天生橋水庫(kù)輸水隧洞安全復(fù)核及除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

楊 武，譚劍波(.貴州黔水工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 55000；.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 700)

天生橋水庫(kù)輸水隧洞安全復(fù)核及除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

楊 武1，譚劍波2
(1.貴州黔水工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

針對(duì)天生橋水庫(kù)輸水隧洞存在的建設(shè)質(zhì)量差，邊坡穩(wěn)定性差、易形成高陡邊坡等安全質(zhì)量問題，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)合原設(shè)計(jì)資料及現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)進(jìn)水口和隧洞體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了安全復(fù)核.經(jīng)水力計(jì)算、襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)配筋及裂縫開展寬度計(jì)算等論證分析，結(jié)果表明隧洞過流能力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足規(guī)范要求.設(shè)計(jì)采用邊坡錨固支護(hù)、拆除重建、回填固結(jié)灌漿等方案，輸水隧洞整體性、完善性得到有效加固修復(fù).

天生橋水庫(kù)；輸水隧洞；安全復(fù)核；除險(xiǎn)加固

1 工程概況

天生橋水利水電樞紐工程位于貴州省安龍縣珠江流域西江水系上游，是一座以城市防洪和農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖和生態(tài)旅游等功能的綜合性水利工程，其壩址以上控制流域面積211.7 km2，正常蓄水位675.50 m，死水位651.50，水庫(kù)總庫(kù)容為1.25×108m3，壩頂高程682.50 m，灌溉面積3 100 ha，總裝機(jī)12 MW.根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252—2000)及《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201—2014)[1],水庫(kù)庫(kù)容鑒于1.0×108～10×108m3之間，為大(2)型水庫(kù)，工程等別為Ⅲ等.

2 水庫(kù)輸水方案及運(yùn)行現(xiàn)狀

根據(jù)天生橋水庫(kù)樞紐布置，輸水系統(tǒng)布置在右岸山體中，設(shè)計(jì)方案為：岸塔式進(jìn)水口+輸水隧洞+發(fā)電引水岔管等組成.其中：岸塔式進(jìn)水口總長(zhǎng)15 m，底板高程為638.20 m，設(shè)置攔污柵、工作門和檢修門等金屬結(jié)構(gòu).工作門和檢修門其孔口尺寸均為3.0 m(寬)×4.0 m(高)，檢修門采用疊梁門，工作門采用雙吊點(diǎn)鋼閘門.進(jìn)水口處設(shè)通氣孔兼檢修進(jìn)人孔，斷面尺寸為4.0 m×1.2 m.進(jìn)水塔塔頂高程為678.80 m，塔頂設(shè)置啟閉機(jī)排架，操控平臺(tái)高程為684.30 m.

天生橋水庫(kù)輸水隧洞采用鉆爆法開挖，全長(zhǎng)656.50 m，進(jìn)口中心高程640.50 m，出口中心線高程622.25 m，隧洞引水高差18.25 m.主洞開挖洞徑為3.4 m，襯砌支護(hù)后凈洞徑為2.8 m.隧洞出口段與發(fā)電引水岔管相連，三臺(tái)機(jī)共設(shè)置三條發(fā)電引水岔管，管徑1.50 m.整個(gè)輸水系統(tǒng)均采用鋼筋混凝土進(jìn)行襯砌支護(hù)，部分地質(zhì)條件較差洞段還采取回填及固結(jié)灌漿加固處理.工程于2002年投入運(yùn)行，投運(yùn)初期整體運(yùn)行狀況良好，經(jīng)過10余年運(yùn)行，輸水系統(tǒng)暴露出較多安全質(zhì)量問題，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

(1)在閘門啟閉過程中，進(jìn)水口塔頂上方排架柱振動(dòng)較大、變形較為嚴(yán)重.經(jīng)結(jié)構(gòu)安全復(fù)核，進(jìn)水口排架柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)不到規(guī)范允許安全系數(shù)，不能滿足安全運(yùn)行要求.進(jìn)水口邊坡加固性能不佳，巖體較破碎，整體穩(wěn)定性較差.進(jìn)水口八字墻鋼筋混凝土外觀存在嚴(yán)重的蜂窩麻面、孔洞及露筋等問題.進(jìn)人孔爬梯、啟閉機(jī)操控平臺(tái)護(hù)欄等結(jié)構(gòu)銹蝕嚴(yán)重.輸水隧洞主體襯砌支護(hù)混凝土局部質(zhì)量較差，蜂窩、裂隙、空洞及滲水等部位較多，雖經(jīng)多次PCC砂漿修補(bǔ)處理，但整體防護(hù)效果不佳.

