水庫(kù)除險(xiǎn)加固隧洞的設(shè)計(jì)探究

盧治元，呂麗芬

（云南水利水電職業(yè)學(xué)院，昆明650499）

1 引言

考慮到水庫(kù)隧洞存在的安全隱患，當(dāng)務(wù)之急是對(duì)其進(jìn)行除險(xiǎn)加固。在實(shí)際工作中，對(duì)大壩實(shí)施加固整形，合理加高溢洪道，針對(duì)存在的問(wèn)題修繕輸水涵管，重新建筑專門的水庫(kù)管理房，配備所需的安全監(jiān)測(cè)設(shè)備等，以此實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)目標(biāo)，充分發(fā)揮水庫(kù)的原有效益。

2 工程概述

以云南地區(qū)某水庫(kù)為例，位于新平縣桂山街道，水庫(kù)總庫(kù)容為 1.25×106m2，徑流面積本區(qū)為 6.2km2，外區(qū)為 5.1km2，是一座以供應(yīng)生活用水為主，兼有農(nóng)業(yè)灌溉、防洪等效益的水利工程。通過(guò)了解相關(guān)文獻(xiàn)得知，水庫(kù)正常情況下的蓄水位是1823m，校核洪水位為1825m。受到資金不足的影響，一直沒(méi)能得到全面修復(fù)，運(yùn)行幾十年來(lái)，壩體嚴(yán)重老化，加之水庫(kù)沒(méi)有建設(shè)規(guī)范性的溢洪道，導(dǎo)致水庫(kù)很難正常運(yùn)行，給當(dāng)?shù)鼐用竦娜松戆踩珟?lái)極大威脅[1]。經(jīng)當(dāng)?shù)厮譀Q定，并批準(zhǔn)要對(duì)水庫(kù)實(shí)施除險(xiǎn)加固，預(yù)計(jì)耗損資金為120萬(wàn)元，水庫(kù)洪水頻率：正常時(shí)期為十幾年一遇即：P=3.33%，特殊時(shí)期按洪水為百年一遇：即P=0.33%。

3 輸水隧洞設(shè)計(jì)

3.1 輸水設(shè)施設(shè)計(jì)

3.1.1設(shè)施設(shè)計(jì)

在實(shí)際施工過(guò)程中，將新的輸水隧道設(shè)計(jì)在副壩左側(cè)，總長(zhǎng)85.368m，進(jìn)口底板高程為74.60m，底陂比降約等于0.003 68，預(yù)設(shè)灌溉范圍為130.56hm2，流量為0.39m3/s，城門段隧道的水深為0.27m。由于上游有8.6m的引水渠道及12.6m的涵洞，通過(guò)計(jì)算得知隧洞過(guò)水?dāng)嗝鏋?.8m×1.2m[2]。施工人員利用專業(yè)工具測(cè)量隧洞兩側(cè)壁厚后，依據(jù)所求結(jié)果，設(shè)計(jì)切實(shí)可行的鋼筋混凝土襯砌方案。因?yàn)楸诤癫怀^(guò)0.5m，所以在襯砌過(guò)程中需要將鋼筋混凝土的厚度設(shè)計(jì)成0.3m。放水塔下游有長(zhǎng)為3m的漸變段及長(zhǎng)為63.23m的洞形隧洞?？紤]到這一情況，將隧洞壁厚設(shè)置成0.4m，內(nèi)側(cè)為0.3m厚的鋼筋混凝土襯砌，外側(cè)則進(jìn)行2次噴射混凝土，由鋼筋作為支撐。除此之外，在洞頂部沿著隧洞建設(shè)方向設(shè)計(jì)間隔為3m的回填灌漿口，角度調(diào)整到45°，另外，加設(shè)團(tuán)結(jié)灌漿孔，間隔距離為1.5m，必須要保證其能深入到巖土層。完成上述工作后，實(shí)施團(tuán)結(jié)灌漿。一般情況下多以純水泥漿為主，其中，回填灌漿壓力初設(shè)成150kPa，而團(tuán)結(jié)灌漿的壓力值則控制在100～150kPa。需要注意的是，施工人員在隧道洞口設(shè)計(jì)接消力池與出水渠，長(zhǎng)度要依據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整[3]。

3.1.2 過(guò)流能力復(fù)核

通過(guò)計(jì)算得知主壩新建隧洞為洞形無(wú)壓隧洞，具體計(jì)算過(guò)程如下：

式中，Q為流量，m3/s；C為謝才系數(shù)；A為過(guò)水面積，m2；R為水力半徑，m；n為糙率，具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 隧洞水力計(jì)算結(jié)果

由表1可知，利用平板閘門管控，隧洞能夠形成無(wú)壓流，經(jīng)檢測(cè)獲知其過(guò)流能力符合工作需求。需要注意的是，當(dāng)隧道內(nèi)水深超過(guò)0.25m時(shí)，過(guò)水量為0.42m3/s，與預(yù)估的流量十分相似，其流速為1.54m/s，通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)此刻水面距離洞頂有1.5m的安全空間，凈空高度及面積都符合國(guó)家提出標(biāo)準(zhǔn)[4]。

