菩薩廟水庫(kù)輸水隧洞除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

宋曉明

（遼寧省凌源市水務(wù)局，遼寧凌源122500）

菩薩廟水庫(kù)輸水隧洞除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

宋曉明

（遼寧省凌源市水務(wù)局，遼寧凌源122500）

本文結(jié)合菩薩廟水庫(kù)輸水隧洞存在的問題及水庫(kù)加固的需要，分析了輸水隧洞加固的必要性，計(jì)算了輸水隧洞襯砌在各種荷載共同作用下的彎矩和軸向力，對(duì)輸水隧洞鋼筋和混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，驗(yàn)證了輸水隧洞進(jìn)口橫斷面加固設(shè)計(jì)是合適的，為其它輸水隧洞除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供了參考。

水庫(kù)；輸水隧洞；除險(xiǎn)加固；校核

1 前言

菩薩廟水庫(kù)位于遼寧省大凌河上游，水庫(kù)始建于1958年，以防洪、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧養(yǎng)魚、發(fā)電等。菩薩廟水庫(kù)輸水隧洞工程于1971年建成，1972年開始運(yùn)用，為鋼筋混凝土圓形有壓隧洞。洞內(nèi)直徑1.2m，全長(zhǎng)146m，其中主洞126m，發(fā)電支洞20m。隧洞進(jìn)口高程391.154m，出口高程390.954m，比降為1.6‰，最大輸水能力為9m3/s。距洞進(jìn)口20m處為豎井式閘門井，井內(nèi)安裝1.8m×1.2m定輪平板鋼閘門，并在進(jìn)口處設(shè)有攔污柵一組。

由于該水庫(kù)輸水隧洞在設(shè)計(jì)和施工中存在一些問題，因此該隧洞進(jìn)口處的安全性能較差。本文通過(guò)深入分析原設(shè)計(jì)方案，指出了該輸水隧洞存在的問題，并對(duì)該隧洞工程進(jìn)行除險(xiǎn)加固研究。

2 除險(xiǎn)加固必要性分析

菩薩廟水庫(kù)大壩上游坡391.454m以上部分干砌石塊直徑較小，厚度不夠，且塊石多為片石。由于上游水位波動(dòng)較大，冬季產(chǎn)生冰凍破壞嚴(yán)重。本次設(shè)計(jì)從391.454m高程以上拆除原有干砌石，重新鋪設(shè)40c m厚的新干砌石。但是大壩上游施工時(shí)，需要通過(guò)輸水隧洞將庫(kù)水放空。溢洪道邊墻施工階段，也需要輸水隧洞進(jìn)行施工導(dǎo)流。由此可見，輸水隧洞在水庫(kù)施工中承擔(dān)著重要任務(wù)，對(duì)輸水隧洞除險(xiǎn)加固研究十分必要。

輸水隧洞已運(yùn)行33年，對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)估后發(fā)現(xiàn)存在以下問題［-2］：

（1）進(jìn)口檢修閘門年久失修。閘門框磨損、變形且嚴(yán)重漏水，啟閉設(shè)備老化，已不能使用。攔污柵與閘門框銹蝕磨損，行走支撐部位安裝誤差大。

（2）輸水隧洞內(nèi)有80m未襯砌。洞進(jìn)口巖石直立，輸水洞洞口未按規(guī)范設(shè)計(jì)施工，有巖石堆積物，內(nèi)部有塌方堵塞隧洞，出口巖體滲漏嚴(yán)重。

