淺談小型水庫輸水設(shè)施除險(xiǎn)加固

（邵陽市水利水電勘測設(shè)計(jì)院邵陽市422000）

淺談小型水庫輸水設(shè)施除險(xiǎn)加固

呂南

（邵陽市水利水電勘測設(shè)計(jì)院邵陽市422000）

文章分析了輸水涵洞各種除險(xiǎn)加固方案適應(yīng)的工程條件，總結(jié)了邵陽市在小水庫除險(xiǎn)加固工作中對輸水設(shè)施改造的經(jīng)驗(yàn)，論述了放水臥管的水力學(xué)計(jì)算方法，對同類工程除險(xiǎn)加固改造具有一定的借鑒意義。

小型水庫輸水設(shè)施臥管涵洞除險(xiǎn)加固

邵陽市位于湖南省中部偏西南，全市共有1210余座小型水庫，其中小（Ⅰ）型230余座，小（Ⅱ）型980余座，大多修建于20世紀(jì)50～70年代，其中土石壩占90%以上。受修建年代技術(shù)水平、管理水平及資金的限制，小型水庫的輸水設(shè)施多為圬工結(jié)構(gòu)的放水臥管與壩下涵管。經(jīng)多年運(yùn)行，這些小水庫一直病險(xiǎn)不斷，近年來，國家投入大量資金對邵陽市境內(nèi)的病險(xiǎn)水庫進(jìn)行了全面的除險(xiǎn)加固，而輸水設(shè)施的改造則為其中的關(guān)鍵工程。

1 輸水設(shè)施存在的主要問題

邵陽地區(qū)早年修建的小型水庫，以土石壩居多，而其輸水設(shè)施則多為圬工結(jié)構(gòu)的露天臥管與壩下涵管，經(jīng)多年運(yùn)行，這些輸水設(shè)施主要存在以下問題：

（1）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，老化破損嚴(yán)重，部分臥管與涵洞因不均勻沉陷而發(fā)生斷裂。

（2）臥管與涵管滲漏普遍，且壩內(nèi)涵管一般都未設(shè)置截水環(huán)，涵管滲漏導(dǎo)致涵管外壁與大壩之間發(fā)生接觸性沖刷，形成滲漏通道，直接威脅大壩的安全運(yùn)行。

（3）臥管放水大多采用木塞和石塞控制，沒有啟閉設(shè)備，靠當(dāng)?shù)剞r(nóng)民人工下水插、拔塞子來關(guān)水與放水，對當(dāng)?shù)匕傩盏娜松戆踩斐赏{，邵陽地區(qū)也曾多次發(fā)生因水庫放水而引發(fā)的慘劇。另外，木塞和石塞止水效果差，大量的水源因此流失浪費(fèi)。

（4）部分涵管與臥管尺寸不匹配，涵管管徑偏小，而臥管孔徑偏大，導(dǎo)致放水時(shí)涵管內(nèi)形成壓力流或者明滿流交替的狀況，使壩內(nèi)涵管病險(xiǎn)情況加劇。

2 輸水涵洞除險(xiǎn)加固方案

（1）壩體大開挖新建涵洞：這種方法是在原涵洞的位置對壩體進(jìn)行大開挖，將原有涵洞挖除之后，再在開挖位置新建鋼筋混凝土涵洞。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是可以一次性挖除原有涵洞，徹底消除原有涵洞的安全隱患，缺點(diǎn)是該方案開挖斷面大，對土壩擾動(dòng)較大，施工工期較長，壩體回填質(zhì)量控制不到位容易造成新的安全隱患，只適合涵管埋深較淺的大壩，一般開挖深度以不超過（6～8）m為宜。邵陽地區(qū)多為山丘地形，小水庫大多壩短而高，適合本方案的小水庫并不多，所以在邵陽的小水庫除險(xiǎn)加固中，采用本方案的工程較少。

（2）岸坡新開輸水隧洞：在大壩兩岸壩肩，選擇地形地質(zhì)條件較好的位置新開輸水隧洞，待新開隧洞具備過水條件之后封堵原有老涵管。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是能從根本上消除壩下涵管給大壩帶來的種種安全隱患，缺點(diǎn)是工程投資較大，工期較長，且部分水庫因?yàn)闊o法放空，導(dǎo)致工程施工難度較大。近年來，國家對病險(xiǎn)水庫的治理力度加大，邵陽市境內(nèi)的大部分具備條件的小水庫的輸水設(shè)施改造均采用此方案。

（3）原涵管內(nèi)套管：本方案是在現(xiàn)有老涵管內(nèi)部插鋼管或者pvc管，然后對新插管道和原有涵管之間的空隙進(jìn)行充填灌漿，水庫利用新插的管道連接放水臥管輸水，只利用原涵洞的壩內(nèi)空間，原涵洞不再過水。該方案的優(yōu)點(diǎn)是可徹底解決原涵洞的結(jié)構(gòu)老化與滲漏問題，施工簡單，工程投資小，工期短，其缺點(diǎn)是適用的水庫較少，適用此方案的水庫必須是涵管短（一般30m以內(nèi)）而直，涵管內(nèi)不能有較大的阻礙插管的障礙物。由于本方案的適用條件較為苛刻，在邵陽的小水庫除險(xiǎn)加固中，采用本方案的工程較少。

