山東岸堤水庫輸水洞除險加固方案設計研究

劉 海

（山東省淮河流域水利管理局規劃設計院，山東 濟南 250000）

0 引言

我國在上世紀建設了大量的水庫，隨著使用時間的增長，水庫病害問題逐漸顯現。水庫出現病害問題不但影響到水庫發揮其自身建設的作用，也會對流域居民的生產生活造成嚴重的威脅[1~2]。因此，對病害水庫除險加固的研究逐漸受到重視。趙微微[3]以九龍水庫為例，對水庫輸水洞滲漏原因進行分析，并提出相應的治理措施，取得了較好的工程效果；張建華等[4]對碳纖維布在輸水隧洞加固中的應用進行研究，認為碳纖維布具有較好的加固效果；劉海青[5]對小型水庫輸水洞加固處理中常用的措施進行研究，可為類似工程提供參考；歐高明[6]以黃材水庫為例，對輸水隧洞加固除險技術進行分析，采用原地重建閘室的方案對閘室進行處理；蔡軍平[7]以十八里堡水庫為例對輸水洞豎井存在的問題進行分析，并提出加固措施建議；魏澤等[8]、鄧君承[9]分別以阿庫木引水樞紐和潦河灌區解放閘壩為例對閘室加固措施進行設計，取得了較好的工程效益；王愛偉[10]以牙塘水庫為例，對輸水洞邊坡加固方案進行研究，采用削坡和錨固的方法進行加固，取得了較好的工程效益。

1 工程概況

山東岸堤水庫位于蒙陰縣，核定總庫容7.49億m3，興利庫容4.51億m3，興利水位176.0 m，死水位160.3 m，兼具著防洪排澇、灌溉、供水作用。該水庫輸水洞始建于上世紀60年代，采用鋼筋混凝土結構進行襯砌，輸水洞總長約159 m，隧洞內徑約3.4 m，輸水洞洞壁厚度約0.6 m，閘門尺寸為3 m×3 m，進水口的底板高程為160.3 m。目前輸水洞存在的問題有：（1）在Ⅷ度地震烈度下，閘室穩定性情況較差；（2）閘室結構配筋不滿足規范要求；（3）輸水洞襯砌結構損壞嚴重，不滿足要求。因此，需要對輸水洞進行除險加固治理。

2 進口段加固方案設計

進口段根據工程地質情況，可以分為四段。

第一段長118 m，斷面形式為梯形，底寬4 m，凈高6 m，底坡i=0，邊坡坡比為1∶1。通過分析，該段穩定性情況較好可維持現狀不變。

第二段長28 m，斷面形式為梯形，底寬4 m，凈高6 m，底坡i=0，邊坡坡比為1∶1。該段加固方案設計如下：對原護坡和護底進行拆除,，重新用厚40 cm的M10漿砌石進行護砌。

第三段為漸變段，長10 m，斷面形式為梯形，底寬由4 m逐漸向8 m過渡，邊坡坡比為1:1，凈高6 m。對原護坡和護底進行拆除，重新用厚40 cm的M10漿砌石進行護砌。

第四段為進水池段，長8 m，斷面形式為梯形，底寬8 m，邊坡坡度1∶1，凈高6 m。對原護坡和護底進行拆除，重新用厚40 cm的M10漿砌石進行護砌。

3 豎井閘室加固設計

3.1 孔口尺寸確定

輸水洞孔口尺寸初擬兩個方案：（1）輸水洞豎井閘門孔口尺寸采用3 m×3 m，單孔；（2）輸水洞豎井閘門孔口尺寸采用2.5 m×2.5 m，單孔。

通過計算，兩種方案孔口的過流能力計算結果見圖1。

圖1 兩種方案泄水流量對比

通過計算結果可知，方案二在水位低于170.5 m時，不能滿足電站常年發電6750 kW需求，因此，孔口尺寸采用方案一。

3.2 過流能力計算

輸水洞豎井閘室進口底高程為160.3 m，出口底高程159.50 m，興利水位176.0 m。計算洞身長度159 m，縱向坡降1/200。

（1）流態判別

根據相關公式進行計算，當上游水深小于4.08 m時屬于無壓水；上游水深大于4.08 m，小于6.87 m時屬于半有壓水；當上游水深大于6.87 m時屬于有壓水。

（2）過流能力計算

式中：μ 為流量系數，半有壓流 μ=0.576、η=0.715，有壓流；A表示隧洞斷面面積；a表示洞高；i表示縱坡降；L表示洞長；R表示水力半徑；C表示謝才系數；β表示勢能修正系數；∑ξ表示水頭損失之和。