3.1.3 隧洞襯砌設(shè)計(jì)

依據(jù)SL 279—2016《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》：在建筑施工過(guò)程中若是選用支護(hù)或是加固圍巖，施工人員需要依據(jù)其穩(wěn)定情況計(jì)算結(jié)果，通常情況下不需要考慮圍巖壓力。由于本次隧洞圍巖隸屬于V類，設(shè)計(jì)方案中明確指出開(kāi)挖后需要進(jìn)行噴混凝土，厚度約為10cm，同時(shí)選用鋼材料做臨時(shí)支撐[5]。完成上述工作后可以初步認(rèn)定圍巖處于穩(wěn)固狀態(tài)，設(shè)計(jì)人員不再需要考慮圍巖壓力的問(wèn)題。

本次隧洞襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算選用的是：北京理正隧道襯砌計(jì)算軟件，并結(jié)合實(shí)際情況，取中間的均值，旨在保證供水位工況信息的安全性與準(zhǔn)確性。經(jīng)過(guò)大量的計(jì)算，工作人員得出如下結(jié)論：各點(diǎn)設(shè)定抗力條件與方向位大體一致[6]。

隧洞進(jìn)口兩側(cè)的墻體屬于漿砌石翼，翼墻進(jìn)口寬度為3.4m，墻尾增設(shè)了一道攔截污水的柵欄。經(jīng)測(cè)量得知放水塔外半徑為2.6m，內(nèi)半徑是2.3m，放水塔設(shè)置了多扇閘門與檢修口，閘門主要選擇平板鋼，尺寸多為1.2m×1.8m。在實(shí)際運(yùn)行中，工作人員需要定期進(jìn)行檢修，查看手電兩用啟閉機(jī)的工作狀態(tài)，是否存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，尤其要檢查攔污柵的運(yùn)行情況。當(dāng)前比較常見(jiàn)的攔污柵是5t電動(dòng)葫蘆。啟閉機(jī)運(yùn)行過(guò)程中高程是83m，閘門檢修為80.43m，攔污柵則為82m，計(jì)算得出其高出校核水位，符合建設(shè)要求。

3.2 輸水管道設(shè)計(jì)

當(dāng)前，大多數(shù)舊輸水管道設(shè)在一幅壩最高的位置，貫穿整個(gè)壩體，進(jìn)口高程高達(dá)76.2m，出口高層為73.4m，總長(zhǎng)為52m。與副壩相比，就輸水涵管硬性條件基本一致，在壩體內(nèi)設(shè)置涵管可能會(huì)不同程度影響到工程地質(zhì)，基于此問(wèn)題，施工人員必須將埋在壩體的輸水涵堵封[7]。與此同時(shí)，重新建設(shè)一個(gè)隧洞進(jìn)行輸水。本次引水隧洞的最大高程為87m，總長(zhǎng)107m，設(shè)計(jì)進(jìn)口高程74m，出口高程則為73.6m，隧洞總高度1.8m，寬度則為1.2m，隧洞埋深不超過(guò)10m。

選定一個(gè)合適的位置放水塔，計(jì)算求出最佳的剖面距離，將角度控制在120°。在經(jīng)過(guò)山包時(shí)，地勢(shì)漸漸平緩，周邊植被生長(zhǎng)狀態(tài)良好，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重塌陷、滑坡等不良問(wèn)題。分析出露地層得知，其隸屬于亭子單元，條紋狀構(gòu)造，多為巖性花崗巖。從出露情況來(lái)看，較淺，受到惡劣天氣的影響，全洞都處于風(fēng)化帶。按照隧洞圍巖的劃分標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出，隧洞屬于V類，不穩(wěn)定。隧洞埋深不符合標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)出段洞頂較單薄，因此，施工人員在實(shí)際施工中應(yīng)尤其注意洞口安全，保證圍巖堅(jiān)固系數(shù)不超過(guò)0.5這一標(biāo)準(zhǔn)值，單位彈性抗力系數(shù)不超出預(yù)設(shè)值。

4 輸水隧洞的施工

隧洞開(kāi)挖施工效果在很大程度上取決于巖體質(zhì)量、斷面積等影響因素，圍巖類型的不同、斷面積的大小都會(huì)影響開(kāi)挖進(jìn)度與方法。一些斷面積小的洞室，經(jīng)檢查得知圍巖較好，施工人員則可以選用全斷面法合理開(kāi)挖；若是遇到圍巖不理想，斷面積小的洞室，施工人員需要選用短臺(tái)階法；若圍巖比較理想但斷面大，工作人員此時(shí)則需要選用分層開(kāi)挖法，按照臺(tái)階實(shí)際需求設(shè)計(jì)開(kāi)挖方案；若圍巖質(zhì)量不理想且斷面大，則可以選擇超前導(dǎo)洞法開(kāi)挖，此外預(yù)留核心法也比較常用[8]。一般情況下，短隧洞經(jīng)過(guò)事先的地質(zhì)探測(cè)后，工作人員可以全面掌握地質(zhì)信息，若是存在問(wèn)題，也可以早發(fā)現(xiàn)早解決。但對(duì)于長(zhǎng)隧洞而言，工作人員就算勘測(cè)再怎么仔細(xì)），也難免會(huì)突發(fā)性出現(xiàn)地質(zhì)變化問(wèn)題，具體分為以下幾個(gè)方面：（1）巖體松動(dòng)或破碎，甚至出現(xiàn)斷層，地下水位會(huì)短時(shí)間內(nèi)迅速上漲，滲漏與涌水問(wèn)題嚴(yán)重；（2）頁(yè)巖層理傾角不斷提高，甚至漸漸接近90°，層理間還存在不同程度的頁(yè)泥夾層。

