淺談小型水庫輸水設(shè)施除險加固

（邵陽市水利水電勘測設(shè)計院邵陽市422000）

淺談小型水庫輸水設(shè)施除險加固

呂南

（邵陽市水利水電勘測設(shè)計院邵陽市422000）

文章分析了輸水涵洞各種除險加固方案適應(yīng)的工程條件，總結(jié)了邵陽市在小水庫除險加固工作中對輸水設(shè)施改造的經(jīng)驗，論述了放水臥管的水力學計算方法，對同類工程除險加固改造具有一定的借鑒意義。

小型水庫輸水設(shè)施臥管涵洞除險加固

邵陽市位于湖南省中部偏西南，全市共有1210余座小型水庫，其中小（Ⅰ）型230余座，小（Ⅱ）型980余座，大多修建于20世紀50～70年代，其中土石壩占90%以上。受修建年代技術(shù)水平、管理水平及資金的限制，小型水庫的輸水設(shè)施多為圬工結(jié)構(gòu)的放水臥管與壩下涵管。經(jīng)多年運行，這些小水庫一直病險不斷，近年來，國家投入大量資金對邵陽市境內(nèi)的病險水庫進行了全面的除險加固，而輸水設(shè)施的改造則為其中的關(guān)鍵工程。

1 輸水設(shè)施存在的主要問題

邵陽地區(qū)早年修建的小型水庫，以土石壩居多，而其輸水設(shè)施則多為圬工結(jié)構(gòu)的露天臥管與壩下涵管，經(jīng)多年運行，這些輸水設(shè)施主要存在以下問題：

（1）結(jié)構(gòu)強度低，老化破損嚴重，部分臥管與涵洞因不均勻沉陷而發(fā)生斷裂。

（2）臥管與涵管滲漏普遍，且壩內(nèi)涵管一般都未設(shè)置截水環(huán)，涵管滲漏導致涵管外壁與大壩之間發(fā)生接觸性沖刷，形成滲漏通道，直接威脅大壩的安全運行。

（3）臥管放水大多采用木塞和石塞控制，沒有啟閉設(shè)備，靠當?shù)剞r(nóng)民人工下水插、拔塞子來關(guān)水與放水，對當?shù)匕傩盏娜松戆踩斐赏{，邵陽地區(qū)也曾多次發(fā)生因水庫放水而引發(fā)的慘劇。另外，木塞和石塞止水效果差，大量的水源因此流失浪費。

（4）部分涵管與臥管尺寸不匹配，涵管管徑偏小，而臥管孔徑偏大，導致放水時涵管內(nèi)形成壓力流或者明滿流交替的狀況，使壩內(nèi)涵管病險情況加劇。

2 輸水涵洞除險加固方案

（1）壩體大開挖新建涵洞：這種方法是在原涵洞的位置對壩體進行大開挖，將原有涵洞挖除之后，再在開挖位置新建鋼筋混凝土涵洞。這個方案的優(yōu)點是可以一次性挖除原有涵洞，徹底消除原有涵洞的安全隱患，缺點是該方案開挖斷面大，對土壩擾動較大，施工工期較長，壩體回填質(zhì)量控制不到位容易造成新的安全隱患，只適合涵管埋深較淺的大壩，一般開挖深度以不超過（6～8）m為宜。邵陽地區(qū)多為山丘地形，小水庫大多壩短而高，適合本方案的小水庫并不多，所以在邵陽的小水庫除險加固中，采用本方案的工程較少。

（2）岸坡新開輸水隧洞：在大壩兩岸壩肩，選擇地形地質(zhì)條件較好的位置新開輸水隧洞，待新開隧洞具備過水條件之后封堵原有老涵管。這個方案的優(yōu)點是能從根本上消除壩下涵管給大壩帶來的種種安全隱患，缺點是工程投資較大，工期較長，且部分水庫因為無法放空，導致工程施工難度較大。近年來，國家對病險水庫的治理力度加大，邵陽市境內(nèi)的大部分具備條件的小水庫的輸水設(shè)施改造均采用此方案。

（3）原涵管內(nèi)套管：本方案是在現(xiàn)有老涵管內(nèi)部插鋼管或者pvc管，然后對新插管道和原有涵管之間的空隙進行充填灌漿，水庫利用新插的管道連接放水臥管輸水，只利用原涵洞的壩內(nèi)空間，原涵洞不再過水。該方案的優(yōu)點是可徹底解決原涵洞的結(jié)構(gòu)老化與滲漏問題，施工簡單，工程投資小，工期短，其缺點是適用的水庫較少，適用此方案的水庫必須是涵管短（一般30m以內(nèi)）而直，涵管內(nèi)不能有較大的阻礙插管的障礙物。由于本方案的適用條件較為苛刻，在邵陽的小水庫除險加固中，采用本方案的工程較少。