（4）壩體頂管新建涵管：本方案是在土壩下游側(cè)開挖一部分壩體，構(gòu)筑頂管工作坑及支承頂墩，用測量儀器校正方位和高程后，用液壓千斤頂將鋼管或預(yù)制鋼筋混凝土管逐節(jié)頂進(jìn)土壩形成新的壩內(nèi)涵管。本方案的優(yōu)點(diǎn)是施工速度較快，施工不受天氣制約，基本不對原壩體造成擾動(dòng)和破壞，其缺點(diǎn)是不能從根本上解決壩體埋管的安全隱患，施工技術(shù)要求較高，小水庫多位于偏僻鄉(xiāng)村，單個(gè)項(xiàng)目工程量小，很難找到合適的專業(yè)隊(duì)伍來承擔(dān)項(xiàng)目的施工。鑒于本地缺乏相應(yīng)的專業(yè)施工隊(duì)伍，在邵陽的小水庫除險(xiǎn)加固中，采用本方案的工程很少。

（5）定向鉆法新建涵管：本方案屬于非開挖牽引技術(shù)，是傳統(tǒng)管線施工方法和油田定向鉆井技術(shù)的結(jié)合，多用于河流和水道的穿越、各種油、氣、電、水的管網(wǎng)建設(shè)，如西氣東輸?shù)葒抑卮蠊こ探ㄔO(shè)中均應(yīng)用了該技術(shù)。本方案的優(yōu)點(diǎn)是施工速度較快，施工不受天氣制約，精度高，易于調(diào)整方向，其缺點(diǎn)是不能從根本上解決壩體埋管的安全隱患，需要專業(yè)的施工隊(duì)伍與設(shè)備，邵陽小水庫多位于偏僻鄉(xiāng)村，單個(gè)項(xiàng)目工程量小，很難找到合適的專業(yè)隊(duì)伍來承擔(dān)項(xiàng)目的施工。鑒于本地缺乏相應(yīng)的專業(yè)隊(duì)伍和設(shè)備，在邵陽的小水庫除險(xiǎn)加固中，采用本方案的工程很少。

（6）新建虹吸管放水：本方案是在大壩上新建一條虹吸管，利用水流的虹吸原理放水，管材大多采用鋼管、預(yù)應(yīng)力混凝土管、pvc管和玻璃鋼管，本方案的優(yōu)點(diǎn)是可徹底解決壩內(nèi)埋管的安全隱患，施工速度快，工程投資省，工程施工基本不受季節(jié)和地形地質(zhì)條件的制約，可以在工廠內(nèi)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，質(zhì)量容易控制，缺點(diǎn)是虹吸管理論上可以吸水7m，但工程實(shí)踐中，5m的吸水高度都不一定能實(shí)現(xiàn)，因此只適合壩高在10m以下的小水庫，而且虹吸管對管道的密閉性要求很高，使用操作較為麻煩。邵陽市的小水庫大多位于山丘地區(qū)，庫區(qū)大多狹長而壩高較高，適用虹吸管的水庫并不多，邵陽地區(qū)在早期的水庫除險(xiǎn)加固工程中部分項(xiàng)目采用了此方案，但由于虹吸管操作麻煩，且使用中故障率較高，2011年之后設(shè)計(jì)的水庫除險(xiǎn)加固項(xiàng)目較少采用此方案。

經(jīng)筆者初步統(tǒng)計(jì)，邵陽境內(nèi)的小水庫輸水涵洞除險(xiǎn)加固方案，約60%的項(xiàng)目采用了新開隧洞方案，約10%的項(xiàng)目采用了大開挖方案，約8%的項(xiàng)目采用原涵洞內(nèi)套管方案，約6%左右的項(xiàng)目采用了虹吸管方案。

3 壩內(nèi)涵管封堵方案

邵陽市大量的小水庫在其除險(xiǎn)加固方案中采用了新建輸水設(shè)施，但其原來的壩內(nèi)涵管依然是大壩安全運(yùn)行的重大隱患，必須對其進(jìn)行有效的封堵以徹底消除這一隱患。邵陽市的小水庫壩內(nèi)涵管封堵主要采用了以下兩個(gè)方案：

（1）方案一：對涵管的進(jìn)出口進(jìn)行局部開挖，澆筑混凝土堵頭，在對涵洞軸線進(jìn)行精準(zhǔn)定位之后，在大壩的內(nèi)外坡用鉆機(jī)鉆孔灌漿，對涵洞內(nèi)部及涵洞與壩體的接觸部位進(jìn)行回填灌漿，以杜絕壩內(nèi)涵管滲漏以及涵管與壩體接觸部位的滲漏。

（2）方案二：施工人員進(jìn)入涵洞內(nèi)部，在涵洞內(nèi)洞壁造孔，對涵洞與壩體的接觸部位進(jìn)行回填灌漿，之后對涵洞的進(jìn)出口進(jìn)行局部開挖，澆筑混凝土堵頭，澆筑混凝土堵頭的同時(shí)預(yù)埋灌漿管，待堵頭硬化之后，通過預(yù)埋的灌漿管對涵洞內(nèi)部進(jìn)行回填灌漿。

