聯(lián)和水庫除險加固工程檢修隧洞方案選擇及設(shè)計

劉天芬

(惠州市華禹水利水電工程勘測設(shè)計有限公司，廣東 惠州 516001)

1 工程概況

聯(lián)和水庫位于東江水系一級支流聯(lián)和水中游，地處博羅縣福田鎮(zhèn)石巷村，水庫樞紐由主副壩、溢洪道、輸水隧洞及壩后電站組成，是一宗以灌溉為主，結(jié)合供水、防洪、發(fā)電等綜合利用的中型水庫。庫區(qū)集雨面積為110.8 km2，最大庫容為8 094萬m3，灌溉面積為11.74萬畝，日供水量為4.48萬m3/d，負(fù)責(zé)2個鎮(zhèn)5萬居民的生活用水。水庫大壩原設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，經(jīng)1989年加固后水庫設(shè)計和校核洪水標(biāo)準(zhǔn)分別為100年一遇和1 000年一遇。水庫正常蓄水位為56.65 m，相應(yīng)庫容為6 115萬m3；死水位為31.65 m，相應(yīng)庫容為474萬m3；設(shè)計洪水位為60.78 m，對應(yīng)庫容為7 573萬m3；校核洪水位為62.20 m，對應(yīng)庫容為8 105萬m3。

水庫于1958年11月動工興建，1964年完工，由于歷史原因，工程一直帶病運(yùn)行，2014年1月經(jīng)安全鑒定為三類壩，急需對水庫主副壩、溢洪道、輸水隧洞等進(jìn)行除險加固?，F(xiàn)狀輸水隧洞主要擔(dān)負(fù)灌溉、泄洪、供水、發(fā)電任務(wù)，加固后功能保持不變，其控制措施由進(jìn)口事故閘門及管道末端錐形閥控制，在運(yùn)行過程中若需對隧洞進(jìn)行檢修，則需停止供水，直接影響對福田鎮(zhèn)和石灣鎮(zhèn)5萬人的生活用水，為減小隧洞檢修對居民供水的影響，保證居民用水不會因?yàn)樗畮焖矶礄z修而中斷，本次水庫除險加固計劃新建檢修隧洞以滿足福田鎮(zhèn)和石灣鎮(zhèn)的供水保證率要求。

2 隧洞方案比選

2.1 技術(shù)比選

2.1.1選址選線

根據(jù)聯(lián)和水庫現(xiàn)場地形條件，初步擬定檢修隧洞位置。結(jié)合下游供水接駁、運(yùn)行管理等要求，本次設(shè)計擬定洞址有兩處，分別位于主壩右岸和左岸，即現(xiàn)狀隧洞與主壩右岸之間山體內(nèi)，洞長約153 m(即方案1)。主壩左岸與副壩之間的山體內(nèi)，洞長約185 m(即方案2)，具體位置見圖1。從選址選線來看，方案1優(yōu)于方案2。

圖1 檢修隧洞方案比較平面示意

2.1.2地質(zhì)條件

方案1為大壩右側(cè)隧洞。隧洞進(jìn)出口段成洞條件差，應(yīng)進(jìn)行開槽施工至穩(wěn)定洞臉后方可進(jìn)洞，并采取必要的支護(hù)措施；隧洞洞體段巖層為強(qiáng)、弱、微風(fēng)化花崗巖，屬Ⅳ～Ⅱ類圍巖，洞體大部分地段Ⅳ、Ⅲ類圍巖，穩(wěn)定性較差，應(yīng)采取必要的支護(hù)措施。

方案2為大壩左側(cè)隧洞。隧洞進(jìn)口、洞體段巖層為微風(fēng)化花崗巖，屬Ⅱ類圍巖，基本穩(wěn)定，圍巖整體穩(wěn)定，不會產(chǎn)生塑性變形，局部可能產(chǎn)生掉塊；出口段巖層為強(qiáng)、弱風(fēng)化花崗巖，屬Ⅳ～Ⅲ類圍巖，圍巖穩(wěn)定性較差，應(yīng)采取必要的支護(hù)措施。

從隧洞成洞地質(zhì)條件來看，方案2優(yōu)于方案1。

2.1.3結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)檢修隧洞供水需要，結(jié)合施工要求，初擬2 條洞線的隧洞均采用城門洞型[4]，成洞直徑為2 m，成洞后于圍巖間隔0.8 m梅花型布設(shè)Φ22錨桿，錨桿長2.5 m，并掛Φ8@200 mm鋼筋網(wǎng)，然后噴射0.1 m厚C25砼[11-13]。待砼達(dá)到齡期后隧洞內(nèi)套壁厚14 mmΦ1.6 m鋼管，鋼管與隧洞之間用自密實(shí)細(xì)石混凝土回填，并對管壁進(jìn)行回填灌漿[14]。在隧洞出口處，鋼管駁長為灌溉及供水管，并從鋼管分出2個Φ800和1個Φ1 000壓力鋼管，作為臨時灌溉和供水管，駁長壓力鋼管壁厚14 mm，臨時灌溉管出口設(shè)閘閥控制，供水管與現(xiàn)狀供水管連接并設(shè)閘閥控制。2 條洞線方案其永久管連接于現(xiàn)狀隧洞出口駁長鋼管段，由于隧洞長度不同，駁接鋼管長度不同。從結(jié)構(gòu)方案來看，2 個方案基本相同。

