腰堡水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)

劉宇

（遼寧省大伙房水庫(kù)管理局撫順市113007）

腰堡水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)

劉宇

（遼寧省大伙房水庫(kù)管理局撫順市113007）

結(jié)合腰堡水庫(kù)運(yùn)行現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，對(duì)水庫(kù)輸水洞進(jìn)行除險(xiǎn)加固的總體工程方案設(shè)計(jì)，計(jì)算分析了襯砌鋼管壁厚、輸水洞設(shè)計(jì)流量、輸水洞泄流能力，并開(kāi)展回填灌漿與固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)，通過(guò)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)與計(jì)算分析，得出的工程設(shè)計(jì)符合相關(guān)規(guī)范要求，滿足水庫(kù)的安全運(yùn)行與管理。

除險(xiǎn)和加固工程設(shè)計(jì)腰堡水庫(kù)

腰堡水庫(kù)位于社河支流腰堡河，1958年興建，1979年竣工。水庫(kù)總庫(kù)容為2 047.89萬(wàn)m3，樞紐等別為三等工程，永久性建筑物為三級(jí)。原設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇洪水，保壩標(biāo)準(zhǔn)為5 000年一遇洪水。除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用1 000年一遇洪水。由于工程規(guī)模已幾次變更，輸水洞在設(shè)計(jì)上和施工中存在很多問(wèn)題，腰堡水庫(kù)輸水洞為壩下埋管，存在洞身混凝土剝蝕嚴(yán)重、接縫多處開(kāi)裂漏水、啟閉機(jī)室工作橋剛度不足。豎井檢修閘門(mén)、啟閉機(jī)銹蝕、老化，啟閉機(jī)滾筒不對(duì)稱(chēng)，不能平穩(wěn)啟閉，且起門(mén)力不足。輸水洞工程存在的問(wèn)題為設(shè)備老化，輸水洞曾出現(xiàn)過(guò)5條裂縫，用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行加固，但漏水仍很?chē)?yán)重。

鑒于腰堡水庫(kù)輸水洞各部出現(xiàn)多處安全隱患，水庫(kù)處于十分危險(xiǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，若水庫(kù)一旦失事將影響到下游村鎮(zhèn)全體人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此腰堡水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程是十分迫切和必要的。

1 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案

輸水洞位于左岸坡地上，洞中心線位于大壩樁號(hào)0+284.64 m處。輸水洞是壩下埋管式，為1.2 m×1.2 m方形有壓洞。洞全長(zhǎng)124.10 m，由進(jìn)口段、洞身、分岔段和出口消力池組成。洞進(jìn)口高程102.00 m，出口底高程96.20 m，洞底平均比降為4.67%。本次加固后進(jìn)口段、分岔段和出口消力池均保持不變，洞身段由原來(lái)1.2 m×1.2 m的方形涵洞變?yōu)橹睆?.0 m的鋼管。

地下埋管是鋼襯與巖體之間用混凝土進(jìn)行回填后共同受力組合結(jié)構(gòu)。鋼管與圍巖之間回填的混凝土僅起傳遞徑向內(nèi)壓力而不必承受環(huán)向拉力，因此混凝土標(biāo)號(hào)不必太高，但也不宜低于150號(hào)。更重要的是采用合適的原材料和級(jí)配，合理的輸送、澆注和振搗工藝，以保證回填灌漿混凝土密實(shí)、均勻并和圍巖及鋼襯密切結(jié)合。

2 輸水洞除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)

2.1 襯砌鋼管壁厚計(jì)算

（1）鋼管單獨(dú)承受內(nèi)壓力。

鋼管結(jié)構(gòu)的抗力限值計(jì)算：

式中σR——鋼管結(jié)構(gòu)的抗力限值；

r0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，r0=1.0；

Ψ——設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，Ψ=1.0；

rd——結(jié)構(gòu)系數(shù)，rd=103（地下埋深）；

f——鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，f=215（Q235）。

經(jīng)計(jì)算，σR=165.3 N/mm2

襯砌鋼管壁厚計(jì)算：

式中p——內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)值，p=2 N/mm2；

r——鋼管內(nèi)半徑，r=500 mm；

σR——鋼管結(jié)構(gòu)的抗力限值，σR=165.3 N/mm2。

經(jīng)計(jì)算，δ=6 mm

（2）鋼管抗外壓穩(wěn)定分析。

經(jīng)驗(yàn)公式：

式中pcr——抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計(jì)算值（N/mm2）；

σs——鋼材屈服點(diǎn)，σs=235 N/mm2。

經(jīng)計(jì)算，pcr=1.3 N/mm2

因?yàn)镵cPok≤pcr，Kc=2.0，Pok=0.3 MPa，則KcPok=2× 0.3=0.6≤pcr=1.3 MPa，因此滿足要求。

2.2 輸水洞設(shè)計(jì)流量計(jì)算

輸水洞承擔(dān)農(nóng)業(yè)灌溉和發(fā)電兩項(xiàng)任務(wù)，設(shè)計(jì)流量為農(nóng)業(yè)灌溉和發(fā)電供水流量用水流量之和。

