腰堡水庫除險加固工程設計

劉宇

（遼寧省大伙房水庫管理局撫順市113007）

腰堡水庫除險加固工程設計

劉宇

（遼寧省大伙房水庫管理局撫順市113007）

結合腰堡水庫運行現狀及存在問題，對水庫輸水洞進行除險加固的總體工程方案設計，計算分析了襯砌鋼管壁厚、輸水洞設計流量、輸水洞泄流能力，并開展回填灌漿與固結灌漿設計，通過除險加固設計與計算分析，得出的工程設計符合相關規范要求，滿足水庫的安全運行與管理。

除險和加固工程設計腰堡水庫

腰堡水庫位于社河支流腰堡河，1958年興建，1979年竣工。水庫總庫容為2 047.89萬m3，樞紐等別為三等工程，永久性建筑物為三級。原設計中，設計洪水標準為50年一遇洪水，校核洪水標準為500年一遇洪水，保壩標準為5 000年一遇洪水。除險加固設計洪水標準為50年一遇洪水，校核洪水標準采用1 000年一遇洪水。由于工程規模已幾次變更，輸水洞在設計上和施工中存在很多問題，腰堡水庫輸水洞為壩下埋管，存在洞身混凝土剝蝕嚴重、接縫多處開裂漏水、啟閉機室工作橋剛度不足。豎井檢修閘門、啟閉機銹蝕、老化，啟閉機滾筒不對稱，不能平穩啟閉，且起門力不足。輸水洞工程存在的問題為設備老化，輸水洞曾出現過5條裂縫，用環氧樹脂進行加固，但漏水仍很嚴重。

鑒于腰堡水庫輸水洞各部出現多處安全隱患，水庫處于十分危險的運行狀態，若水庫一旦失事將影響到下游村鎮全體人民的生命財產安全，因此腰堡水庫除險加固工程是十分迫切和必要的。

1 除險加固設計方案

輸水洞位于左岸坡地上，洞中心線位于大壩樁號0+284.64 m處。輸水洞是壩下埋管式，為1.2 m×1.2 m方形有壓洞。洞全長124.10 m，由進口段、洞身、分岔段和出口消力池組成。洞進口高程102.00 m，出口底高程96.20 m，洞底平均比降為4.67%。本次加固后進口段、分岔段和出口消力池均保持不變，洞身段由原來1.2 m×1.2 m的方形涵洞變為直徑1.0 m的鋼管。

地下埋管是鋼襯與巖體之間用混凝土進行回填后共同受力組合結構。鋼管與圍巖之間回填的混凝土僅起傳遞徑向內壓力而不必承受環向拉力，因此混凝土標號不必太高，但也不宜低于150號。更重要的是采用合適的原材料和級配，合理的輸送、澆注和振搗工藝，以保證回填灌漿混凝土密實、均勻并和圍巖及鋼襯密切結合。