2.1.4施工條件

方案1和方案2均采用鉆爆法[7-10]并用錨桿+掛網(wǎng)噴射C25砼[11-13]施工方案，但方案1隧洞長153.41 m，方案2隧洞長185.49 m，方案2施工工期更長。

方案1和方案2均需設(shè)置施工圍堰，經(jīng)計算施工洪水位為42.20 m，方案1進(jìn)口圍堰采用均質(zhì)土石圍堰，圍堰長57.8 m，頂寬3.5 m，迎水坡坡比為1∶2.0，背水坡坡比為1∶1.5，圍堰基礎(chǔ)底高程為37.0 m。頂部高程為43.0 m，為保留足夠的庫容，圍堰頂加設(shè)500 mm高砂包圍堰。圍堰迎水側(cè)設(shè)置500 mm厚黏土防滲。方案2進(jìn)口圍堰采用均質(zhì)土石圍堰，圍堰長105.1 m，頂寬3.5 m，迎水坡坡比為1∶2.5，背水坡坡比為1∶1.5，圍堰基礎(chǔ)底高程為30 m。頂部高程為43.0 m，為保留足夠的庫容，圍堰頂加設(shè)500 mm高砂包圍堰。圍堰迎水側(cè)設(shè)置500 mm厚黏土防滲。方案1圍堰平均高約5 m，方案2圍堰平均高13 m，圍堰填筑為水中填土，方案2圍堰填筑高度較大，難以保證施工質(zhì)量，可能存在安全隱患，因此從圍堰施工角度來看，方案1比方案2更優(yōu)。

2.1.5運(yùn)行管理

方案1隧洞后駁接管長40.57 m，位于山體后平地上，管線較短便于管道巡查、檢修。方案2隧洞后駁接管長458.03 m，需沿水庫進(jìn)庫公路埋設(shè)，對建成后的巡查、檢修不利，且管道經(jīng)過主壩壩腳，如出現(xiàn)爆管將直接影響水庫主壩的安全。因此從運(yùn)行管理上來看，方案1更優(yōu)。

2.2 生態(tài)比選

生態(tài)比選主要是對兩個隧洞工程方案的節(jié)能減排情況進(jìn)行比較。對2個隧洞設(shè)計方案的水泥用量和鋼材用量進(jìn)行統(tǒng)計，根據(jù)2個方案中水泥、鋼材用量，折算成對應(yīng)所需消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤，再根據(jù)每燃燒1 t標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的CO2排放量，分別計算出2 個方案的CO2排放量，從而就可以比較2個方案的節(jié)能減排情況，即可判斷2個隧洞方案的生態(tài)性。

據(jù)查相關(guān)資料，我國目前生產(chǎn)每1 t水泥需消耗約235 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，而燃燒1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生約2.5 kg 二氧化碳[15]。即1 t水泥消耗0.235 t標(biāo)準(zhǔn)煤，而燃燒1 t標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生2.5 t CO2。則1 t水泥產(chǎn)生的CO2為：0.235×2.5=0.587 5 t。

根據(jù)2020年中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國2020年每噸鋼的平均能耗約為0.55 t標(biāo)準(zhǔn)煤，折算1 t標(biāo)準(zhǔn)煤約排放為2.66～2.72 t CO2。則生產(chǎn)1 t鋼產(chǎn)生的CO2：0.55×2.69=1.48 t。詳細(xì)比較見表1(水泥用量比較)及表2(鋼材用量比較)。

表1 檢修隧洞2個設(shè)計方案水泥用量(節(jié)能減排)比較

表2 檢修隧洞2個設(shè)計方案鋼材用量(節(jié)能減排)比較

從表1 、表2可知，方案1與方案2的CO2排放量分別為：261.64+357.41=619.05 t，264.36+678.00 =942.36 t。即方案2比方案1多排放CO2量323.31 t，因此，從節(jié)能減排(生態(tài))方面比較，方案1優(yōu)于方案2。

2.3 經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)2個隧洞方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計成果，比較2個方案的工程造價(見表3)。由表3可知，方案1比方案2節(jié)省投資518.71萬元，方案1經(jīng)濟(jì)上更合理。

表3 2個檢修隧洞方案造價比較

2.4 方案最終確定

從技術(shù)、節(jié)能減排(生態(tài))和經(jīng)濟(jì)3方面比較可知，方案1不僅技術(shù)可行，節(jié)能減排，而且經(jīng)濟(jì)更合理，節(jié)約投資，因此本次設(shè)計采用方案1新建檢修隧洞。根據(jù)上述論述，對2 個隧洞方案進(jìn)行最終綜合比較(見表4)。

表4 聯(lián)和水庫檢修隧洞方案綜合比較

3 隧洞設(shè)計計算

3.1 過流能力計算

新建隧洞進(jìn)口高程為31.65 m，出口高程為22.92 m，總長為379 m，根據(jù)《水力計算手冊》[5]水工隧洞的水力計算部分，有壓隧洞過流能力按非淹沒有壓流計算，檢修隧洞過流能力計算成果見表5。