通過式（1），可求得水位與泄量的關系，見圖2。

圖2 水位與泄量之間關系曲線

根據計算結果可知，在庫水位175.4 m時，輸水洞的過流量85.1 m3/s；在庫水位為172.4 m時，輸水洞過流量為75.1 m3/s，均大于運行最大流量47 m3/s，輸水洞輸水能力滿足發電、灌溉等運行要求。

3.3 加固方案及穩定性分析

對原豎井和漸變段進行拆除。在原豎井下游8.0 m處進行豎井閘室重建。建設總長12.0 m，采用C30鋼筋混凝土結構進行砌筑，檢修平臺設計位于176.5 m高程處，機房位于181.5 m高程處，機房內按照要求進行機械布置。通過寬為1.5 m的工作橋將機房與下游斜坡進行連接。在閘室兩側，采用漿砌石擋墻將閘室與斜坡進行連接。在豎井閘室與斜坡之間采用混凝土進行回填，表面采用M10漿砌塊石進行護砌，厚度為40 cm。

根據工程建設、運行期可能遇到的工況進行穩定性計算，計算工況設計如下：

工況1為施工完建期，閘室上下游均無水，地下水位與底板頂部一致；工況2為正常運行期，豎井事故工作門開啟，豎井周圍水位為正常蓄水位，洞內有水；工況3為設計洪水期，豎井閘門開啟，豎井周圍水位177.51 m（100年一遇水位）；工況4為隧洞檢修期，豎井事故工作門關閉，豎井周圍水位176.00 m，洞內無水；工況5為校核洪水期，豎井閘門開啟，豎井周圍水位180.33 m（10000年一遇水位）；工況6為地震期，正常運行期遇Ⅷ度地震（垂直水流）。

閘室抗滑安全系數K計算公式如下：

式中：f表示摩擦系數；∑G、∑H分別表示豎向和水平荷載。閘室基底應力計算公式如下：

式中：Pminmax表示基底最大和最小應力；A表示閘室基礎底面面積；W表示基礎底面垂直水流形心軸截面矩；∑M表示對于基礎底面垂直水流形心軸的力矩。

通過計算，結果見表2。由表2可知，各種工況下，閘室和豎井穩定性均滿足要求。

表2 輸水洞豎井抗滑穩定計算成果表

表3 洞身加固各方案對比

4 輸水洞洞身加固方案設計

根據工程選擇3種方案進行對比，對比結果見表3。通過表3的經濟技術比較，選用方案一對輸水洞進行加固處理。進行施工前，首先需要將輸水洞內的積水排干排凈，保持輸水洞洞壁處于干燥狀態，同時對于洞壁結構疏松等情況較差的混凝土進行清除，使用修復材料進行修復治理。使用碳纖維布與浸漬膠配置符合材料，進行加固，表面采用新型環保材料進行封填。

在碳纖維布表面均勻涂抹浸漬樹脂。碳纖維布物理力學特性指標表4。

表4 碳纖維布性質

5 結論

對山東岸堤水庫輸水洞的進口段加固、豎井閘室加固、洞身加固進行研究。進口段采用分段治理的措施，可以降低工程投資；使用C30鋼混結構對豎井、閘室進行加固可以有效提高其穩定性；通過方案比選采用3 m×3 m的隧洞尺寸以及碳纖維布加固處理，可以滿足輸水洞輸水和穩定要求，同時具有較好的經濟效益，可為類似工程提供參考。