漳澤水庫泄水洞洞身結構安全分析

馮文濤

（山西省漳澤水庫管理局，山西 長治 046021）

1 工程概況

漳澤水庫位于山西省長治市北郊濁漳河南源干流上，為濁漳河南源的控制性樞紐工程，為均質土壩，控制流域面積3176.0 km2，大（二）型水庫，總庫容4.27 億m3，興利庫容1.1 億m3，調洪庫容3.3 億m3。1959 年11 月，大壩動工興建，1989 年10 月～1995 年6 月，大壩進行全面加固，設計防洪標準達到100 年一遇，校核洪水標準達到2000 年一遇。樞紐工程包括主壩、副壩、溢洪道、泄水洞和輸水洞等。

泄水洞位于主河槽左岸黃土臺地上，壩軸樁號0+800 處。泄水洞全長97.0 m，由進水塔、洞身、陡槽段、消力池等組成。泄水洞為二級建筑物，洞身樁號0+010.6～0+097，長86.4 m，縱坡1.28‰，進口底高程891.30m，斷面為3.2 m×3.575 m 的馬蹄型，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌頂厚70 cm，底厚95 cm。每8 m設一道沉降縫。泄水洞洞身縱剖面見圖1。

圖1 泄水洞洞身縱剖面圖

2 結構復核計算分析方法

泄水洞建于黃土臺地上，為壩下涵洞，地基為第四系上更新統洪沖積低液限粘土，上覆壩體厚度（低液限粘土）為0～15.7 m。目前，路基和堤壩工程中對填埋式隧洞的豎向土壓力計算不夠準確。本次復核采用回彈法檢測混凝土抗壓強度；有限單元法來計算隧洞襯砌受力，然后根據有限元計算結果計算襯砌所需配筋，進而校核原設計配筋能否滿足要求，計算襯砌裂縫寬度是否超出限值。

3 混凝土抗壓強度檢測

泄水洞洞身段因存在高濃度的H2S 有毒氣體，為保障安全，故選取泄水洞出口側墻混凝土構件進行檢測，因出口側墻與洞身段混凝土各項設計指標相同，故認定抗壓強度檢測結果可以取用。對泄水洞出口側墻混凝土構件采用回彈法檢測混凝土抗壓強度，試驗過程按照《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》（JGJ/T 23-2011）進行。抽檢結果見表1。

表1 泄水洞洞身混凝土回彈法強度檢測結果

檢測結果表明：泄水洞出口側墻混凝土抗壓強度推定值為26.3 MPa，高于側墻混凝土設計標號200#（相當于C18），滿足設計要求。故可認定為泄水洞洞身襯砌混凝土抗壓強度推定值高于原設計強度值。

4 洞身襯砌配筋計算分析

4.1 有限元計算模型與計算參數

原設計泄水洞洞身襯砌采用200#鋼筋混凝土，Ⅰ級鋼筋，截面型式為馬蹄形，襯砌頂厚70 cm，底厚95 cm。本次復核計算斷面取泄0+050，泄水洞截面結構尺寸見圖2，計算模型見圖3。

模型X 軸（水平距離）垂直于泄水洞軸線，X 軸方向模型長約20 m（兩側土體厚度約為兩倍洞徑）；Y 軸鉛垂于泄水洞軸線，向上至壩頂，向下取隧洞下8 m（約為兩倍洞徑厚度），模型高約32 m。共有節點2622 個，單元2522 個。計算截面處在校核洪水位907.6 m，閘門關閉，洞中無水且考慮外水壓力情況下，浸潤線位置見模型圖3 中虛線。隧洞壁采用梁單元進行模擬。計算模型采用線彈性模型。

圖2 泄水洞截面尺寸圖（cm）

圖3 計算模型圖（m）

計算選取最不利工況：校核洪水位907.6 m，閘門關閉，洞中無水且考慮外水壓力情況。外水壓力根據校核洪水位工況下滲流計算成果確定，浸潤線高程取902.7 m。覆土參數根據2015 年地質勘探報告資料確定。計算參數選取見表2。

