黃材水庫輸水洞除險加固技術(shù)研究

歐高明

（寧鄉(xiāng)縣水利水電建設(shè)總公司 長沙市 410600）

1 工程概況

黃材水庫位于湘江一級支流溈水上游，主壩壩址位于黃材鎮(zhèn)以西3.5 km的鐵山里，下距寧鄉(xiāng)縣城52.5 km，壩址控制集雨面積240.8 km2。黃材水庫是一座以灌溉為主，兼有發(fā)電、防洪和養(yǎng)殖等綜合效益的大（Ⅱ）型水利工程。該工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級別為2級，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇，溢洪道消能防沖工程設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。水庫總庫容1.45億m3，正常庫容1.26億m3，正常蓄水位166.00m，死水位122.04m。

黃材水庫工程于1958年9月動工，1965年樞紐工程基本完成，1968年完成灌區(qū)主體工程配套任務(wù)。水庫設(shè)計灌溉寧鄉(xiāng)、望城、益陽市赫山區(qū)3縣（區(qū)）農(nóng)田2.39萬hm2（35.9萬畝），水庫有養(yǎng)魚水面0.047萬hm2（0.7萬畝）。水庫左岸壩端2011年建有黃材水廠，供水規(guī)模為5 000 m3/d。

水庫樞紐工程由主壩、副壩、溢洪道、輸水洞及電站等建筑物組成。主壩為粘土心墻土壩，最大壩高57.50 m，壩頂高程170.50 m，壩頂軸線長365 m，壩頂寬6.0 m。電站布置在主壩下游右岸壩腳，為壩后引水式，裝機3臺，總裝機容量4 720 kW，多年平均發(fā)電量1 200萬kW·h，發(fā)電尾水引入主干渠作為灌溉用水。設(shè)計發(fā)電死水位151.0 m，灌溉死水位136.0 m。

水庫輸水洞位于主壩右岸山體，具有灌溉、發(fā)電、放空、導(dǎo)流等功能。輸水洞平面布置以調(diào)壓井分界，由兩大部分組成。

調(diào)壓井前輸水洞長238.19 m，縱坡1/500，由明埋管段和隧洞組成，進口底板高程122.04 m，為內(nèi)徑3.10 m的圓形斷面，鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)厚0.55m，其中107.59 m長襯砌于2003年除險加固時已采用鋼板內(nèi)襯。在下距進口85.53 m的位置設(shè)有檢修閘，裝有3.5 m×3.5 m（寬×高）鋼質(zhì)平板閘門，門槽軸線方向傾向下游20°，采用鏈桿式螺桿啟閉機啟閉，螺桿凈長47.43m，啟閉臺設(shè)有工作橋與右岸山坡連接。

調(diào)壓井后接3根支管。第1根為灌溉、放空、導(dǎo)流用，全長167.23 m，馬蹄形斷面，洞徑3.30 m，進口裝有1扇鋼質(zhì)高壓弧形閘門，孔口尺寸為3.10×2.54 m（寬×高），其出口設(shè)有消力池，水流經(jīng)消力池消能后，進入電站尾水池，再引入主干渠。第2根為發(fā)電引水管，長174.19 m，設(shè)計引用流量為10.3 m3/s，鋼筋混凝土圓形斷面結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑為1.70 m，中心高程為126.85 m。第3根為1985年新擴機組的引水管，全長180 m，設(shè)計引用流量為6.0 m3/s，內(nèi)徑1.50 m圓形斷面，進口均設(shè)于調(diào)壓井。

調(diào)壓井為簡單圓筒式，內(nèi)徑6.20 m，井壁頂部高程172.70 m，井高47.98 m。輸水洞現(xiàn)狀見圖1。

圖1 輸水洞現(xiàn)狀縱剖面圖

2 輸水洞的主要病險特點

輸水洞于1958年設(shè)計施工，已運行50多年，因長期處在高壓環(huán)境下（正常水頭44 m），目前輸水洞存在以下病險特點：

（1）檢修閘門銹蝕嚴(yán)重，止水破壞，漏水嚴(yán)重；螺桿銹蝕，有壓彎變形。

（2）啟閉臺排架柱保護層破損、脫落，鋼筋外露銹蝕，并有順筋向裂縫發(fā)育。

（3）高壓段洞身檢修閘后長30 m、調(diào)壓井前長25 m未鋼襯，洞壁混凝土結(jié)構(gòu)老化，強度降低，底部混凝土表層磨損，粗骨料出露，伸縮縫位置有滴水，裂縫部位有乳白色鈣膠質(zhì)物質(zhì)淅出（“掛白”現(xiàn)象）；第一根支管洞身混凝土有7處裂縫，存在“掛白”現(xiàn)象，伸縮縫位置有滴水現(xiàn)象。輸水洞現(xiàn)狀如圖2、圖3。

