跋山水庫(kù)放水洞除險(xiǎn)加固工程方案分析

孫 浩

(臨沂市蘭山區(qū)行政審批服務(wù)局，山東 臨沂 276000)

0 引 言

水庫(kù)工程在長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的損毀現(xiàn)象[1-2]。這一現(xiàn)象在我國(guó)早期修建的水庫(kù)工程中最為常見(jiàn)，受限于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)、發(fā)展水平，水庫(kù)建設(shè)往往質(zhì)量較為低下。針對(duì)早期修建的水庫(kù)，亟需復(fù)核其安全狀況，必要時(shí)需采取除險(xiǎn)加固措施[3-5]。結(jié)合跋山水庫(kù)放水洞工程，對(duì)其工程現(xiàn)狀復(fù)核和除險(xiǎn)加固方案進(jìn)行論證分析。

跋山水庫(kù)位于淮河流域沂河干流中上游，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖等功能的大(2)型水庫(kù)。水庫(kù)控制流域面積1782 km2，現(xiàn)狀總庫(kù)容5.28億m3。放水洞位于大壩東端，洞長(zhǎng)187.10m，為鋼筋混凝土圓形隧洞，洞身直徑3.5m，最大泄量116m3/s。洞進(jìn)口處高程155.50m，上游閘門(mén)為3.5×4.0m，平面輪鋼閘門(mén)，下游設(shè)出口閘及電站，電站總裝機(jī)5640kW。

1 放水洞工程現(xiàn)狀復(fù)核

1.1 洞身過(guò)流能力復(fù)核

1.1.1 流態(tài)判別

式中：H為進(jìn)口底以上水深，m；a為洞高，m。

跋山水庫(kù)放水洞洞高a=3.5m，進(jìn)口底高程156.0m，當(dāng)水位低于160.2m時(shí)為無(wú)壓流；當(dāng)水位在160.2m-171.0m時(shí)為半有壓流；當(dāng)水位高于171.0m時(shí)為有壓流。

1.1.2 公式的選取

放水洞洞身長(zhǎng)187.0m，縱坡1/400；進(jìn)口局部水頭損失系數(shù)ζ1=0.25，截面變化處ζ2=0.08，攔污柵ζ3=0.08，閘門(mén)槽ζ4=0.15，轉(zhuǎn)彎ζ5=0.13，出口漸變?chǔ)?=0.1；洞身混凝土糙率n=0.014。

1.1.3 計(jì)算結(jié)果

不同水位下，放水洞洞身泄量見(jiàn)表1。放水洞實(shí)際過(guò)流能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)最大泄量要求。

表1 放水洞洞身過(guò)流能力

1.2 洞身強(qiáng)度復(fù)核

放水洞洞身為圍巖內(nèi)襯環(huán)形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)：洞身位于中等風(fēng)化花崗片麻巖內(nèi)，巖石較完整，但采用爆破開(kāi)挖，造成洞壁裂隙發(fā)育。巖芯采取率52%-95%，圍巖自穩(wěn)條件好，洞身結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)不考慮圍巖壓力。

1.2.1 荷載和荷載組合

基本荷載：襯砌自重、設(shè)計(jì)條件下內(nèi)水壓力及外水壓力。

特殊荷載：校核水位時(shí)的內(nèi)、外水壓力、地震力等。

1.2.2 計(jì)算工況

結(jié)構(gòu)計(jì)算中選取最不利組合進(jìn)行控制。

正常運(yùn)行條件選取進(jìn)口閘門(mén)關(guān)閉，外水壓力混凝土設(shè)計(jì)水位，洞內(nèi)無(wú)水。

非常運(yùn)用條件選取進(jìn)口閘門(mén)敞泄，內(nèi)水壓力同校核水位，外水壓力地下水位。

1.2.3 荷載計(jì)算

洞身襯砌混凝土內(nèi)徑3.5m，厚度0.35m，標(biāo)號(hào)150#(近似于C15)。洞身外水壓力折減系數(shù)按3級(jí)“沿裂隙或軟弱結(jié)構(gòu)面有大量滴水、現(xiàn)狀流水或噴水”考慮，βc=0.4。建筑物自重不利時(shí)取1.05，有利時(shí)取0.95；靜水壓力取1.00。洞身承受荷載計(jì)算值見(jiàn)表2。