表2 計算參數表

4.2 有限元計算成果

采用geostudio 軟件進行有限單元計算，邊界條件的選取：模型X 軸（水平距離）垂直于泄水洞軸線，X 軸方向模型長約20 m（兩側土體厚度約為兩倍洞徑）；Y 軸鉛垂于泄水洞軸線，向上至壩頂，向下取隧洞下8 m（約為兩倍洞徑厚度），模型高約32 m。圖4 為主壓應力分布云圖；圖5～圖7 為襯砌彎矩圖、軸力圖和剪力圖，圖中橫軸原點為底板中間點，最大值為頂拱中間點，中間各點為襯砌梁單元節點至原點的長度。襯砌彎矩圖中彎矩正值為逆時針方向，負值為順時針方向。

圖4 主壓應力分布云圖（KPa）

圖5 襯砌單元節點彎矩圖

圖6 襯砌單元節點軸力圖

圖7 襯砌單元節點剪力圖

4.3 配筋計算成果

根據有限元襯砌計算結果，選取底板中心、底板端點和側壁底部節點所計算出的應力結果、選取結構尺寸參數，采用理正軟件進行配筋計算，輸出配筋結果，與設計配筋進行對比。泄水洞襯砌混凝土抗壓強度檢測結果表明，強度推定值高于原設計強度值，本次配筋計算復核時采用原設計強度值。鋼筋設計強度采用原設計標號鋼筋強度設計值。依據《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008）有關規定進行，計算結果見表3。

表3 配筋計算結果

由配筋計算成果可知，泄水洞襯砌配筋滿足現行規范要求。

5 裂縫寬度計算分析

根據泄水洞的使用功能，其襯砌的防滲設計要求為一般情況，裂縫開展寬度不應超過允許值。由《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008），泄水洞所處環境類別為三類，裂縫寬度限值為0.25 mm。采用理正軟件輸入結構荷載及設計配筋參數，計算裂縫寬度，復核襯砌裂縫是否超過裂縫寬度限制，計算結果見表4。

表4 裂縫計算結果

由裂縫計算成果可知，底板中間位置裂縫寬度大于規范限值，其他部位裂縫寬度滿足現行規范要求。參考1990 年，由于大壩加高，泄水洞第二次改建驗收資料，泄水洞第二次改建時將發生沉陷的洞身進行修補，修補范圍為樁號0+10.8～0+073。修補具體方法：洞底鑿焊鋼筋網，用300#混凝土填平，表面再鋪一層高標號的水泥砂漿，最大填補高度為45.0 cm。經處理后泄水洞底板比原底板加強加厚，實際裂縫寬度要比計算值小。綜合判斷，底板裂縫不影響結構使用，結構安全沒有問題，但建議對底板加強觀測。

6 泄水洞沉降變形分析

《漳澤水庫觀測資料整編》記錄了1991 年～2015 年泄水洞豎向位移觀測資料。從觀測資料可知，截止2015 年4 月，累計豎向位移最大值為404 mm，位于泄水洞樁號0+058.6 m 處，測點為X08 號；累計豎向位移最小為32 mm，位移泄水洞樁號0+018.6 m，測點編號為X18 號。X08 號測點沉降過程線見圖8。

根據觀測資料，大壩竣工初期沉降速度較快，以后逐漸趨于平緩。分析原因為：1991 年～1992 年為大壩施工高峰期，1991 年大壩已加到910.0 m 高程，原壩體及基礎突然被加荷，必然會使基礎大幅度下沉；再者，同期庫水位較低，壩體內孔隙水壓力小，作用于壩體土的有效應力增大，土體固結速度加快，造成這一時期內基礎快速下沉。

圖8 泄水洞X8 測點沉降過程線

泄水洞累計沉降分布圖見圖9，從圖9 可以看出，洞子兩端豎向位移較小，累計豎向位移量較大值發生在0+058.6～0+066.6 區段，而該段正是大壩改建新培土最大厚度下，符合一般變形規律。

圖9 泄水洞累計沉降分布圖

總體來看，泄水洞豎向位移已基本穩定，可以保證在今后一段時間正常運行。在今后的運行中，應注意加強觀測，發現問題，及時分析處理。

7 結語

泄水洞洞身襯砌結構整體運行狀態良好，混凝土強度高于設計值，襯砌配筋滿足現行規范要求；底板部位裂縫寬度略大于現行規范限值，但不影響結構安全；從泄水洞沉降觀測資料分析結果來看，泄水洞豎向位移已基本穩定；泄水洞前三節洞身接縫處有滲水，建議應加強監測密度，發現問題及時處理。