基于上述問(wèn)題，施工人員可以選用“新奧法”開(kāi)挖，具體如下：

1）加大施工監(jiān)測(cè)力度，事先掌握地質(zhì)方面的信息，依據(jù)存在的問(wèn)題制定解決方案，盡可能對(duì)比因開(kāi)挖不合理而引發(fā)的一系列問(wèn)題。

2）選用光面爆破，盡可能少超填或超挖。在施工過(guò)程中，施工人員選用噴錨支護(hù)發(fā)現(xiàn)巖層出破損時(shí)，則需要立即換材料，比較常見(jiàn)的替代物是鋼銜架及鋼拱架。若是遇到地下水位突然上漲或涌水量不斷上升的問(wèn)題，必須要立即加大排水工作力度。在隧洞的底部增設(shè)積水坑，必要情況可以利用排水溝進(jìn)行抽排，同時(shí)工作人員要在隧洞側(cè)壁及洞頂部分打幾個(gè)孔，整理好排水管。若是地下水位超出隧洞輸水量，那么將不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)水外滲的問(wèn)題，不可大意，要妥善保管排水管。

3）漸變段作為施工的重難點(diǎn)，關(guān)鍵在于保證垂直加固效果，降低出現(xiàn)問(wèn)題的概率。在挖隧洞過(guò)程中，施工人員需要嚴(yán)格按照“新奧法”工藝要求，緊緊圍繞先支護(hù)、慢推進(jìn)、弱爆破、降噪聲、速封閉、勤量測(cè)等施工原則，以此保證圍巖成洞的效果與施工過(guò)程中的安全。在施工環(huán)節(jié)，應(yīng)依照相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)圖紙的要求實(shí)施質(zhì)量檢測(cè)，定期向有關(guān)部門反饋結(jié)果，綜合解析洞身結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定情況，為更好調(diào)整支護(hù)數(shù)據(jù)、二次襯砌奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。砂漿錨桿主要選用螺紋鋼筋，施工現(xiàn)場(chǎng)便可制作，長(zhǎng)度約為4m。工作人員在鉆孔前需按照設(shè)計(jì)原則準(zhǔn)確定位出孔位置，保持平行狀態(tài)，保證注漿的充實(shí)度。

4）鋼架主要是由型鋼彎制而成的，加工廠商借助臺(tái)架按照需求將材料加工成型，在噴過(guò)混凝土后在洞內(nèi)對(duì)其實(shí)施安裝，保證鋼筋間的無(wú)縫銜接。需要注意的是，鋼架拱腳需要放置好，保證其穩(wěn)定性，隨后由專門的技術(shù)人員測(cè)量中線、高程、垂直度。完成上述工作后，工作人員需要將錨桿與鋼架焊接起來(lái)，合理控制保護(hù)層厚度。

5）防滲施工，具體從以下2方面分析：（1）凹槽和截水環(huán)。在實(shí)際施工過(guò)程中，工作人員需要依據(jù)施工地址情況、防滲需求及施工進(jìn)度，分三次對(duì)隧洞的底板、側(cè)墻及拱頂進(jìn)行澆筑，并選用紫銅片“凹槽”保證防滲效果。在此基礎(chǔ)上，施工人員按照鋼筋定型的尺寸，合理調(diào)整間距，增設(shè)多個(gè)截水環(huán)，將拱頂設(shè)計(jì)成“T”形缺口，從而保障泵送軟管出口有擺放空間。（2）回填灌漿。主要是采取鉆孔注漿法，在確定各項(xiàng)數(shù)據(jù)后，計(jì)算壓力值，分階段進(jìn)行測(cè)試，以此得出均值。同時(shí)，以閘室為出發(fā)點(diǎn)，慢慢向隧洞出口方向回填灌漿，側(cè)墻、洞頂混凝土沒(méi)有出現(xiàn)明顯的滲漏和潮濕現(xiàn)象，這也進(jìn)一步證明了截水環(huán)的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，水庫(kù)隧洞設(shè)計(jì)需要以加固圍巖為重點(diǎn)，構(gòu)建固結(jié)圈，工作人員應(yīng)重視圍巖、襯砌及錨桿的施工作用，以此解決水壓大、隧洞高等問(wèn)題；設(shè)計(jì)多種排水設(shè)施，不斷減少外水壓力，在支洞設(shè)計(jì)上需要做到一洞多用，嚴(yán)格按照“新奧法”工藝進(jìn)行施工，以此保證施工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)目標(biāo)。