這兩個(gè)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，方案一的缺點(diǎn)是在大壩壩坡造孔對涵洞進(jìn)行回填灌漿要求對涵洞位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位，不然回填灌漿很難達(dá)到預(yù)期效果，而這種壩內(nèi)小涵洞要在施工過程中做到精準(zhǔn)定位較為困難。方案二的實(shí)施效果較好，但是涵洞內(nèi)要進(jìn)入施工人員，要求涵洞內(nèi)凈高不小于0.6m，凈寬不小于0.5 m，而邵陽境內(nèi)的小水庫其涵洞尺寸很多都不能滿足這一尺寸要求。因此，邵陽市的小水庫涵洞封堵方案，對于不能進(jìn)人的涵洞，大多采用方案一封堵，對于可以進(jìn)人的涵洞大多采用方案二封堵。

4 放水臥管改造

放水臥管為一條露天的放水管道，管身布置有放水孔口，采用塞子或門蓋式閘門控制放水，因其管理的便利性及其可以始終取到水庫表層溫水有利于農(nóng)作物生長的優(yōu)勢，一直在邵陽地區(qū)作為小水庫的主要放水設(shè)施被采用，本輪小水庫除險(xiǎn)加固改造亦主要沿用了這一放水設(shè)施，只是對原先的臥管型式進(jìn)行了升級改造，除險(xiǎn)加固改造之后的放水臥管管身主要采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力管，放水設(shè)施多采用門蓋式鑄鐵閘門，卷揚(yáng)機(jī)啟閉。放水臥管多為露天放置的明管，其方案的選擇和施工相對輸水涵洞較為簡單，臥管的水力學(xué)計(jì)算是其除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，主要包括以下三個(gè)方面的內(nèi)容：

（1）放水孔大小的確定按孔口出流計(jì)算：

式中Q——孔口出流流量；

μ——孔口流量系數(shù)，與孔口形狀有關(guān)，方形為（0.58～0.63），圓形一般取0.62；

A——放水孔過水?dāng)嗝婷娣e；

h——孔口上作用水頭。

（2）臥管過水?dāng)嗝娉叽绱_定：水流由放水孔口進(jìn)入臥管之后，以無壓流的形式沿臥管流動(dòng)，跌入臥管末端的消力井，消能之后再進(jìn)入輸水涵洞。臥管內(nèi)水流形態(tài)較為復(fù)雜，根據(jù)試驗(yàn)，水流由孔口跌入臥管后，水柱躍起高度約為管內(nèi)正常水深的（2.5～3.5）倍，因此我們在設(shè)計(jì)過程中，利用明渠均勻流公式

，計(jì)算出臥管的正常水深，然后取正常水深的（3～4）倍作為臥管的設(shè)計(jì)管徑。

（3）消力井水力學(xué)計(jì)算：消力井水力學(xué)計(jì)算主要包括消力井深度（由涵管底板至消力井底板的高度）分析計(jì)算和消力井容積的計(jì)算，消力井的深度須確保井底不受射流的直接沖擊，消力井深度p一般按下式計(jì)算：P=t0-h0+S，式中t0為消力井水深，由公式計(jì)算確定，其中k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取1.25，b為孔口直徑，Hmax為孔口以上最大水深，h0為涵管正常水深，δ為安全水墊厚度，一般取（0.3～0.5）m。

消力井容積計(jì)算：水流跌入消力井后，形成劇烈的碰撞，使大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，根據(jù)試驗(yàn)，每立方米容積的水能消殺量在（7.5～8.0）kW，為了達(dá)到充分消能的目的，消力井應(yīng)有足夠的尺寸，水流能量N=9.81QH，消力井容積V=BLt0≥1/8×9.8QH，其中B為消力井寬度，L為消力井長度。

5 結(jié)語

小型水庫的輸水設(shè)施是整個(gè)水利工程的核心構(gòu)筑物，其質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到水庫的效益發(fā)揮和安全運(yùn)行,所以小型水庫輸水涵洞除險(xiǎn)加固歷來為小型水庫除險(xiǎn)加固的重中之重。本文對小水庫輸水涵洞除險(xiǎn)加固常用的6種方案及壩內(nèi)涵管封堵的兩種常用方案進(jìn)行了一一分析，總結(jié)了邵陽市在小水庫除險(xiǎn)加固工作中對輸水涵洞改造的經(jīng)驗(yàn)，提出了輸水涵洞各種除險(xiǎn)加固方案適應(yīng)的工程條件，論述了放水臥管的水力學(xué)計(jì)算方法，建議對具備條件的小型水庫，在對其輸水設(shè)施進(jìn)行除險(xiǎn)加固時(shí)優(yōu)先考慮新建隧洞方案，以徹底解決壩內(nèi)埋管的工程安全隱患。

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2017-02-06）

呂南（1982-），男，湖南邵陽人，大學(xué)本科，土木工程師（水工結(jié)構(gòu)），研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)，手機(jī)：13508422121。