(2)進(jìn)水口處工作閘門卡阻無法正常啟閉到位，檢修門槽銹蝕嚴(yán)重，使得整個(gè)輸水系統(tǒng)不能進(jìn)行相應(yīng)的定期檢查和養(yǎng)護(hù)；啟閉設(shè)備性能嚴(yán)重降低，無法正常啟閉閘門，且控制手段嚴(yán)重滯后.經(jīng)金屬結(jié)構(gòu)安全復(fù)核，工作閘門面板、主梁、次梁的承載力均不滿足規(guī)范要求.

3 水庫(kù)輸水系統(tǒng)安全復(fù)核

3.1 隧洞過流能力復(fù)核

(1)水頭損失計(jì)算

天生橋水庫(kù)輸水隧洞全長(zhǎng)為656.50 m，進(jìn)口中心高程640.50 m，引水高差18.25 m.主洞襯砌支護(hù)后凈洞徑2.8 m，為鋼筋混凝土圓型結(jié)構(gòu).不同洞段洞身采用鋼板或鋼筋混凝土襯砌，其糙率分別取n1=0.012，n2=0.014.采用均勻流摩阻及曼寧公式計(jì)算隧洞沿程水頭損失，成果為：輸水隧洞沿程水頭損失0.861 2 m，局部水頭損失0.947 1 m，總水頭損失1.808 3 m.

(2)過流能力復(fù)核

由于輸水隧洞出口段直接與發(fā)電引水岔管相連，設(shè)計(jì)引水流量為15.35 m3/s.按有壓簡(jiǎn)單管道自由出流進(jìn)行過流能力計(jì)算，流量系數(shù)=0.444.計(jì)算得輸水隧洞流量與庫(kù)水位間的關(guān)系成果(見表1).

表1 輸水隧洞流量與庫(kù)水位間的關(guān)系成果

庫(kù)水位/m640.5645.5650.5655.5660.5665.5670.5675.5677.7流量/(m3/s)9.6811.0212.2313.3314.3615.316.217.0817.43

從表1可知：正常蓄水位(675.5 m)時(shí)，輸水隧洞的過流流量為17.08 m3/s，能夠滿足設(shè)計(jì)流量15.35 m3/s的過流需求.

3.2 輸水隧洞結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

(1)基本參數(shù)

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，隧洞按全斷面鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，襯砌支護(hù)后凈洞徑2.8 m，洞身不同部位襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)現(xiàn)在混凝土標(biāo)號(hào)為C15或C20，襯砌厚0.4 m.根據(jù)《水工混凝土鋼筋施工規(guī)范》(DL/T5169—2002)[2]和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)，I級(jí)HPB300鋼筋彈性模量Es=2.1×105N/mm2，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=210 N/mm2；根據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》(SL677—2014)和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)[3]，C15混凝土彈性模量Ec=2.2×104N/mm2，C20混凝土彈性模量Ec=2.55×104N/mm2，泊松比Vc=0.167.隧洞以Ⅰ類和Ⅱ類圍巖為主，局部存在條件較差Ⅲ類圍巖.

(2)計(jì)算工況及荷載基本組合

隧洞已建成投運(yùn)，按正常運(yùn)行工況(正常蓄水位675.50 m)和檢修養(yǎng)護(hù)工況進(jìn)行計(jì)算，即：①正常運(yùn)行工況，其荷載基本組合為：山巖壓力+襯砌自重+內(nèi)水壓力+外水壓力+彈性抗力[4].②檢修養(yǎng)護(hù)工況，其荷載基本組合為：山巖壓力+襯砌自重+外水壓力+彈性抗力.

(3)洞身斷面參數(shù)

輸水隧洞其圍巖以花崗巖為主，根據(jù)斷面圍巖情況分為甲～戊共5種典型斷面，按正常運(yùn)行工況和檢修養(yǎng)護(hù)工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性復(fù)核計(jì)算，5種典型斷面基本參數(shù)(見表2).

(4)隧洞配筋及支護(hù)襯砌參數(shù)

根據(jù)原設(shè)計(jì)文件和竣工圖等資料，輸水隧洞采用內(nèi)外雙層鋼筋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)，襯砌支護(hù)后凈洞徑為2.8 m，其隧洞典型橫斷面配筋(見圖1).5種典型斷面配筋均采用Φ16鋼筋，其襯砌厚度及鋼筋間距(見表3).

(5)安全復(fù)核成果

采用水工隧洞混凝土軟件包中的“混凝土襯砌計(jì)算模塊”，將工程特性參數(shù)輸入后，獲得輸水隧洞安全復(fù)核成果(見表4).