（4）壩體頂管新建涵管：本方案是在土壩下游側(cè)開挖一部分壩體，構(gòu)筑頂管工作坑及支承頂墩，用測量儀器校正方位和高程后，用液壓千斤頂將鋼管或預制鋼筋混凝土管逐節(jié)頂進土壩形成新的壩內(nèi)涵管。本方案的優(yōu)點是施工速度較快，施工不受天氣制約，基本不對原壩體造成擾動和破壞，其缺點是不能從根本上解決壩體埋管的安全隱患，施工技術(shù)要求較高，小水庫多位于偏僻鄉(xiāng)村，單個項目工程量小，很難找到合適的專業(yè)隊伍來承擔項目的施工。鑒于本地缺乏相應(yīng)的專業(yè)施工隊伍，在邵陽的小水庫除險加固中，采用本方案的工程很少。

（5）定向鉆法新建涵管：本方案屬于非開挖牽引技術(shù)，是傳統(tǒng)管線施工方法和油田定向鉆井技術(shù)的結(jié)合，多用于河流和水道的穿越、各種油、氣、電、水的管網(wǎng)建設(shè)，如西氣東輸?shù)葒抑卮蠊こ探ㄔO(shè)中均應(yīng)用了該技術(shù)。本方案的優(yōu)點是施工速度較快，施工不受天氣制約，精度高，易于調(diào)整方向，其缺點是不能從根本上解決壩體埋管的安全隱患，需要專業(yè)的施工隊伍與設(shè)備，邵陽小水庫多位于偏僻鄉(xiāng)村，單個項目工程量小，很難找到合適的專業(yè)隊伍來承擔項目的施工。鑒于本地缺乏相應(yīng)的專業(yè)隊伍和設(shè)備，在邵陽的小水庫除險加固中，采用本方案的工程很少。

（6）新建虹吸管放水：本方案是在大壩上新建一條虹吸管，利用水流的虹吸原理放水，管材大多采用鋼管、預應(yīng)力混凝土管、pvc管和玻璃鋼管，本方案的優(yōu)點是可徹底解決壩內(nèi)埋管的安全隱患，施工速度快，工程投資省，工程施工基本不受季節(jié)和地形地質(zhì)條件的制約，可以在工廠內(nèi)實現(xiàn)批量生產(chǎn)，質(zhì)量容易控制，缺點是虹吸管理論上可以吸水7m，但工程實踐中，5m的吸水高度都不一定能實現(xiàn)，因此只適合壩高在10m以下的小水庫，而且虹吸管對管道的密閉性要求很高，使用操作較為麻煩。邵陽市的小水庫大多位于山丘地區(qū)，庫區(qū)大多狹長而壩高較高，適用虹吸管的水庫并不多，邵陽地區(qū)在早期的水庫除險加固工程中部分項目采用了此方案，但由于虹吸管操作麻煩，且使用中故障率較高，2011年之后設(shè)計的水庫除險加固項目較少采用此方案。

經(jīng)筆者初步統(tǒng)計，邵陽境內(nèi)的小水庫輸水涵洞除險加固方案，約60%的項目采用了新開隧洞方案，約10%的項目采用了大開挖方案，約8%的項目采用原涵洞內(nèi)套管方案，約6%左右的項目采用了虹吸管方案。

3 壩內(nèi)涵管封堵方案

邵陽市大量的小水庫在其除險加固方案中采用了新建輸水設(shè)施，但其原來的壩內(nèi)涵管依然是大壩安全運行的重大隱患，必須對其進行有效的封堵以徹底消除這一隱患。邵陽市的小水庫壩內(nèi)涵管封堵主要采用了以下兩個方案：

（1）方案一：對涵管的進出口進行局部開挖，澆筑混凝土堵頭，在對涵洞軸線進行精準定位之后，在大壩的內(nèi)外坡用鉆機鉆孔灌漿，對涵洞內(nèi)部及涵洞與壩體的接觸部位進行回填灌漿，以杜絕壩內(nèi)涵管滲漏以及涵管與壩體接觸部位的滲漏。

（2）方案二：施工人員進入涵洞內(nèi)部，在涵洞內(nèi)洞壁造孔，對涵洞與壩體的接觸部位進行回填灌漿，之后對涵洞的進出口進行局部開挖，澆筑混凝土堵頭，澆筑混凝土堵頭的同時預埋灌漿管，待堵頭硬化之后，通過預埋的灌漿管對涵洞內(nèi)部進行回填灌漿。

