廣西鳳亭河水庫舊輸水隧洞除險加固工程方案優(yōu)化

李菲

（中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東廣州 510000）

1 工程概述

1.1 工程原建設(shè)背景

廣西鳳亭河水庫工程于1958 年10 月動工建設(shè)，至1960 年4 月建成。于1974 年后放水至廣西屯六水庫向廣西大塘及欽北灌區(qū)農(nóng)田供水；廣西風(fēng)亭河水庫舊輸水隧洞出口處的洞口電站于1976 年開始引水發(fā)電，新建放水隧洞出口處的鳳亭河電站2007 年開始引水發(fā)電。目前廣西鳳亭河水庫與廣西屯六水庫聯(lián)合運行，向廣西南寧市良慶區(qū)大塘鎮(zhèn)、南曉鎮(zhèn)、欽州市欽北區(qū)貴臺鎮(zhèn)供水。結(jié)合廣西鳳亭河水庫相關(guān)設(shè)計資料及現(xiàn)狀供水對象，廣西鳳亭河水庫是一座以灌溉為主，兼供水、發(fā)電的綜合利用水利工程[1]。

1.2 工程地質(zhì)條件

主壩舊輸水隧洞布置在主壩右端處，隧洞沿線地貌為一山坳，頂部為圓形鋼筋混凝土壓力式隧洞，洞徑2.7m，全長210m，沿線穿越地層為白堊系新隆組下統(tǒng)第一段（Kix1）礫巖夾粉砂質(zhì)泥巖，呈單斜構(gòu)造為主，巖層走向與隧洞軸線有一定夾角。

隧洞進(jìn)口段巖石風(fēng)化程度以強風(fēng)化為主，巖體較破碎，洞頂埋深11.5～19.5m，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，風(fēng)化差異較大，地下水水位高于洞頂5～6m，圍巖類別為Ⅴ類。

隧洞洞身段巖石風(fēng)化程度以強風(fēng)化～弱風(fēng)化巖體為主，隧洞埋深19～30m，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，地下水高于洞頂1.3～5m，圍巖類別為Ⅳ～Ⅴ類。

隧洞出口段巖石風(fēng)化程度以強風(fēng)化為主，巖體較破碎，洞頂埋深為0.4～18.2m，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，風(fēng)化差異大，地下水位高于洞頂0.3～1.3m，圍巖類別為Ⅴ類。出口邊坡為斜交順向坡，邊坡穩(wěn)定性較差，需加強支護(hù)。

1.3 舊輸水隧洞現(xiàn)狀

（1）滲流安全分析。根據(jù)設(shè)計階段在進(jìn)水塔附近鉆孔的壓水實驗來看，全風(fēng)化巖體屬中等透水性，強風(fēng)化巖體屬中等透水性，弱風(fēng)化巖體屬弱透水性，巖石與隧洞之間可能存在接觸滲漏安全隱患。

（2）主壩舊輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)復(fù)核。經(jīng)復(fù)核計算，在校核工況下，襯砌混凝土最大拉應(yīng)力為0.89MPa；在檢修工況下，襯砌混凝土最大壓應(yīng)力為0.49MPa。兩種工況均不滿足規(guī)范的耐久性要求。

2 初步設(shè)計階段加固設(shè)計方案

2.1 現(xiàn)狀過流能力復(fù)核

主壩舊輸水隧洞進(jìn)口底高程159.42m，出口底高程151.62m；水庫正常水位為175.12m，設(shè)計洪水位為177.74m，校核洪水位為179.03m，最低運行水位為164.12m。經(jīng)計算復(fù)核，在最低運行水位下，廣西鳳亭河水庫舊輸水隧洞過水流量Q＝38.39m3/s，可以滿足隧洞最大泄量26.0m3/s 的要求。由此可見，水庫正常運行過程中，舊輸水隧洞始終處于有壓流運行狀態(tài)，其過流能力可滿足下游電站發(fā)電要求。根據(jù)隧洞的流態(tài)，隧洞過流能力計算復(fù)核主要采用有壓流計算公式，如下：