表2 洞身典型斷面計(jì)算參數(shù)

地質(zhì)巖性花崗巖樁號(hào)0～5050～135135～305305～365365～400400～550550～656斷面類型甲乙乙、丙戊丙丁戊內(nèi)水壓力/m37.5837.5855.5155.5155.5155.8655.86fk3～44～56～83～46～85～63～4k0/(MPa/cm)15～2020～3040～5015～2540～5030～4015～25

注：fk為巖石的堅(jiān)固系數(shù)；k0為巖石彈性抗力系數(shù)

圖1 輸水隧洞典型斷面配筋

斷面類型襯砌厚度t/mm鋼筋間距(A)甲350@150乙350@125丙450@110丁450@110戊450@90

表4 輸水隧洞計(jì)算成果表

工況襯砌類型襯砌厚度/mm配筋計(jì)算鋼筋實(shí)配鋼筋裂縫寬度/mm計(jì)算值規(guī)范值正常運(yùn)行期檢修養(yǎng)護(hù)期甲350?16@150?16@1500.190.25350?10@200?16@15000.25正常運(yùn)行期檢修養(yǎng)護(hù)期乙350?16@131?16@1250.110.25350?10@131?16@12500.25正常運(yùn)行期檢修養(yǎng)護(hù)期丙450?16@115?16@1100.170.25450?10@123?16@11000.25正常運(yùn)行期檢修養(yǎng)護(hù)期丁450?16@115?16@1100.210.25450?10@123?16@11000.25正常運(yùn)行期檢修養(yǎng)護(hù)期戊450?16@96?16@900.200.25450?10@123?16@9000.25

從表4可知，隧洞雙層配筋結(jié)構(gòu)中的實(shí)際配筋密度比計(jì)算配筋大，滿足鋼筋混凝土襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，且裂縫開展寬度計(jì)算值均在規(guī)范允許指標(biāo)范圍內(nèi).

3.3 進(jìn)水口排架結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

(1)基本參數(shù)

引水發(fā)電進(jìn)水口原設(shè)計(jì)采用岸塔式進(jìn)水口，總長(zhǎng)15 m，底板高程為638.20 m.閘門啟閉排架柱，其斷面尺寸為0.3 m(寬)×0.3 m(深)×5.5 m(高)，C20鋼筋混凝土，對(duì)稱均勻配筋，2Φ16受力鋼筋.排架上主梁斷面尺寸為0.3 m(寬)×0.55 m(高)×5 m(長(zhǎng))，C20鋼筋混凝土，1Φ16+2Φ22對(duì)稱均勻配筋.

(2)結(jié)構(gòu)計(jì)算及成果分析

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)可知，排架柱尺寸由于當(dāng)時(shí)施工放樣、質(zhì)量監(jiān)控不到位等導(dǎo)致尺寸偏小，現(xiàn)狀斷面尺寸為0.27 m(寬)×0.27 m(深)×5.5 m(高).配筋依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)、《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191—2008)[5-6]等推薦公式進(jìn)行計(jì)算,得排架柱所受彎矩M=82.26 kN·m，相應(yīng)其軸力N=142.80 kN.經(jīng)計(jì)算梁的縱向受拉鋼筋A(yù)s=595 mm2，而排架柱現(xiàn)狀實(shí)際受力鋼筋為2Φ16(As=402 mm2)，鋼筋橫截面積達(dá)不到規(guī)范指標(biāo)要求，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求.

4 輸水隧洞除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

天生橋水庫(kù)輸水隧洞進(jìn)水口排架柱，由于其現(xiàn)狀尺寸比原設(shè)計(jì)尺寸小，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不能滿足規(guī)范要求.雖然隧洞整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，但由于進(jìn)水口邊坡和局部洞段存在混凝土質(zhì)量問題，不能保障正常引水發(fā)電需求，需采取相應(yīng)的除險(xiǎn)加固措施，提高水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)和引水效率，確保水庫(kù)高效穩(wěn)定運(yùn)行.

(1)進(jìn)水口邊坡除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案：針對(duì)進(jìn)水口邊坡存在塊體塌滑，上部邊坡出現(xiàn)蠕變及裂縫問題，設(shè)計(jì)采用錨噴措施進(jìn)行加固處理，即：首先在進(jìn)水口邊坡坡面噴一層厚15 cm的C20混凝土，然后鋪設(shè)一層φ8@200鋼筋防護(hù)網(wǎng)，用φ25錨桿錨入巖石進(jìn)行加固.錨桿入巖深4 m，間距2.5 m，梅花型均布；在死水位651.50 m高程以上水位變幅區(qū)布設(shè)PVC花管作為排水孔，孔深4 m，孔徑80 mm，孔距2 m，梅花型均布.

