流量不大，最大放水流量一般小于1.0m3/s，隧洞為無壓隧洞，洞身橫斷面型式常用有圓拱直墻形。由于引水流量較小，施工最小斷面能滿足灌溉過水流量，隧洞斷面尺寸主要由施工最小斷面確定，為便于施工，隧洞尺寸按規(guī)范應(yīng)小于1.5m×1.8m（寬×高），但由于小型水庫資金困難，為節(jié)省投資，一般隧洞尺寸為1.2m×1.7m（寬×高）。在選擇隧洞襯砌型式時(shí)應(yīng)在確保安全的前提下，充分利用圍巖的承載能力，對(duì)于斷面尺寸較大、水文地質(zhì)條件較差無壓隧洞采用單層鋼筋混凝土襯砌，最小厚度20cm。在巖石堅(jiān)硬、完整、抗風(fēng)化能力強(qiáng)、透水性小、洞內(nèi)水流不致沖刷破壞巖石且滲水不影響相鄰建筑物和山坡穩(wěn)定的隧洞全線或部分地段，也可不襯砌。

5.3 隧洞進(jìn)口建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要部分確定

在進(jìn)行隧洞進(jìn)口建筑物設(shè)計(jì)時(shí)，除了嚴(yán)格按照相關(guān)的規(guī)程、規(guī)范設(shè)計(jì)外，還應(yīng)注意設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)技巧，在確保建筑物安全的情況下，提高設(shè)計(jì)效率。

小型水庫引水系統(tǒng)隧洞進(jìn)口建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由多個(gè)板、梁、柱組成，構(gòu)件較多，結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)容多，因此在進(jìn)行隧洞進(jìn)口建筑物設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)其在最不利工況下，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，確定哪些主要受力構(gòu)件，對(duì)主要受力構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算，其他次梁和板按構(gòu)造配筋。

三種隧洞進(jìn)口建筑物中，常用的是塔式。塔式進(jìn)水口修建在隧洞進(jìn)口，四周為封閉的塔架并用橋與岸坡連接。封閉的塔架采用鋼筋混凝土澆筑，有檢修閘室和工作閘室，在水頭不高時(shí)主要計(jì)算工作閘室井壁配筋，檢修閘室井壁配筋可按構(gòu)造配筋；啟閉室主要計(jì)算承受啟閉設(shè)備的主梁和由此梁傳遞荷載到其他的梁和柱；連接岸坡的交通橋主要計(jì)算主梁配筋，其他次梁和板的配筋按構(gòu)造配筋。豎井式進(jìn)水口是在隧洞前端河岸巖石中開挖一個(gè)豎井，井壁用鋼筋混凝土襯砌，井內(nèi)設(shè)置閘門，井上部設(shè)閘門啟閉機(jī)和操作室。有檢修閘室和工作閘室，主要計(jì)算豎井承受較大外水壓力時(shí)，檢修閘室與工作閘室之間的隔板配筋；啟閉室結(jié)構(gòu)計(jì)算同塔式一樣。梯級(jí)式取水結(jié)構(gòu)計(jì)算相對(duì)較簡(jiǎn)單，主要計(jì)算消力池蓋板配筋。

6 結(jié)束語

水庫引水系統(tǒng)加固設(shè)計(jì)是小型病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)三大建筑物設(shè)計(jì)之一，盡管我國小型病險(xiǎn)水庫數(shù)量眾多、險(xiǎn)情復(fù)雜、隱蔽性強(qiáng)、時(shí)間緊、任務(wù)重，但只要我們遵循客觀規(guī)律、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，重視前期勘測(cè)、認(rèn)真收集基礎(chǔ)資料，嚴(yán)格按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算分析，有的放矢，提出經(jīng)濟(jì)合理、切實(shí)有效的加固設(shè)計(jì)方案，做到加固一座，脫險(xiǎn)一座，使水庫早日正常發(fā)揮效益，人民安居樂業(yè)。

【參考文獻(xiàn)】

黃恒康.小型病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)探討.水利建設(shè)與管理，2013（12）總第244期