2.3 輸水洞泄流能力計(jì)算

2.3.1 泄流能力計(jì)算

因輸水洞兼做施工導(dǎo)流用，洞徑為1.2×1.2 m，泄流能力按下式計(jì)算：

式中μ——流量系數(shù)；

ω——出口斷面面積；

H0——包括行進(jìn)流速水頭的上游水位與出口底高程差值；

hp——出口斷面水的平均單位勢(shì)能。

2.3.2 基本參數(shù)計(jì)算

（1）流量系數(shù)μ。

①各種局部能量損失之和計(jì)算

∑ζ=ζ進(jìn)口+ζ門(mén)槽+ζ彎+ζ出口+ζ攔

式中ζ進(jìn)口——進(jìn)口損失系數(shù)；

ζ門(mén)槽——門(mén)槽損失系數(shù)；

ζ彎——彎處損失系數(shù)；

ζ出口——出口損失系數(shù)；

ζ攔——攔污柵損失系。

經(jīng)計(jì)算，∑ζ=0.01+0.1+0.3+0.3+0.04=0.75

②流量系數(shù)μ計(jì)算。

式中g(shù)——重力加速度；

R——水力半徑；

L——洞身長(zhǎng)度；

C——謝才系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，流量系數(shù)μ=0.439

（2）出口斷面面積ω計(jì)算。

農(nóng)業(yè)灌溉管Φ 1 000 mm，面積ω=0.785 m2；發(fā)電管Φ 900 mm，面積ω=0.636 m2。

（3）出口斷面勢(shì)能hp計(jì)算。

式中β——?jiǎng)菽苄拚禂?shù)；

d——管直徑。

經(jīng)計(jì)算：農(nóng)業(yè)灌溉管hp2=β2×d2=0.5×1=0.5 m；

發(fā)電管hp3=β3×d3=0.5×0.9=0.45 m。

2.3.3 水洞水位～流量關(guān)系曲線計(jì)算

（1）庫(kù)水位在103.44 m以下進(jìn)口按無(wú)壓流公式計(jì)算。

式中Q——泄流量（m3/s）；

m——流量系數(shù)，對(duì)八字形進(jìn)口取m=0.34；

ε——側(cè)收縮系數(shù)，ε=1-0.2 KH0/b=0.95；

b——隧洞過(guò)水?dāng)嗝鎸挾?，b=1.2。

經(jīng)計(jì)算：Q農(nóng)=1.431 H03/2；Q電=1.431 H03/2。

（2）庫(kù)水位在103.44 m以上時(shí)出口壓力流控制。

2.3.4 回填灌漿及固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)

（1）回填灌漿設(shè)計(jì)。

回填灌漿的設(shè)計(jì)項(xiàng)目主要是布置灌漿孔，確定孔距和排距，提出灌漿標(biāo)準(zhǔn)和灌漿壓力等?；靥罟酀{孔的布置初步設(shè)計(jì):①灌漿范圍：洞頂120°范圍內(nèi)；②排距和孔距：排距4.0 m，孔距4.45 m，每斷面6孔，與固結(jié)灌漿孔分排間隔布置；③灌漿孔深入圍巖10 cm；④灌漿壓力為（0.3～0.5）MPa。

（2）固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)。

固結(jié)灌漿的目的在于加固圍巖，提高圍巖的整體性，減少?lài)鷰r壓力，保證巖石的彈性抗力，減小地下水對(duì)襯砌的壓力和減小滲漏。固結(jié)灌漿孔的布置初步設(shè)計(jì)為:①灌漿范圍：整個(gè)洞圈；②排距和孔距：應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)灌漿實(shí)驗(yàn)確定，擬訂排距4.0 m，孔距4.45 m，每斷面6孔，梅花形布置，每排錯(cuò)開(kāi)且與回填灌漿孔分排間隔布置；③灌漿孔深入圍巖10 m；④灌漿壓力為(1.0～3.5)MPa。

3 結(jié)論

腰堡水庫(kù)輸水洞除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)的襯砌鋼管壁厚計(jì)算與鋼管抗外壓穩(wěn)定分析、輸水洞設(shè)計(jì)流量計(jì)算、輸水洞泄流能力計(jì)算、水洞水位流量關(guān)系計(jì)算、公式選擇、參數(shù)選取等符合規(guī)范要求。水庫(kù)輸水洞除險(xiǎn)加固后，能夠延長(zhǎng)水庫(kù)的運(yùn)行時(shí)間，提高水庫(kù)自身的防洪效益，同時(shí)水庫(kù)正常運(yùn)行為灌溉和綜合利用發(fā)揮其工程社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益提供了保障。

表1 水洞水位與流量計(jì)算成果表

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表6 原方案及優(yōu)化方案的成本系數(shù)

固設(shè)計(jì)方案的選擇。同時(shí)，考慮到工程經(jīng)驗(yàn)的價(jià)值，結(jié)合帕累托分析法的原理，可適當(dāng)?shù)膮⒖紝?zhuān)家的意見(jiàn)來(lái)確定價(jià)值評(píng)定的對(duì)象和水庫(kù)出現(xiàn)加固功能分析。

（2）運(yùn)用價(jià)值工程理論優(yōu)化了陰坡水庫(kù)除險(xiǎn)加固的設(shè)計(jì)方案。確定研究對(duì)象，定量計(jì)算原方案的價(jià)值系數(shù)，對(duì)原方案進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，確定出優(yōu)化方案，同時(shí)為投資決策提供依據(jù)。

（3）價(jià)值工程的目的是在幫助人們對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行可靠地技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，是一種促使資源最優(yōu)利用的系統(tǒng)分析方法。在現(xiàn)階段來(lái)看，我國(guó)工程界對(duì)價(jià)值工程的理論和技術(shù)重視程度不夠，尤其是水庫(kù)除險(xiǎn)加固項(xiàng)目未能充分理解資源優(yōu)化配置的概念，但是作為一線的技術(shù)人員，可以通過(guò)實(shí)際的項(xiàng)目來(lái)推進(jìn)價(jià)值工程在工程項(xiàng)目上的應(yīng)用，使資源得到優(yōu)化配置，讓價(jià)值工程充分發(fā)揮其價(jià)值。

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（收稿日期：2016-11-17）

2016-09-19）

劉宇（1983-），男，工程師，主要從事水利工程管理工作。