圖2 啟閉架柱鋼筋裸露、混凝土裂縫

圖3 輸水洞身裂縫與掛白現(xiàn)象

3 輸水洞加固技術(shù)研究

針對輸水洞存在的病險特點，輸水洞除險加固內(nèi)容包括：檢修閘室、高壓隧洞、第一根支管。

3.1 輸水洞檢修閘室加固方案

根據(jù)輸水洞現(xiàn)狀布置、病險和地質(zhì)情況，結(jié)合施工工藝，擬采用兩種方案對檢修閘室進行除險加固：第一種方案是原址重建方案；第二種方案是廢除原檢修閘室，在順洞軸線下游重建。

方案1：原地重建方案。

考慮到現(xiàn)狀閘門斜井凈寬僅0.65 m，進人和施工困難，而閘門下游洞頂順?biāo)飨?.0 m范圍內(nèi)豎井為漿砌石結(jié)構(gòu)，拆除較容易，故拆除洞頂上8.0 m范圍內(nèi)的漿砌石結(jié)構(gòu)（以閘門槽為界，上游只鑿毛處理，下游拆除），將檢修閘門取出，重建檢修閘門閘室和上部啟閉室，閘室采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，二期門槽采用C30混凝土結(jié)構(gòu)。采用平板鋼質(zhì)閘門，下游止水，卷揚機豎直啟閉。在枯水期施工（10月至次年1月），施工前將庫水位放空至126.0 m，在埋管進口修筑擋水圍堰創(chuàng)造作業(yè)面。

由方案1可知，檢修閘門重建施工主要受庫水位影響。據(jù)水庫多年運行情況統(tǒng)計，正常年份灌溉期末的庫水位在145.0 m左右，相應(yīng)庫容3 102萬m3，而庫水位126.0 m的相應(yīng)庫容為236萬m3，故庫水位145.0 m～126.0 m之間的庫容為2 866萬m3，另據(jù)水庫多年平均來水量統(tǒng)計可知：9月份多年平均來水量為952萬m3。輸水洞設(shè)計引水流量17.5 m3/s，作為放空洞時設(shè)計引用流量70 m3/s，經(jīng)計算放空3 818萬m3庫容需要12 d左右。因此，重建前庫水位控制從水量方面（入庫、出庫）來看是可行的。

除了原閘室、豎井拆除、重建混凝土澆筑和閘門安裝需采用圍堰封閉施工外，上部啟閉排架和啟閉室施工均可利用輸水洞導(dǎo)流。閘室施工工期約60 d，安排在10月和11月施工，考慮兩個月的多年平均來水量和5年一遇最大3 d洪量，圍堰增量擋水量約為2 313萬m3，所需庫容2 549萬m3，相應(yīng)的庫水位142.77 m，故所需圍堰頂高程為143.77 m。采用鋼板樁圍堰，最大堰高21.73 m。

考慮到黃材水廠浮船式取水泵站最低控制運行水位145 m，檢修閘施工時需將庫水位最低降至126 m，將影響水廠供水。本次擬在庫水位下降至145 m以下時，將輸水管向庫內(nèi)延長150 m，仍采用DN300鋼管。水泵揚程須不小于64 m，需臨時更換水泵與機電設(shè)備。

方案2：下移新建檢修閘室方案。

考慮到埋管進口封閉擋水較困難、水廠取水受施工影響大、原檢修閘室基礎(chǔ)位于F11斷層上對防滲和穩(wěn)定不利等因素，方案2采用廢除原檢修閘室，在下距原檢修閘室38.0 m處，地面高程為144.0 m～146.0 m，拆除原襯砌隧洞鋼襯10 m，開挖矩形豎井與隧洞連接，設(shè)置檢修門閘室，采用鋼質(zhì)平板提升門，下游止水，滾輪支承，面板設(shè)置在下游，操作條件為動閉靜啟（為提高水庫運行的安全性，檢修閘門改為事故閘門，在發(fā)生事故時可利用水柱壓力動水閉門，閘門平壓方式為充水閥充水平壓），卷揚式啟閉機垂直啟閉，上部設(shè)置啟閉排架和啟閉室，設(shè)置工作橋與岸邊連接。閘室采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，二期門槽采用C30混凝土結(jié)構(gòu)，啟閉排架及啟閉臺板混凝土標(biāo)號均為C30。本方案施工前庫水位下降至138.5 m，只需設(shè)置簡單的土石圍堰和利用原檢修閘室關(guān)閘形成圍堰?？紤]到檢修閘門漏水量較大，洞內(nèi)需設(shè)置管道導(dǎo)流到施工區(qū)域范圍外，保證施工可在庫水位145.67 m時施工。

