水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中新建輸水隧洞設(shè)計(jì)綜述

范春雷

(永豐縣下溪水庫(kù)管理所，江西 吉安 331500)

1 工程概況

高虎腦水庫(kù)位于永豐縣石馬鄉(xiāng)龍?jiān)创?，屬烏江支流藤田河，水庫(kù)集雨面積24km2，另有引流面積2.2km2，正常蓄水位222.50m，總庫(kù)容1630萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)灌溉面積1666.67hm2，實(shí)際灌溉面積1533.33hm2，是一座以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合效益的中型水庫(kù)。

2 壩下涵管現(xiàn)狀及存在問題

2.1 壩下涵管現(xiàn)狀

壩下涵管位于大壩左岸壩體內(nèi)，全長(zhǎng)250m，涵管內(nèi)徑1.5m，壁厚0.3m。1986年對(duì)豎井后段管壁進(jìn)行了掛網(wǎng)噴混凝土漿。閘門啟閉豎井設(shè)在壩頂上，距涵管進(jìn)口110m，豎井高40m，內(nèi)徑3.0m，壁厚0.45m。豎井內(nèi)設(shè)工作閘門，啟閉設(shè)備為手電兩用螺桿式啟閉機(jī)。壩下涵管出口設(shè)有四個(gè)岔口，依次接灌溉渡槽、發(fā)電壓力鋼管和放空管。

2.2 壩下涵管存在問題

1)壩下涵管混凝土施工質(zhì)量較差，豎井上游管段管壁多處裂縫、漏水嚴(yán)重。經(jīng)復(fù)核，涵管正截面承載力和抗裂均不滿足規(guī)范要求。涵管通氣孔失效，管壁混凝土氣蝕嚴(yán)重。

2)壩下涵管豎井平板工作閘門銹蝕嚴(yán)重，止水失效；啟閉機(jī)機(jī)座斷裂，螺桿銹蝕、變形，啟閉困難；灌溉進(jìn)口蝶閥銹蝕嚴(yán)重，放空管木閘門破損、漏水嚴(yán)重。

3 輸水建筑物加固設(shè)計(jì)方案比選

3.1 方案一：原壩下涵管內(nèi)襯鋼板方案

擬對(duì)原壩下涵管內(nèi)壁增設(shè)圓形鋼襯，用以解決滲漏問題，計(jì)算時(shí)鋼襯抵抗內(nèi)水壓力，。鋼管內(nèi)徑1.3m，壁厚10mm。鋼襯施工到位后應(yīng)對(duì)鋼管與原混凝土管內(nèi)壁間空隙進(jìn)行回填及接觸灌漿。

3.2 方案二：新建輸水隧洞方案

擬在左岸新建輸水隧洞，考慮施工及現(xiàn)行規(guī)范要求，洞涇1.8m，襯砌厚0.3m，采用C25雙層鋼筋混凝土襯砌。

3.3 方案比選

兩方案主要工程量及投資比較詳見表1。

方案一造價(jià)相對(duì)較高，而且有一定的施工難度和安全隱患。涵管原內(nèi)徑1.5m，經(jīng)1987年掛網(wǎng)噴漿后，內(nèi)徑改為1.34m，如采用內(nèi)襯鋼管方案，施工操作空間狹窄，施工難度較大，且施工質(zhì)量不易控制；施工時(shí)涵管進(jìn)口設(shè)置圍堰，無(wú)法泄流，水庫(kù)來(lái)水僅靠水庫(kù)蓄滯，施工期洪水位較高，圍堰工程量大；運(yùn)行多年后內(nèi)襯鋼板易銹蝕，輸水系統(tǒng)仍從壩身通過(guò)，仍未徹底根除今后運(yùn)行時(shí)除險(xiǎn)滲漏險(xiǎn)情的可能性，在今后仍將成為大壩安全運(yùn)行的一大隱患。

方案二造價(jià)較低，且有利于工程建設(shè)后的工程管理，施工時(shí)可采用原壩下涵管導(dǎo)流，降低施工期洪水位，有利于加固工程實(shí)施，施工干擾少。

表1 兩方案主要工程量及投資比較表

綜合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較結(jié)果，輸水建筑物加固選用方案二，即在大壩左岸新建輸水隧洞方案。