表2 洞身承受荷載情況

1.2.4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核

洞身內(nèi)襯混凝土厚度h=0.35m，洞身平均半徑rc=1.925，h/rc=1/5.5>1/8，按厚壁管計(jì)算。選取單寬米核算洞身橫向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，根據(jù)受力情況分別核算承受內(nèi)壓為主時(shí)的結(jié)構(gòu)配筋及承受外壓為主時(shí)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略襯砌自重的影響，僅考慮均勻內(nèi)(外)水壓力的作用，襯砌混凝土截面應(yīng)力分量按彈性力學(xué)的軸對(duì)稱(chēng)平面應(yīng)力考慮，切向和徑向內(nèi)力采用《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的公式計(jì)算。

(1)

(2)

式中：σγ、σθ徑r處的切向及徑向應(yīng)力；PH、PB為內(nèi)、外水壓力；γH、γB外半徑；γ為計(jì)算至洞壁中點(diǎn)的距離。

襯砌混凝土截面彎矩及軸力為：

(3)

N=PHγH-PBγB

(4)

式中：a=rH/rB為現(xiàn)洞身混凝土采用內(nèi)外層對(duì)稱(chēng)配筋，單層配筋面積為628mm2/m，鋼筋允許應(yīng)力=210MPa，圍巖彈性抗力系數(shù)1.0GPa，混凝土彈性模量22GPa。

1)非常運(yùn)行條件：

非常運(yùn)行條件下，洞身襯砌混凝土=-340.4kPa，=208.1kPa(受壓為正，受拉為負(fù))；截面彎矩M=1.43kN.m，軸力N=-202.48kN。

混凝土按軸心受拉近似計(jì)算：洞身混凝土環(huán)向受拉時(shí)配筋所能承受荷載設(shè)計(jì)值為263.76kPa，小于切向拉應(yīng)力340.4kPa；此時(shí)，洞身混凝土受拉，拉應(yīng)力為0.21MPa。內(nèi)外層反向推算，混凝土不出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞校核水位下洞身所能承擔(dān)的最大內(nèi)、外水頭為14.5m。

按彈性力學(xué)方法偏心受拉計(jì)算，公式如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：ri、r0為隧洞襯砌內(nèi)、外半徑，m；p為均勻內(nèi)水壓力，kPa；k0為圍巖彈性抗力系數(shù)，kN/m3；Eg為鋼筋彈性模量，kPa；[σg]為鋼筋允許應(yīng)力，kPa；fi、f0為內(nèi)、外圈鋼筋截面積，m2；σgi、σg0為內(nèi)、外圈鋼筋應(yīng)力，kPa；Eh為混凝土彈性模量，kPa。

隧洞襯砌內(nèi)徑1.75m，外徑2.10m；內(nèi)、外水壓力疊加后靜內(nèi)水壓力101.4kPa；鋼筋彈性模量2.1×108kPa；實(shí)配內(nèi)、外圈鋼筋截面積各為6.28×10-4m2；圍巖彈性康力系數(shù)，與襯砌混凝土完全接觸時(shí)為1000 kN/m3，不接觸時(shí)為0；混凝土彈性模量2.2×107kPa；鋼筋允許應(yīng)力按抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值2.1×105kPa。