表5 檢修隧洞水位～流量

灌區(qū)設(shè)計流量與城鎮(zhèn)供水流量合計為11.58 m3/s，根據(jù)以上計算結(jié)果，水庫在正常水位41 m高程以上時，過流能力滿足灌溉及供水要求。

3.2 隧洞壓力鋼管結(jié)構(gòu)計算

鋼管材料為Q235鋼，設(shè)計容許應(yīng)力[σ]=145 MPa，彈性模量E=2.0×105MPa。按遭遇校核洪水工況計算鋼管結(jié)構(gòu)。

1)鋼管壁厚計算

根據(jù)《水電站建筑物》[4]清華大學(xué)出版社的“鍋爐”公式，鋼管壁厚按下式計算：

(1)

式中：

γ——水容重，9.8 kN/m3；

H——校核洪水位作用水頭，27.16 m；

D——鋼管內(nèi)徑，1.6 m；

[σ]——鋼材容許應(yīng)力，145 MPa；

Φ——焊接系數(shù)，0.9；

d——裕度，2mm；

δ——鋼管壁厚，mm。

計算得，δ=3.63 mm。

根據(jù)《水工設(shè)計手冊》[2]第七卷，構(gòu)造要求的鋼管壁厚按下式計算：

(2)

計算得，δ≥6 mm，因隧洞出口下游鋼管存在部分架空管段，根據(jù)《05s506—1自承式平直形架空鋼管》[6]及架空管段鋼管跨度，鋼管設(shè)計壁厚采用14 mm。

2)鋼管應(yīng)力計算

計算內(nèi)容為鋼管的膜應(yīng)力計算及抵抗外力穩(wěn)定計算。

① 應(yīng)力復(fù)核

內(nèi)水壓力：

P=γwHp=9.8×103×27.16=2.66×105N/m2。

徑向力：

N=PR內(nèi)=2.66×105×0.8=2.13×105N/m。

膜應(yīng)力：

σ=N/δ=2.13×105/(14×10-3)=15.2 MPa<[σ]。

② 抵抗外力穩(wěn)定分析

管壁的臨界外壓：

Pcr=2E(δ/D0)3=2×2.0×105×(0.014/1.6)3=0.27 MPa>0.1 MPa。

③ 結(jié)論

鋼管膜應(yīng)力小于鋼材允許值，鋼管抵抗外壓力大于0.1 MPa，應(yīng)力滿足要求。

3.3 進(jìn)水口穩(wěn)定計算

檢修隧洞進(jìn)水口為塔式進(jìn)水口，建基面為新開挖弱風(fēng)化花崗巖，基面高程為34.00 m，閘室底板高程為35.00 m，啟閉機(jī)室底板高程為63.50 m。進(jìn)水口需進(jìn)行穩(wěn)定計算，計算內(nèi)容包括基底應(yīng)力計算、抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定和抗浮穩(wěn)定計算。

3.3.1計算工況

工況①：水庫水位為正常蓄水位56.65 m；

工況②：完建未擋水；

工況③：水庫水位為校核洪水位62.16 m。

3.3.2荷載組合(見表6)

表6 穩(wěn)定計算荷載組合

1)主要荷載

① 自重G1：進(jìn)水口(底板+邊墻)；自重G2：進(jìn)水口(頂板)；自重G3：排架柱、啟閉機(jī)室、閘門及啟閉機(jī)。

② 水重G4。

③ 靜水壓力P。

④ 揚(yáng)壓力U。

⑤ 風(fēng)壓力Wk。

經(jīng)過計算，進(jìn)水口抗滑、抗傾、抗浮及基底應(yīng)力計算結(jié)果見表7～表10。

表7 隧洞進(jìn)水口抗滑穩(wěn)定計算成果 kN

表8 隧洞進(jìn)水口抗傾覆穩(wěn)定計算成果 kN·m

表9 隧洞進(jìn)水口抗浮穩(wěn)定計算成果 kN

表10 隧洞進(jìn)水口基底應(yīng)力計算成果 kPa

根據(jù)計算，進(jìn)水口在各計算工況下抗滑、抗傾覆、抗浮穩(wěn)定系數(shù)大于規(guī)范允許值；進(jìn)水口在各計算工況下基底最大壓應(yīng)力小于地基允許承載力，且未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本文根據(jù)聯(lián)和水庫現(xiàn)場地形條件，并結(jié)合下游供水接駁、運(yùn)行管理等要求，對檢修隧洞的位置進(jìn)行多方面的對比后，選擇了技術(shù)可靠、節(jié)能生態(tài)、經(jīng)濟(jì)合理、切實(shí)可行的設(shè)計方案。同時對隧洞的過流能力和主要結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行驗(yàn)算，完全滿足設(shè)計目的和安全要求。檢修隧洞建成以來運(yùn)行實(shí)踐表明，隧洞運(yùn)行情況良好，達(dá)到了設(shè)計目的。新建檢修隧洞的設(shè)計思路和計算方法可為類似工程提供參考。