2 輸水洞除險加固工程設計

2.1 襯砌鋼管壁厚計算

（1）鋼管單獨承受內壓力。

鋼管結構的抗力限值計算：

式中σR——鋼管結構的抗力限值；

r0——結構重要性系數，r0=1.0；

Ψ——設計狀況系數，Ψ=1.0；

rd——結構系數，rd=103（地下埋深）；

f——鋼材強度設計值，f=215（Q235）。

經計算，σR=165.3 N/mm2

襯砌鋼管壁厚計算：

式中p——內水壓力設計值，p=2 N/mm2；

r——鋼管內半徑，r=500 mm；

σR——鋼管結構的抗力限值，σR=165.3 N/mm2。

經計算，δ=6 mm

（2）鋼管抗外壓穩定分析。

經驗公式：

式中pcr——抗外壓穩定臨界壓力計算值（N/mm2）；

σs——鋼材屈服點，σs=235 N/mm2。

經計算，pcr=1.3 N/mm2

因為KcPok≤pcr，Kc=2.0，Pok=0.3 MPa，則KcPok=2× 0.3=0.6≤pcr=1.3 MPa，因此滿足要求。

2.2 輸水洞設計流量計算

輸水洞承擔農業灌溉和發電兩項任務，設計流量為農業灌溉和發電供水流量用水流量之和。

2.3 輸水洞泄流能力計算

2.3.1 泄流能力計算

因輸水洞兼做施工導流用，洞徑為1.2×1.2 m，泄流能力按下式計算：

式中μ——流量系數；

ω——出口斷面面積；

H0——包括行進流速水頭的上游水位與出口底高程差值；

hp——出口斷面水的平均單位勢能。

2.3.2 基本參數計算

（1）流量系數μ。

①各種局部能量損失之和計算

∑ζ=ζ進口+ζ門槽+ζ彎+ζ出口+ζ攔

式中ζ進口——進口損失系數；

ζ門槽——門槽損失系數；

ζ彎——彎處損失系數；

ζ出口——出口損失系數；

ζ攔——攔污柵損失系。

經計算，∑ζ=0.01+0.1+0.3+0.3+0.04=0.75

②流量系數μ計算。

式中g——重力加速度；

R——水力半徑；

L——洞身長度；

C——謝才系數。

經計算，流量系數μ=0.439

（2）出口斷面面積ω計算。

農業灌溉管Φ 1 000 mm，面積ω=0.785 m2；發電管Φ 900 mm，面積ω=0.636 m2。

（3）出口斷面勢能hp計算。

式中β——勢能修正系數；

d——管直徑。

經計算：農業灌溉管hp2=β2×d2=0.5×1=0.5 m；

發電管hp3=β3×d3=0.5×0.9=0.45 m。

2.3.3 水洞水位～流量關系曲線計算

（1）庫水位在103.44 m以下進口按無壓流公式計算。

式中Q——泄流量（m3/s）；

m——流量系數，對八字形進口取m=0.34；

ε——側收縮系數，ε=1-0.2 KH0/b=0.95；

b——隧洞過水斷面寬度，b=1.2。

經計算：Q農=1.431 H03/2；Q電=1.431 H03/2。

（2）庫水位在103.44 m以上時出口壓力流控制。

2.3.4 回填灌漿及固結灌漿設計

（1）回填灌漿設計。

回填灌漿的設計項目主要是布置灌漿孔，確定孔距和排距，提出灌漿標準和灌漿壓力等。回填灌漿孔的布置初步設計:①灌漿范圍：洞頂120°范圍內；②排距和孔距：排距4.0 m，孔距4.45 m，每斷面6孔，與固結灌漿孔分排間隔布置；③灌漿孔深入圍巖10 cm；④灌漿壓力為（0.3～0.5）MPa。

（2）固結灌漿設計。

固結灌漿的目的在于加固圍巖，提高圍巖的整體性，減少圍巖壓力，保證巖石的彈性抗力，減小地下水對襯砌的壓力和減小滲漏。固結灌漿孔的布置初步設計為:①灌漿范圍：整個洞圈；②排距和孔距：應通過現場灌漿實驗確定，擬訂排距4.0 m，孔距4.45 m，每斷面6孔，梅花形布置，每排錯開且與回填灌漿孔分排間隔布置；③灌漿孔深入圍巖10 m；④灌漿壓力為(1.0～3.5)MPa。

3 結論

腰堡水庫輸水洞除險加固設計的襯砌鋼管壁厚計算與鋼管抗外壓穩定分析、輸水洞設計流量計算、輸水洞泄流能力計算、水洞水位流量關系計算、公式選擇、參數選取等符合規范要求。水庫輸水洞除險加固后，能夠延長水庫的運行時間，提高水庫自身的防洪效益，同時水庫正常運行為灌溉和綜合利用發揮其工程社會效益和經濟效益提供了保障。

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表6 原方案及優化方案的成本系數

固設計方案的選擇。同時，考慮到工程經驗的價值，結合帕累托分析法的原理，可適當的參考專家的意見來確定價值評定的對象和水庫出現加固功能分析。

（2）運用價值工程理論優化了陰坡水庫除險加固的設計方案。確定研究對象，定量計算原方案的價值系數，對原方案進行優化和調整，確定出優化方案，同時為投資決策提供依據。

（3）價值工程的目的是在幫助人們對工程項目進行可靠地技術經濟分析，是一種促使資源最優利用的系統分析方法。在現階段來看，我國工程界對價值工程的理論和技術重視程度不夠，尤其是水庫除險加固項目未能充分理解資源優化配置的概念，但是作為一線的技術人員，可以通過實際的項目來推進價值工程在工程項目上的應用，使資源得到優化配置，讓價值工程充分發揮其價值。

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（收稿日期：2016-11-17）

2016-09-19）

劉宇（1983-），男，工程師，主要從事水利工程管理工作。