有壓流過流能力計算公式為：

從表1 可得知，水庫正常運行過程中，隧洞過流能力隨庫水位升高而增大。在原電站發(fā)電最低運行水位164.12m 時，隧洞過流流量為38.39m3/s，可滿足隧洞最大下泄流量26m3/s 及最大下放生態(tài)流量1.17m3/s 的過流能力要求。根據(jù)計算，隧洞洞徑2.3m 即可滿足過流能力要求。

表1 主壩舊輸水隧洞過流上游庫水位～流量關(guān)系成果

2.2 內(nèi)襯鋼管壁厚復(fù)核

根據(jù)對原主壩舊輸水隧洞襯砌的計算，襯砌混凝土最大拉應(yīng)力為0.89MPa，拉應(yīng)力較大，根據(jù)工程經(jīng)驗，一般素混凝土結(jié)構(gòu)不能作為受拉構(gòu)件。為此，隧洞襯砌加固后，內(nèi)水壓力由內(nèi)襯鋼管承擔(dān)[2]。

內(nèi)襯鋼管結(jié)構(gòu)計算根據(jù)《水利水電工程壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》（SL/T 281—2020）[3-4]中計算公式進(jìn)行鋼板襯砌厚度、管壁應(yīng)力和抗外壓穩(wěn)定計算：

式中：t——鋼管厚度，mm；p——內(nèi)水壓力設(shè)計值，N/mm2；r——鋼管內(nèi)半徑，mm；D——鋼管內(nèi)直徑，mm；σR——鋼管的抗力限值，N/mm2。

管壁應(yīng)力計算公式：

式中：σθ——鋼管環(huán)向正應(yīng)力，N/mm2；K0——圍巖單位抗力系數(shù)較小值，N/mm3；p——內(nèi)水壓力設(shè)計值，N/mm2，隧洞最大靜水壓力0.18N/mm2；t——鋼管管壁厚度，mm；r——鋼管內(nèi)半徑，mm；δ2——縫隙，mm；σR——鋼管的抗力限值，N/mm2；ES2——平面應(yīng)變問題的鋼材彈性模量，N/mm2。

抗外壓穩(wěn)定計算公式：

式中：pcr——抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計算值，N/mm2；t——鋼管管壁厚度，mm；r——鋼管內(nèi)半徑，mm；σS——鋼材屈服點，N/mm2；Kc——抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)，為1.8；p0k——徑向均布外壓力標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2。

2.3 現(xiàn)狀主壩舊輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)復(fù)核

原主壩舊輸水隧洞為素混凝土結(jié)構(gòu)。經(jīng)計算，在校核工況下，主壩舊輸水隧洞襯砌混凝土最大拉應(yīng)力為0.89MPa；在檢修工況下，主壩舊輸水隧洞襯砌混凝土最大壓應(yīng)力為0.49MPa。

根據(jù)《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計規(guī)范》（SL 654—2014）規(guī)定，對于二類環(huán)境下使用年限為50 年的鋼筋凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強度等級不宜低于C25。故現(xiàn)狀主壩舊輸水隧洞混凝土強度不滿足規(guī)范要求。

2.4 加固方案

根據(jù)地勘工作反饋，主壩舊輸水隧洞洞身圍巖為強～弱風(fēng)化的礫巖夾粉砂質(zhì)泥巖，但巖體較破碎，裂隙較為發(fā)育，洞身圍巖類別均為Ⅴ類。根據(jù)《水工設(shè)計手冊（第8 卷水電站建筑物）》中關(guān)于水工隧洞的敘述，對于圍巖地質(zhì)條件較差的洞段一般采用鋼筋混凝土襯砌。再結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)對類似工程采用的加固型式，本階段對主壩舊輸水隧洞加固方案選定為固結(jié)灌漿+全段內(nèi)襯鋼管型式。在完成隧洞固結(jié)灌漿后，采用內(nèi)徑2.3m的鋼管對原隧洞進(jìn)行加固。鋼管管壁厚度取為12mm，鋼管外按構(gòu)造要求取每間距2m 布設(shè)一道加勁環(huán)，加勁環(huán)壁厚亦取為12mm。鋼管與原主壩舊輸水隧洞襯砌之間采用C25（1）微膨脹混凝土進(jìn)行回填，回填混凝土厚度取為0.2m。回填混凝土施工完畢后進(jìn)行回填灌漿及接觸灌漿的處理。