(2)進(jìn)水口除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案：對(duì)不滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的排架柱及啟閉機(jī)室進(jìn)行拆除重建，新排架柱斷面尺寸為0.35 m(寬)×0.60 m(高)×5 m(長(zhǎng))；更換進(jìn)人口爬梯及各類安全防護(hù)欄；對(duì)進(jìn)水口八字墻等部位存在外觀弊病的混凝土，通過鑿除質(zhì)量缺陷表面混凝土，并采用環(huán)氧砂漿抹面進(jìn)行加固修補(bǔ)，恢復(fù)進(jìn)水口的完整性.

(3)輸水隧洞除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案.對(duì)洞身存在外觀弊病的混凝土，其修復(fù)同進(jìn)水口缺陷混凝土處理方案.對(duì)局部由于地質(zhì)條件相對(duì)較差的Ⅲ類圍巖洞段，先采用回填灌漿將圍巖頂拱150°空洞填實(shí)，孔深0.2 m，孔距2.5 m，每排6孔均布.同時(shí)，為增強(qiáng)洞身防滲性能，提高輸水效率，采用固結(jié)灌漿[7]，灌漿孔深5 m，采用風(fēng)鉆鉆孔，孔距4.0 m，每排12孔均布.

5 結(jié) 論

天生橋水庫(kù)輸水系統(tǒng)由于地形地質(zhì)條件較復(fù)雜、施工質(zhì)量監(jiān)控不到位等原因，加上10余年運(yùn)行，出現(xiàn)進(jìn)水口邊坡塊體塌滑、進(jìn)水口排架柱振動(dòng)變形、表面混凝土質(zhì)量缺陷等問題，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均較差.為確保水庫(kù)具有較高安全性，提高輸水效率，對(duì)進(jìn)水口排架柱、輸水隧洞的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了安全復(fù)核，并提出相應(yīng)的除險(xiǎn)加固方案.

(1)安全復(fù)核成果表明，隧洞過流能力、隧洞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和裂縫開展寬度均能滿足設(shè)計(jì)引流能力和規(guī)范技術(shù)指標(biāo)要求.進(jìn)水口排架柱受力鋼筋橫截面積達(dá)不到規(guī)范指標(biāo)要求.

(2)結(jié)合安全復(fù)核結(jié)果，針對(duì)不同質(zhì)量安全問題，采取不同的加固修復(fù)措施，即：進(jìn)水口邊坡塌滑采用錨噴措施進(jìn)行加固處理；進(jìn)水口排架采取拆除重建加固處理；進(jìn)水口及洞身現(xiàn)存的外觀弊病表面混凝土，采取表面鑿除，環(huán)氧砂漿抹面的加固修補(bǔ)方案.

(3)采取合理的邊坡錨固支護(hù)、深挖回填、固結(jié)灌漿等除險(xiǎn)加固修復(fù)處理，輸水隧洞整體性、完善性均得到大大提高.從2013年修復(fù)竣工后，歷經(jīng)兩年大流量洪水考驗(yàn)，工程整體運(yùn)行狀況良好.

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On Security Review and Reinforcement of Water Conveyance Tunnel in Tianshengqiao Reservoir

YANG Wu1, TAN Jian-bo2
(1.Guizhou Qianshui Engineering Supervision Co., Ltd, Guiyang 550002, China;
2.Yangling Vocational and Technical College, Yangling 712100, China)

The safety and quality problems in water conveyance tunnel of Tianshengqiao Reservoir are introduced, including the poor construction quality, the poor slope stability which is easy to form a high and steep slope. Based on the site reconnaissance, the design data, the current specifications and standards, the structural strength safety review for the water inlet and tunnel has been done. From the hydraulic calculation, the reinforcing bars and crack width calculation for the tunnel lining supporting structure, and others analysis, the results show that: the flow capacity and structural strength of the water conveyance tunnel can meet the specification requirements. The practical and feasible reinforcement with slope anchor supporting, demolition and reconstruction, backfill consolidation grouting and other design scheme has been proposed, the integrity and reliability of water conveyance tunnel is effectively reinforced and repaired.

Tianshengqiao Reservoir; water conveyance tunnel; safety review; reinforcement

TV672

B

1008-536X(2016)08-0036-04

2016-02-13

楊 武(1960-)，男，貴州貴陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程建設(shè)與管理工作.