超聲波霧化發(fā)生裝置內(nèi)部安裝有超聲波霧化發(fā)生器，將液態(tài)水分子結(jié)構(gòu)打散，使水成為微細(xì)的霧滴，并利用現(xiàn)場(chǎng)壓縮空氣，將霧氣導(dǎo)出，使霧氣在物料清除裝置內(nèi)擴(kuò)散，從而達(dá)到抑制粉塵的作用[7-8]。

4 新建輸水隧洞設(shè)計(jì)

4.1 隧洞平面布置

在大壩左側(cè)山體內(nèi)開設(shè)新的輸水隧洞，隧洞襯砌后洞徑1.8m，全長(zhǎng)262m，設(shè)計(jì)進(jìn)口高程193.0m，出口高程191.2m，底坡0.007。隧洞在平面上有兩處弧形轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折角度分別為51.91度、36.03度，轉(zhuǎn)彎半徑15m；新建隧洞與原壩下涵管間設(shè)C25混凝土埋管連接。新建隧洞采用C25混凝土全斷面襯砌，襯砌厚0.3m，襯砌段每隔10m設(shè)置伸縮縫，縫寬2cm，采用銅片止水。

4.2 進(jìn)水口設(shè)計(jì)

擬在隧洞進(jìn)口修建啟閉井及工作橋，進(jìn)水口底板高程仍為193.0m，底板厚1.2m。進(jìn)水口頂板采用橢圓形線，前端設(shè)攔污柵，孔口尺寸1.8×3.0m(寬×高)，攔污柵后設(shè)檢修閘門、事故閘門，孔口尺寸為1.8×1.8m，閘門后設(shè)有通氣孔。閘室段與洞身段采用漸變段連接，漸變段長(zhǎng)5.0m，斷面由1.8×1.8m方形漸變?yōu)橹睆?.8m的圓形。工作橋橋面頂高程230.2m，橋面寬3.0m，與山體連接。工作橋和啟閉井為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，啟閉房為磚混結(jié)構(gòu)[1-3]。

4.3 地質(zhì)條件

隧洞穿越地層為震旦系上段下部(ZⅡ1)中厚層狀變余凝灰質(zhì)砂巖夾千枚巖；隧洞進(jìn)、出口段圍巖為強(qiáng)風(fēng)化巖體，節(jié)理裂隙及層面裂隙發(fā)育且處山坡上部，巖體完整性較差，屬Ⅴ類圍巖。洞身段巖體呈弱、微風(fēng)化狀，巖體較完整，工程地質(zhì)條件較好。巖層走向洞身中前段與洞線交角較大，屬Ⅲ類圍巖，洞身后段與洞線近乎平行，按Ⅳ類圍巖考慮。由于洞徑較小，中前段成洞條件較好，后段可能有塌頂現(xiàn)象。

4.4 隧洞進(jìn)出口開挖設(shè)計(jì)

勘察揭露，隧洞進(jìn)口段自然山坡角25°-35°，山坡穩(wěn)定，洞頂以上圍巖(強(qiáng)風(fēng)化)厚5.4m，其上第四系殘坡積厚1.5-2.0m；隧洞出口段自然山坡角約40°，洞頂以上圍巖(強(qiáng)風(fēng)化)厚約5.4m，其上殘坡積厚2.5-3.0m，山坡穩(wěn)定。由于進(jìn)、出口洞臉開挖邊坡較高，且?guī)r體節(jié)理裂隙及層面裂隙發(fā)育、完整性較差。對(duì)進(jìn)、出口洞臉進(jìn)行削坡處理，強(qiáng)風(fēng)化巖坡比為1∶0.5，殘坡積層1∶1，坡高大于5m時(shí)應(yīng)分級(jí)開挖，并設(shè)置寬1.0m的馬道。再對(duì)洞臉周圍采用掛網(wǎng)噴混凝土以形成穩(wěn)定邊坡，并設(shè)置排水孔，采用Φ50PVC管，間距3×3m。

4.5 隧洞灌漿設(shè)計(jì)

隧洞襯砌的頂部必須進(jìn)行回填灌漿。回填灌漿應(yīng)在襯砌混凝土達(dá)70%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行?；靥罟酀{的范圍在頂拱中心角90-120度，孔距2.0m，按兩序孔進(jìn)行，第一序孔每排均布3孔，第2序孔每排均布2孔，灌漿壓力0.3-0.5MPa，灌漿孔深入圍巖10cm。