等新建閘室施工完后，開啟原檢修閘門，通過潛水員作業(yè)，進入閘門斜井內(nèi)，將固定支座拆除后再將檢修閘門取出，予以廢除原閘啟閉關(guān)閘功能。

新建啟閉架結(jié)構(gòu)型式仍為四柱排架，四立柱外圍尺寸為510 m×535 cm，截面尺寸為65 m×65 cm。啟閉架高24.96 m（基面高程145.04 m），共布設(shè)6層聯(lián)系梁。啟閉機房臺面高程為170.00 m，機房高4.54m；臺面以下四柱外圍間掛Φ6鋼絲網(wǎng)攔污；啟閉機房屋頂采用黃色琉璃瓦，外墻面用白色瓷磚飾面。

為確保施工期間水廠正常供水，本次擬在庫水位下降至138.5 m時，將輸水管向庫內(nèi)延長100 m，采用DN300鋼管每5 m增設(shè)1節(jié)管道，相鄰兩管采用伸縮節(jié)相連，每節(jié)鋼管均設(shè)置浮筒，以確保新增鋼管可隨庫水位相應(yīng)升降。接長輸水鋼管后，取水泵房仍采用鋼絲繩固定。

兩種方案具體比選情況見表1。

表1 輸水洞檢修閘室除險加固方案比選表

經(jīng)比較，選用方案2下移38.0 m重建方案，廢除原檢修閘。

由地質(zhì)專業(yè)提供檢修閘室豎井開挖巖層巖性大部分為強分化砂巖，巖石較破碎，結(jié)構(gòu)松散易崩塌，為保證閘室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時有利豎井開挖施工時減小圍巖應(yīng)力，開挖前在豎井周圍布置三排固結(jié)灌漿孔，排距1.5 m，梅花型布置，先灌內(nèi)外排，再灌中間排，內(nèi)外排為低壓濃漿，中間排為中或高壓稀漿。固結(jié)灌漿初擬孔距2 m，孔底灌至洞頂以上1.5 m，共鉆孔54個，最大孔深18.54 m。灌漿前先打先導(dǎo)孔，以便為正式的灌漿作業(yè)確定有關(guān)技術(shù)參數(shù)。

豎井石方開挖中，考慮到上部強風(fēng)化巖石破碎，爆破施工易引起垮塌，為保證安全，開挖時應(yīng)同時采用木撐和竹架板進行支護。為了保證施工在干燥環(huán)境下進行，施工前利用鉆機在開挖豎井中間部位鉆孔，與輸水隧洞頂貫通，將巖石中的滲水導(dǎo)入隧洞中排出。

檢修閘室下移38.0 m后，需拆除新建工作橋，根據(jù)庫岸地形條件，為保證原工作橋下管理公路的通行，工作橋岸邊連接位置不變，新建工作橋長46.2 m，考慮運行管理需要，橋面寬2.0 m，采用懸臂式鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，共3跨，單跨長18 m和10.2 m。

3.2 高壓隧洞加固方案

輸水洞檢修閘與調(diào)壓井之間的高壓隧洞長152.47 m，其中已有107.59 m采用鋼襯加固，根據(jù)十多年運行情況和安全鑒定成果，鋼襯加固的洞身段結(jié)構(gòu)完好、運行良好。故未襯砌的高壓隧洞長55 m（包括高壓弧形閘門前10.12 m），設(shè)計仍采用規(guī)格一致的鋼襯加固。

鋼板采用3號鋼，厚度14 mm，并與之前的鋼襯平順焊接。在每節(jié)鋼管端部，通過聯(lián)系鋼筋將鋼管與原管壁聯(lián)接起來，對鋼管抗外壓穩(wěn)定有利。內(nèi)襯鋼管按每20 m設(shè)置伸縮縫，由于管外空間小，無法做常規(guī)縫，故采取在洞內(nèi)貼止水銅片的方法，在灌漿前，用木板堵住施工縫，待漿液凝固后再鑿開粉平做縫。鋼管灌漿完成后，對內(nèi)表面作防腐處理。詳見圖4、圖5。

圖4 鋼板內(nèi)襯施工圖 （1∶50）

圖5 伸縮縫斷面詳圖（1∶2）

3.3 第1根支管加固方案

從輸水洞的病險特點可知，高壓弧門后第一根支管，長163.82 m，洞身混凝土結(jié)構(gòu)老化，洞壁有多處裂縫，裂縫部位有“掛白”現(xiàn)象，底部混凝土表層磨損，粗骨料出露，影響結(jié)構(gòu)安全。

