頂管在水庫除險加固工程中的應用

羅歆煥

(大埔縣水利水電勘測設計室，廣東 梅州514200)

1 前 言

大埔縣于2008—2009年共實施了21 宗廣東省人大議案小型水庫除險加固工程，這些水庫基本上都是建于20 世紀60、70年代。經過幾十年運行，這些工程三大建筑物大壩、溢洪道和輸水涵均存在不同程度的問題。在對其安全隱患進行處理時，輸水涵管的處理較為棘手，主要由于水庫的輸水涵布置底高程比較低，為了能在水庫出險時放空庫水，輸水涵都布置在比庫底稍高一點的位置，對一些低壩采用傳統的破壩換管的方法進行處理是比較合理，但對高壩也采用傳統的破壩換管的方法進行處理則會對大壩壩體造成較大影響，而且工程費用也高，因此，在對其中的一座葵坑水庫輸水涵處理時，我們采用了頂管的方法。

2 葵坑水庫頂管設計

葵坑水庫建于1960年3月，壩址以上集雨面積5.3 km2，壩型為均質土壩，最大壩高19.4 m，壩頂長度99.5 m，壩頂平均寬6 m，迎水坡比為1∶2.5，背水坡比為1∶3，正常水位95.9 m，總庫容144 萬m3，屬小( 1) 型水庫。現有輸水涵為內直徑0.4 m的鋼筋混凝土圓管涵，涵管全長89 m，進口高程為85.2 m，出口高程為80.48 m，設計流量為0.41 m3/s，輸水涵開關為斜拉桿涵。2009年對該水庫進行除險加固時，檢查發現存在輸水涵局部脫節漏水、涵頭消力池漿砌石脫落等安全隱患，必須處理才能確保水庫安全。鑒于該水庫大壩比較高，若采用破壩換管處理會對原壩體土的完整性造成嚴重破壞，回填土的壓實質量也難得到保證，而且葵坑水庫壩體相對較高，長度卻相對較短，用破壩方法改建輸水涵開挖回填土工程量和新建同樣的壩體相差無幾，通過經濟比較采用采用破壩方案工程投資約30 萬元，工期3個月，采用頂管方案工程投資約20 萬元，工期20 d，因此經方案比較后決定采用頂管的方法在老輸水涵旁邊新開一條輸水涵。

本次除險加固重建輸水涵，采用刃口推進工法頂管施工，涵管采用由有質量保證資質的正規生產廠家生產的內直徑0.8 m的預應力鋼筋混凝土管，輸水涵頭高程85 m，出口高程83.58 m，頂管長87 m。本工程頂管長度較短，采用從下游側向上游側單向頂進。頂管前按照設計擬定的管線進行放線，在水庫后坡輸水涵出水口位置設置頂管工作井，為結合出口消力池，工作井采用現澆C20混凝土結構，根據頂管要求的工作面擬定工作井平面尺寸長4m×寬3m×深1.5m，然后進行頂管力和工作井后靠背結構抗力計算，以便確定采用的千斤頂和后靠背結構。

2.1 頂力計算

( 以Φ800 mm 計算) 推力的理論計算:

式中:F 為總推力;F1為迎面阻力;F2為頂進阻力。

式中: D 為管外徑0.96 m; P 為控制土壓力。

式中: Ko 為靜止土壓力系數，一般取0.55; Ho 為地面至掘進機中心的厚度，取最大值19 m; γ 為土的濕重量，取1.9 t/m3。式中: f 為管外表面平均( 根據頂進距離平均淤泥土) 綜合摩阻力，取0.8 t/m2; D 為管外徑0.96 m; L 為頂距，取最大值100 m。

經計算，F2=241.2 t

因此，總推力F = 30 +241.2 = 271.2 t。

根據總推力、工作井所能承受的最大頂力及管材軸向允許推力比較后，取最小值作為油缸的總推力。工作井( Φ800 mm 頂管) 設計允許承受的最大頂力為400 t，管材軸向允許推力300 t，主頂油缸選用2 臺200 t(2000kN) 級油缸。每只油缸頂力控制在180 t以下，這可以通過油泵壓力來控制，千斤頂總推力360 t。

2.2 后靠背結構的計算

后靠背是后背在頂力作用下，產生壓縮，壓縮方向與頂力作用方向一致，后背不允許出現上下或左右的不均勻壓縮，否則，千斤頂在余面后背上，造成頂進偏差。為了保證頂進質量，施工時應進行后背的強度和剛度計算。本工程后靠背采用現澆鋼筋C25 混凝土，寬3m×高2.5m×厚1m。

后靠背受力計算公式為:

式中:N 為千斤頂頂力取400 t; A =2.5 m2; f =18.5 MPa。

按上式計算，后靠背加護套后能承受457.9 t 頂力＞實際頂力400 t。

本次頂管選擇了有資質的頂管施工隊進行頂管施工，前期工作準備就緒后開始頂管，10 d完成全部頂管工作。管道頂通后應對接頭預留孔進行灌漿(1∶1 水泥漿) ，灌到孔回漿為止。老涵封堵方法: 進出口用C20 混凝土封堵，然后用灌漿機灌M10 水泥砂漿，使輸水老涵里充滿砂漿。

3 結 論

葵坑水庫是大埔縣第一個采用頂管新建輸水涵的工程，工程2010年4月完工至今運行近兩年，未發現輸水涵有問題，頂管效果良好。通過該工程的實施，我們認為，對于壩體較高的水庫大壩輸水涵重建采用頂管技術具有施工方法簡便、工期短、費用低、質量易于保證等優點，值得在水庫、堤防等穿堤壩建筑物處理時推廣使用。

［1］趙惠新，馬延廷，丁喜富. 頂管施工技術［J］. 黑龍江水利科技，1999，27(2) :92－93.