固結(jié)灌漿應(yīng)在回填灌漿結(jié)束后7天進(jìn)行，排距3.0m，每排為6孔，深入基巖1.4m，灌漿壓力0.3-0.5MMPa。

4.6 原壩下涵管封堵設(shè)計(jì)

隧洞建完后，用水泵壓力清洗涵管內(nèi)污泥及雜物，先在進(jìn)口砌筑C20混凝土擋墻，再回填C20混凝土至豎井下游5m處，以防止庫(kù)水滲漏。為確保封堵質(zhì)量，在涵管頂部采用充填管將填實(shí)空隙。封堵混凝土采用泵送混凝土。

5 新建隧洞設(shè)計(jì)計(jì)算

5.1 隧洞過(guò)水能力計(jì)算

考慮到隧洞為有壓運(yùn)行，可按管流中自由出流情況計(jì)算隧洞的過(guò)水能力，隧洞過(guò)水能力計(jì)算成果見表2。

表2 新建隧洞過(guò)水能力與庫(kù)水位關(guān)系表

原壩下涵管最大過(guò)水能力為2.54m3/s，從表2可知，新建輸水隧洞過(guò)水能力比原壩下涵管過(guò)水能力要大，故新建隧洞過(guò)水能力滿足灌溉要求。

5.2 隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算

新建輸水隧洞采用鋼筋混凝土進(jìn)行全段襯砌，隧洞襯砌后對(duì)洞身頂拱120度范圍進(jìn)行灌漿處理，對(duì)隧洞圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿。

1)估算襯砌厚度：洞徑1.8m，襯砌采用C25混凝土，Ⅱ級(jí)鋼筋，經(jīng)計(jì)算襯砌厚度t=21.95cm，按構(gòu)造要求，本次設(shè)計(jì)襯砌C25混凝土厚度為30cm。

2)內(nèi)力計(jì)算：襯砌后隧洞內(nèi)徑1.8m，壁厚0.3m，采用C25雙筋混凝土襯砌。根據(jù)規(guī)范， 隧洞計(jì)算的荷載有：山巖壓力、襯砌自重、內(nèi)水壓力以及外水壓力等。計(jì)算工況如下：

基本組合，工況一：自重+山巖壓力+內(nèi)水壓力(設(shè)計(jì)水位)；工況二：自重+山巖壓力+外水壓力；

特殊組合，工況三：自重+山巖壓力+內(nèi)水壓力(校核水位)；

隧洞襯砌的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表3、表4，其中使襯砌內(nèi)表面受拉應(yīng)力時(shí)的彎矩為正，使襯砌斷面受壓應(yīng)力時(shí)的軸向力為正。

表3 隧洞進(jìn)出口荷載組合內(nèi)力表

表4 隧洞洞身段荷載組合內(nèi)力表

5.3 配筋計(jì)算

隧洞級(jí)別為3級(jí)，基本荷載組合時(shí)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.6，特殊荷載組合時(shí)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.5。

根據(jù)以上內(nèi)力計(jì)組合結(jié)果，對(duì)隧洞進(jìn)行配筋計(jì)算，雙層對(duì)稱配筋。根據(jù)計(jì)算可知，各種組合均為小偏心受壓或小偏心受拉構(gòu)件，經(jīng)計(jì)算洞身段所需鋼筋鋼筋面積為1001mm2，進(jìn)出口段所需鋼筋面積為1156mm2[4-5]。

故隧洞內(nèi)外層環(huán)向受力鋼筋采用φ20@200(As=1571mm2)，縱向分布筋為φ12@200。

5.4 裂縫開展寬度驗(yàn)算

根據(jù)規(guī)范，鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)不作為有嚴(yán)格防滲要求的結(jié)構(gòu)，可按允許出現(xiàn)裂縫的鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行限裂計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，ωmax=0.21mm<[ωmax]=0.25mm，滿足裂縫寬度要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中，對(duì)原壩下涵管加固造價(jià)較高，施工難度較大，無(wú)法徹底根除滲漏險(xiǎn)情的情況下，合理的設(shè)計(jì)方案是選址新建輸水隧洞，經(jīng)過(guò)方案比選，選擇對(duì)原壩下涵管進(jìn)行封堵，在左岸山體新建輸水隧洞方案；新建輸水隧洞的設(shè)計(jì)思路與方法可為類似水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程輸水建筑物的加固設(shè)計(jì)提供參考。