考慮到洞身混凝土結(jié)構(gòu)老化嚴(yán)重，且該段洞身為高壓弧門后水流從有壓向無壓擴散段，除起始段有負(fù)壓和高速水流外，下游段均處于無壓流狀態(tài)，因此對洞身混凝土加固方案可選取鋼板內(nèi)襯、噴射混凝土鋼筋網(wǎng)內(nèi)襯兩種方案，以下通過計算分析分別確定第一根支管前后段除險方案。3.3.1 高壓弧門后洞身加固方案

支管斷面為Ⅳ號無壓水工隧洞專用斷面，即馬蹄形斷面，H＝B＝3.30 m，查《水工設(shè)計手冊（第 2版）》第1卷基礎(chǔ)理論第3章水力學(xué)閉合斷面均勻流計算，隧洞充滿水時的流量公式為：

式中d——洞徑；

高壓弧門泄流公式采用閘孔出流公式，高壓弧門尺寸為3.10 m×2.54 m （寬×高），底板高程為121.40 m，考慮正常水位情況，H＝166.0-121.4＝44.60m，不計行近流速。

i——隧洞縱向底坡降，為1/500。

計算得Qm,y=18.86 m3/s。

c—高壓弧門支座安裝高度，為3.76 m；

e—閘門開度；

H0——計入行近流速水頭的閘前水深。

由 Q設(shè)＝17.5 m3/s，反推計算得 e＝0.23 m；

同理 Q放空＝70.0 m3/s，反推計算得 e＝1.193 m。

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265-2001）附錄B消能防沖計算公式：

式中hc——收縮水深（m）；

To——總勢能（m），為44.60 m；

q——過閘單寬流量（m3/s·m）；

a——水流動能校正系數(shù)，采用1.0；

φ——流速系數(shù)，采用0.95；

hc″——躍后水深（m）；

hs′——出池河床水深（m），為2.7 m；

σ0——水躍淹沒系數(shù)，可采用1.05；

b1、b2——消力池首（末）端寬度（m）；

Lj——水躍長度（m）。

計算得 hc設(shè)＝0.201 m，hc″＝5.32 m，Lj設(shè)＝35.30 m；hc放空＝0.77 m，hc″＝10.68 m，Lj放空＝68.38 m， 經(jīng)綜合考慮后取 Lj放空＝69.59 m。

故高壓弧門后69.59 m長洞身因處于負(fù)壓氣蝕和高速水流沖刷范圍，采用厚度14 mm的3號鋼板襯砌。

3.3.2 洞身下游段加固方案

洞身下游段94.23 m長洞身為無壓段，本次提出兩種加固方案進行比選：

方案1：鋼板內(nèi)襯方案，選用的鋼板厚度既要滿足結(jié)構(gòu)要求，又要滿足抗碳化深度要求，下游無壓段洞身采用厚度10 mm的3號鋼板襯砌，可滿足結(jié)構(gòu)使用要求。

方案2：下游無壓段噴射混凝土鋼筋網(wǎng)內(nèi)襯方案，先鑿除襯砌混凝土表層，然后打錨桿，掛鋼筋網(wǎng)，再進行噴射混凝土處理，滿足結(jié)構(gòu)使用要求。

方案比較見表2。

從表2可知，方案2具有投資省，施工工期短的優(yōu)點，故本次推薦方案2作為輸水洞第一根分水支管下游段長94.23 m洞身除險加固方案。噴射混凝土厚度10 cm，側(cè)墻和底板分一次噴射完成，頂拱分二次噴射完成。

4 結(jié) 語

黃材水庫主壩輸水洞具有灌溉、發(fā)電、放空、導(dǎo)流等功能，具有進口高程低，水頭大，承受高壓，檢修困難等特點。由于受當(dāng)時建設(shè)條件限制，而且經(jīng)過50多年的運行，輸水洞出現(xiàn)了檢修閘室、輸水洞身和高壓弧形閘門結(jié)構(gòu)和壽命上的病險問題，經(jīng)過安全鑒定需除險加固方能正常運行。經(jīng)過對原有設(shè)計、施工、運行、管理等資料的收集和了解，通過現(xiàn)場勘察，在充分掌握輸水洞的病險情況后，結(jié)合現(xiàn)有的施工技術(shù)水平，有針對性地研究確定了輸水洞的加固技術(shù)，為施工的順利進行提供了設(shè)計藍(lán)圖，可為同類工程提供借鑒。

表2 第1根支管下游段94.23 m長洞身加固方案比較表

[1]索麗生,等.水工設(shè)計手冊(第2版）[M].北京:中國水利水電出版社,2011.

[2]鈕新強,等.新編水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京:中國水利水電出版社,2010.