按式5.8-5計(jì)算，襯砌混凝土與圍巖完全接觸和不接觸時(shí)所需配筋面積分別為0和4.61×10-4m2。按式5.8-6計(jì)算，襯砌混凝土與圍巖完全接觸和不接觸時(shí)內(nèi)圈鋼筋應(yīng)力分別別為-1.64kPa和8.31kPa。按式5.8-7計(jì)算，襯砌混凝土與圍巖完全接觸和不接觸時(shí)外圈鋼筋應(yīng)力分別別為1.56×104kPa和1.28×105kPa。按5.8-6、7公式，圍巖與襯砌間填充不密實(shí)存有空隙時(shí)，反算外圈鋼筋達(dá)到允許應(yīng)力時(shí)所能承擔(dān)的最大靜內(nèi)水壓力為16.8m。

非常運(yùn)行條件，靜內(nèi)水壓力≤165kPa時(shí)襯砌混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

2)正常運(yùn)行條件：

正常運(yùn)行條件下，洞身襯砌混凝土=532.6kPa，=50.6kPa；截面彎矩M=-0.9kN.m，軸力N=187.11kN(受壓為正，受拉為負(fù))。

正常運(yùn)行控制工況下，襯砌混凝土受壓為主，壓應(yīng)力滿(mǎn)足混凝土受壓強(qiáng)度要求，抗彎承載力滿(mǎn)足要求。

根據(jù)上述計(jì)算情況，分析認(rèn)為圍巖與混凝土間結(jié)合不緊密，尤其是襯砌層回填灌漿不密實(shí)存有空隙，庫(kù)內(nèi)高水位運(yùn)行時(shí)襯砌混凝土易產(chǎn)生環(huán)向受拉坡壞。

2 除險(xiǎn)加固方案分析

放水洞洞身襯砌后回填灌漿不充分，圍巖無(wú)法發(fā)揮應(yīng)有的抗力，致使襯砌混凝土產(chǎn)生大量環(huán)向裂縫直接影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。欲解決目前存在的問(wèn)題，一方面要對(duì)襯砌和圍巖間進(jìn)行充填，另一方面要提高襯砌混凝土強(qiáng)度。

2.1 隧洞帷幕灌漿

隧洞圍巖灌漿的目的：一方面充填隧洞爆破開(kāi)挖時(shí)圍巖產(chǎn)生的裂隙，另一方面通過(guò)灌漿填充襯砌層間的空隙使圍巖與襯砌共同受力，保證隧洞在正常發(fā)揮其功能的條件下長(zhǎng)期安全運(yùn)行。隧洞圍巖灌漿以回填和固結(jié)灌漿相結(jié)合，回填和固結(jié)灌漿孔交錯(cuò)布置，排(環(huán))距3.0m。

回填灌漿區(qū)域?yàn)檎?20°范圍，正頂1孔，左右兩側(cè)60°各1孔，正頂孔充填，兩邊孔輔助。回填灌漿分兩序進(jìn)行，1序孔間距12.0m，2序孔間距6.0m。灌漿材料采用水灰比不稀于0.6的水泥漿，壓力控制在0.2-0.4MPa，達(dá)到此壓力20min不再吃漿即可結(jié)束。

固結(jié)灌漿孔與回填灌漿孔交錯(cuò)，排(環(huán))間分三序進(jìn)行，終孔排距6.0m。每排沿洞身環(huán)向均布5孔，相鄰固結(jié)灌漿孔交錯(cuò)布置，灌漿范圍為圍巖內(nèi)5.0m。灌漿材料為普通硅酸鹽水泥漿液。漿液配比根據(jù)灌漿試驗(yàn)確定。根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)按圍巖吸水率初步確定，5-10Lu時(shí)水灰比4∶1，1-5Lu時(shí)水灰比5∶1，0.1-1Lu時(shí)水灰比6∶1。灌漿壓力與圍巖的裂隙寬度、強(qiáng)度、初始應(yīng)力狀態(tài)、漿液稠度及布孔有關(guān)，宜通過(guò)試驗(yàn)確定。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，初步確定為≤2MPa。灌漿前應(yīng)先進(jìn)行壓水試驗(yàn)，圍巖單位吸水率<0.1Lu可不再灌漿。灌漿采用自外向內(nèi)孔口封閉灌漿法。

2.2 洞身加固設(shè)計(jì)