3 施工圖設(shè)計遇到的問題

施工圖設(shè)計階段根據(jù)初設(shè)階段方案從隧洞實際走向、實際過流條件，鋼管計算工況、鋼管運輸及安裝條件進(jìn)行現(xiàn)場查勘、實測復(fù)核及分析：

（1）廣西風(fēng)亭河水庫主壩舊輸水隧洞軸線實際走向?qū)崪y復(fù)核變化大。按初步設(shè)計階段，主壩舊輸水隧洞平面軸線為直線無拐點，縱坡變坡點5 個。隧洞平面順直，縱坡變化較平順，方便鋼管運輸及安裝，施工難度較小。但經(jīng)施工圖設(shè)計階段現(xiàn)場查勘復(fù)測后發(fā)現(xiàn)，主壩舊輸水隧洞平面軸線從放水塔至隧洞末端節(jié)平面轉(zhuǎn)彎點共28個，縱向變坡點共8 個，部分走向變坡點坡比較陡，最大坡比為1∶3，且坡段只有3500mm 長。隧洞平面拐點較多，縱坡變化多、不平順，鋼管安裝條件較為苛刻。

（2）廣西風(fēng)亭河水庫主壩舊輸水隧洞施工圖設(shè)計階段復(fù)核實際過流條件與初步設(shè)計階段相符。隧洞襯砌為鋼筋混凝土襯砌，表面有較多蜂窩麻面，局部骨料外露，存在較小的滲流情況。

（3）初步設(shè)計階段考慮鋼管計算工況不夠充分。施工圖設(shè)計階段，內(nèi)襯鋼管結(jié)構(gòu)計算工況考慮分為運行檢修期及施工期。鋼管最不利工況考慮在外水壓力作用下，鋼管無內(nèi)水過流，管內(nèi)考慮放空負(fù)壓（1 個大氣壓）0.1N/mm2。根據(jù)《水利水電工程壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》（SL/T 281—2020），運行檢修期按明光面管和地下埋管型式計算；施工期采用明光面管型式計算。經(jīng)計算復(fù)核，鋼管壁厚需為20mm，其強度和穩(wěn)定才均滿足設(shè)計要求。

（4）施工圖設(shè)計階段由實測數(shù)據(jù)可得知，隧洞洞徑2.7m，內(nèi)襯鋼管內(nèi)徑2.3m，兩側(cè)管節(jié)焊接空間只有0.2m。根據(jù)《水利水電工程壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》（SL/T 281—2020），0.2m 不滿足管外焊接空間要求。再者，洞內(nèi)拐點較多，且有可能存在空間轉(zhuǎn)彎，為洞內(nèi)鋼管運輸及安裝增加難度。

4 設(shè)計方案優(yōu)化

（1）主壩舊輸水隧洞洞身圍巖為強～弱風(fēng)化的礫巖夾粉砂質(zhì)泥巖，但巖體較破碎，裂隙較為發(fā)育，洞身圍巖類別均為Ⅴ類。根據(jù)《水工設(shè)計手冊（第8 卷水電站建筑物）》中關(guān)于水工對于主壩舊輸水隧洞的敘述：對于圍巖地質(zhì)條件較差的洞段一般采用鋼筋混凝土襯砌。保留原初步設(shè)計階段主壩舊輸水隧洞固結(jié)灌漿對隧洞圍巖進(jìn)行加固。

（2）近年來，纖維增強復(fù)合材料（FRP）具有固化后力學(xué)性能好、抗腐蝕性和耐久性能好、熱膨脹系數(shù)與混凝土的相近等特點，在國內(nèi)水工結(jié)構(gòu)及地下結(jié)構(gòu)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。因此，本次施工設(shè)計階段根據(jù)主壩舊輸水隧洞地形地質(zhì)及周邊環(huán)境的情況，并考慮到當(dāng)時原主壩舊輸水隧洞施工質(zhì)量差，隧洞軸線不規(guī)則等不利因素，對主壩舊輸水隧洞前179m 在完成隧洞固結(jié)灌漿后，先對原主壩舊輸水隧洞過窄處鑿除及表面進(jìn)行打磨，然后采用丙乳水泥砂漿將主壩舊輸水隧洞裂縫及隧洞的蜂窩麻面進(jìn)行修補后，采用FRP 包裹法將制作好的樹脂膠浸漬編織布包裹粘貼在打磨修補好的隧洞襯砌表面，然后進(jìn)行一定的養(yǎng)護(hù)即可。