這兩個方案各有優(yōu)缺點，方案一的缺點是在大壩壩坡造孔對涵洞進行回填灌漿要求對涵洞位置進行精準定位，不然回填灌漿很難達到預期效果，而這種壩內(nèi)小涵洞要在施工過程中做到精準定位較為困難。方案二的實施效果較好，但是涵洞內(nèi)要進入施工人員，要求涵洞內(nèi)凈高不小于0.6m，凈寬不小于0.5 m，而邵陽境內(nèi)的小水庫其涵洞尺寸很多都不能滿足這一尺寸要求。因此，邵陽市的小水庫涵洞封堵方案，對于不能進人的涵洞，大多采用方案一封堵，對于可以進人的涵洞大多采用方案二封堵。

4 放水臥管改造

放水臥管為一條露天的放水管道，管身布置有放水孔口，采用塞子或門蓋式閘門控制放水，因其管理的便利性及其可以始終取到水庫表層溫水有利于農(nóng)作物生長的優(yōu)勢，一直在邵陽地區(qū)作為小水庫的主要放水設(shè)施被采用，本輪小水庫除險加固改造亦主要沿用了這一放水設(shè)施，只是對原先的臥管型式進行了升級改造，除險加固改造之后的放水臥管管身主要采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土預應(yīng)力管，放水設(shè)施多采用門蓋式鑄鐵閘門，卷揚機啟閉。放水臥管多為露天放置的明管，其方案的選擇和施工相對輸水涵洞較為簡單，臥管的水力學計算是其除險加固設(shè)計中的重點，主要包括以下三個方面的內(nèi)容：

（1）放水孔大小的確定按孔口出流計算：

式中Q——孔口出流流量；

μ——孔口流量系數(shù)，與孔口形狀有關(guān)，方形為（0.58～0.63），圓形一般取0.62；

A——放水孔過水斷面面積；

h——孔口上作用水頭。

（2）臥管過水斷面尺寸確定：水流由放水孔口進入臥管之后，以無壓流的形式沿臥管流動，跌入臥管末端的消力井，消能之后再進入輸水涵洞。臥管內(nèi)水流形態(tài)較為復雜，根據(jù)試驗，水流由孔口跌入臥管后，水柱躍起高度約為管內(nèi)正常水深的（2.5～3.5）倍，因此我們在設(shè)計過程中，利用明渠均勻流公式

，計算出臥管的正常水深，然后取正常水深的（3～4）倍作為臥管的設(shè)計管徑。

（3）消力井水力學計算：消力井水力學計算主要包括消力井深度（由涵管底板至消力井底板的高度）分析計算和消力井容積的計算，消力井的深度須確保井底不受射流的直接沖擊，消力井深度p一般按下式計算：P=t0-h0+S，式中t0為消力井水深，由公式計算確定，其中k為經(jīng)驗系數(shù)，一般取1.25，b為孔口直徑，Hmax為孔口以上最大水深，h0為涵管正常水深，δ為安全水墊厚度，一般?。?.3～0.5）m。

消力井容積計算：水流跌入消力井后，形成劇烈的碰撞，使大部分動能轉(zhuǎn)化為熱能，根據(jù)試驗，每立方米容積的水能消殺量在（7.5～8.0）kW，為了達到充分消能的目的，消力井應(yīng)有足夠的尺寸，水流能量N=9.81QH，消力井容積V=BLt0≥1/8×9.8QH，其中B為消力井寬度，L為消力井長度。

5 結(jié)語

小型水庫的輸水設(shè)施是整個水利工程的核心構(gòu)筑物，其質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到水庫的效益發(fā)揮和安全運行,所以小型水庫輸水涵洞除險加固歷來為小型水庫除險加固的重中之重。本文對小水庫輸水涵洞除險加固常用的6種方案及壩內(nèi)涵管封堵的兩種常用方案進行了一一分析，總結(jié)了邵陽市在小水庫除險加固工作中對輸水涵洞改造的經(jīng)驗，提出了輸水涵洞各種除險加固方案適應(yīng)的工程條件，論述了放水臥管的水力學計算方法，建議對具備條件的小型水庫，在對其輸水設(shè)施進行除險加固時優(yōu)先考慮新建隧洞方案，以徹底解決壩內(nèi)埋管的工程安全隱患。

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2017-02-06）

呂南（1982-），男，湖南邵陽人，大學本科，土木工程師（水工結(jié)構(gòu)），研究方向為水工結(jié)構(gòu)，手機：13508422121。