現(xiàn)隧洞襯砌混凝土已產(chǎn)生眾多環(huán)向裂縫，內(nèi)、外水沿縫貫通，已引起襯砌層鋼筋銹蝕已影響洞身襯砌的完整性及強(qiáng)度。為保證隧洞在正常發(fā)揮其功能的條件下長(zhǎng)期安全運(yùn)行，需對(duì)隧洞襯砌層進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

2.2.1 洞身加固方案比選

根據(jù)復(fù)核計(jì)算結(jié)果結(jié)合現(xiàn)有工程加固手段，重點(diǎn)比選以下3個(gè)加固方案。

方案一:新增襯砌層：原襯砌混凝土表層處理后重新澆筑混凝土，襯砌層厚0.2m；混凝土強(qiáng)度C25，主筋按單層配置，規(guī)格為φ20@200mm，分布筋φ14。

方案二:噴錨混凝土層：原襯砌混凝土表層處理后掛鋼筋網(wǎng)噴射C25細(xì)石混凝土，面層厚8cm；錨桿間距2.0×2.0m，梅花型布置，錨桿錨固深1.5m，鋼筋網(wǎng)縱、橫向間距20cm，鋼筋型號(hào)φ8，混凝土噴射后鋼絲刷清潔表面。

方案三:內(nèi)襯鋼板：原襯砌混凝土表層處理后內(nèi)襯8mm的Q235鋼板，鋼材結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)，鋼板與洞身間錨桿連接，鋼板與洞身間接觸灌漿。

各加固方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 放水洞洞身加固方案論證

方案一襯砌后，洞身內(nèi)徑3.1m，糙率n取0.013；方案二噴錨后，洞身內(nèi)徑3.34m，糙率n取0.016；方案三鋼板內(nèi)襯后洞身內(nèi)徑3.44m，糙率n取0.012。以上各方案下洞身過(guò)流與現(xiàn)狀對(duì)比見(jiàn)表4，水位-泄量關(guān)系如圖1所示。

表4 放水洞各加固方案洞身過(guò)流能力

圖1 不同方案水位-泄量關(guān)系曲線(xiàn)

就過(guò)流能力影響而言，方案一減少最大，方案三略有提高，方案二減少量居中。方案一對(duì)洞身過(guò)流能力減小較多，影響放水洞的泄流和發(fā)電，通過(guò)初步計(jì)算，方案三工程投資約為250萬(wàn)元，方案二為50萬(wàn)元，綜合考慮采用方案二作為推薦方案。

2.2.2 加固設(shè)計(jì)

在原有洞身混凝土面瓜鋼筋網(wǎng)噴射厚度8cm的C25細(xì)石混凝土，混凝土噴射層與原襯砌及圍巖間采用錨桿連接。錨桿直徑22mm，錨固深度1.5m，間距2.0×2.0m，梅花型布置；鋼筋網(wǎng)縱、橫向間距200mm，鋼筋直徑8mm。

施工工藝為現(xiàn)有混凝土面清理→第一次噴射混凝土→錨桿鉆孔、注漿→鋼筋網(wǎng)制作、掛網(wǎng)→第二次噴射混凝土→養(yǎng)護(hù)→噴射層清潔。

水泥選用42.5普通硅酸鹽水泥，砂采用中砂，粗骨料采用粒徑≤15mm的碎石。

3 結(jié) 論

跋山水庫(kù)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中出現(xiàn)了不同程度的破損，以放水洞工程為例，通過(guò)計(jì)算復(fù)核，放水洞現(xiàn)狀滿(mǎn)足過(guò)水需求，但在高水位工況下易出現(xiàn)受拉破壞。因此，放水洞需采取加固處理，采用帷幕灌漿對(duì)隧洞圍巖裂隙進(jìn)行充填，以改善隧洞受力狀況；通過(guò)方案比選采用噴錨原混凝土層的方案可在低投資的條件下，滿(mǎn)足過(guò)水需求。