（3）出口工作閘閥已運(yùn)行多年，年久失修，閘門已不能啟閉，失去正常工作能力。

（4）進(jìn)口閘門與出口閘閥工作室為1971年所建，存在較大安全隱患。

3 隧洞襯砌加固計(jì)算

輸水隧洞全長(zhǎng)146m，其中支洞20m，未襯砌段80m，洞內(nèi)直徑DB=1.2m，隧洞閘門進(jìn)口段凈寬1.2m，高1.8m。隧洞巖石為灰?guī)r，巖石單位彈性抗力系數(shù)K0=30N/m m2，堅(jiān)固系數(shù)f=4，干容重γ干=28kN/m3，巖石浮容重γ浮=15kN/m3，泊松比μ=0.25。襯砌形式為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土容重γ=25kN/m3。混凝土標(biāo)號(hào)C 20，彎曲受壓強(qiáng)度Ru=14N/m m2，中心受壓強(qiáng)度Rnp= 11.5N/m m2，中心受拉強(qiáng)度RL=1.3N/m m2，彎曲受拉強(qiáng)度Rf=1.6N/m m2，混凝土側(cè)膨脹系數(shù)μ= 0.167。混凝土彈性模量Eh=2.6×104N/m m2。校核計(jì)算時(shí)的抗裂安全系數(shù)為1.25，鋼筋抗拉系數(shù)為1.8，鋼筋為Ⅱ級(jí)鋼，σg=310N/m m2，鋼筋彈性模量Ea=2.0×105N/m m2。

隧洞設(shè)計(jì)洪水位408.407m，最高洪水位410.233m，洞進(jìn)口高程391.154m，出口高程390.954m。正常高水位時(shí)的隧洞高程差為17.853m，最高洪水位時(shí)的隧洞高程差為19.679m。根據(jù)隧洞構(gòu)造要求，襯砌厚度取40c m。

隨后，根據(jù)各項(xiàng)基本參數(shù)計(jì)算各種荷載共同作用下的彎矩和軸向力。

山巖壓力［3］：

沿襯砌軸線每米長(zhǎng)度自重［4］：

因內(nèi)水壓力和外水壓力作用方向相反，故按兩種情況進(jìn)行荷載組合：（1）山巖壓力（干容重）+自重+內(nèi)水壓力；（2）山巖壓力（浮容重）+自重+外水壓力。兩種載荷組合的彎矩和軸向力計(jì)算結(jié)果見表1和表2。

在組合（1）中，取φ=π/2和φ=π兩種情況。因該兩種情況時(shí)，M、N綜合考慮較大，取保護(hù)層為70m m。

e0

屬于小偏心受拉情況。此時(shí)的受拉鋼筋面積為：

受壓鋼筋面積為：

當(dāng)φ=π時(shí)：

屬于小偏心受拉情況。此時(shí)的受拉鋼筋面積為：

表1 組合（1）彎矩和軸向力計(jì)算結(jié)果

表2 組合（2）彎矩和軸向力計(jì)算結(jié)果

受壓鋼筋面積為：

同理計(jì)算出組合（2）的φ=π時(shí)受壓鋼筋面積，發(fā)現(xiàn)其均小于0。第二種組合不需要配筋，故按第一種組合情況做配筋選擇。受拉（內(nèi)圈）Fa= 273m m2，按構(gòu)造選擇主筋直徑為10m m，間距200m m。受壓（外圈）F′a=251m m2，主筋參數(shù)同上。

輸水洞進(jìn)口設(shè)計(jì)橫斷面為矩形，縱斷面為1/4橢圓，橢圓公式為x2/102+y2/62=1。其斷面由大變小，由于菩薩廟水庫(kù)輸水洞進(jìn)口里面已經(jīng)襯砌，本次只考慮洞臉的設(shè)計(jì)，開挖后對(duì)洞口巖體進(jìn)行加固，采用混凝土錨噴的方式。

4 強(qiáng)度校核計(jì)算

按組合（1）的φ=π/2時(shí)進(jìn)行混凝土強(qiáng)度校核。已知：M=0.497kN·m，N=-90.305kN，襯砌厚度h=0.40m，對(duì)小偏心受拉構(gòu)件，混凝土襯砌中心應(yīng)力計(jì)算式為［5-］：

式中：m為折算系數(shù)，取1.54；XT為折算斷面形心至受壓邊緣的距離（m）；Fnp為折算斷面面積（m2）；Jnp為對(duì)折算斷面形心的慣性矩（m4）。經(jīng)計(jì)算，混凝土襯砌中心應(yīng)力為360.74kN/m2，校核應(yīng)力為1601.6kN/m2，滿足混凝土強(qiáng)度要求。

假設(shè)混凝土出現(xiàn)裂縫，不再承擔(dān)荷載，考慮主要荷載即均勻內(nèi)水壓力作用產(chǎn)生的應(yīng)力按照鋼筋與

T V 672

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1672-2469（2015）06-0094-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.06.032

宋曉明（1970年—），男，工程師。