（3）主壩舊輸水隧洞尾部約40m 長度洞身圍巖為強風(fēng)化轉(zhuǎn)巖的平直洞段，考慮采用內(nèi)徑為2.3m 的鋼襯管對原主壩舊輸水隧洞進(jìn)行加固。鋼管與原主壩舊輸水隧洞襯砌之間采用C25（1）微膨脹混凝土回填，回填混凝土厚度取為0.2m?；靥罨炷潦┕ね戤吅筮M(jìn)行回填灌漿及接觸灌漿的處理[5]。

主壩舊輸水隧洞內(nèi)襯鋼管結(jié)構(gòu)計算工況考慮分為運行檢修期及施工期?？紤]現(xiàn)場安裝空間較小，安裝難度較大，為保證安裝質(zhì)量，本次內(nèi)襯鋼管設(shè)計由加勁環(huán)管型式優(yōu)化為光面管型式。根據(jù)《水利水電工程壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》（SL/T 281—2020），運行檢修期按明光面管和地下埋管型式計算；施工期采用明光面管型式計算。

其中，內(nèi)襯鋼管管壁厚度計算：

式中：t——內(nèi)襯鋼管厚度，mm；p——內(nèi)水壓力設(shè)計值，N/mm2；r——內(nèi)襯鋼管內(nèi)半徑，mm；D——內(nèi)襯鋼管內(nèi)直徑，mm；σR——內(nèi)襯鋼管的抗力限值，N/mm2。

檢修期，內(nèi)襯鋼管抗外壓穩(wěn)定計算：

按明光面管考慮時：

式中：t——內(nèi)襯鋼管管壁厚度，mm；r——內(nèi)襯鋼管內(nèi)半徑，mm；ES——平面應(yīng)變問題的鋼材彈性模量，N/mm2；Kc1——允許安全系數(shù)。

按地下埋管光面管考慮時：

式中：t——內(nèi)襯鋼管管壁厚度，mm；r——內(nèi)襯鋼管內(nèi)半徑，mm；ES——平面應(yīng)變問題的鋼材彈性模量，N/mm2；Kc2——允許安全系數(shù)。

施工期，內(nèi)襯鋼管抗外壓穩(wěn)定計算：

按明光面管考慮時：

式中：t——內(nèi)襯鋼管管壁厚度，mm；r——內(nèi)襯鋼管內(nèi)半徑，mm；ES——平面應(yīng)變問題的鋼材彈性模量，N/mm2；Kc1——允許安全系數(shù)。

根據(jù)內(nèi)襯鋼管抗外壓穩(wěn)定計算分析反推算得出，當(dāng)內(nèi)襯鋼管管材為Q355C，內(nèi)襯鋼管壁厚為20mm 時，其強度和穩(wěn)定均滿足要求。

5 結(jié)語

在進(jìn)行水庫舊輸水隧洞除險加固工程設(shè)計之前，應(yīng)現(xiàn)場查勘，并實測復(fù)核，充分了解舊輸水隧洞洞內(nèi)現(xiàn)狀走向及洞內(nèi)結(jié)構(gòu)情況，選擇合理的隧洞內(nèi)除險加固措施，是下一步進(jìn)行除險加固設(shè)計的工作基礎(chǔ)；加固措施要以滿足各設(shè)計工況結(jié)構(gòu)安全要求為導(dǎo)向，確保設(shè)計方案的可行性；結(jié)合現(xiàn)場施工條件，分析舊輸水隧洞內(nèi)鋼管運輸及安裝措施并選擇合理的加固方式，確保設(shè)計的可行性及合理性。優(yōu)化調(diào)整后的隧洞加固方案考慮全面，技術(shù)性較優(yōu)，施工期措施建議合理，有效指導(dǎo)隧洞加固的施工，實施效果符合建設(shè)要求[6]。