水庫除險加固工程中新建輸水隧洞設計綜述

范春雷

(永豐縣下溪水庫管理所，江西 吉安 331500)

1 工程概況

高虎腦水庫位于永豐縣石馬鄉龍源村 ，屬烏江支流藤田河，水庫集雨面積24km2，另有引流面積2.2km2，正常蓄水位222.50m，總庫容1630萬m3，設計灌溉面積1666.67hm2，實際灌溉面積1533.33hm2，是一座以灌溉為主，兼有防洪、發電、養殖等綜合效益的中型水庫。

2 壩下涵管現狀及存在問題

2.1 壩下涵管現狀

壩下涵管位于大壩左岸壩體內，全長250m，涵管內徑1.5m，壁厚0.3m。1986年對豎井后段管壁進行了掛網噴混凝土漿。閘門啟閉豎井設在壩頂上，距涵管進口110m，豎井高40m，內徑3.0m，壁厚0.45m。豎井內設工作閘門，啟閉設備為手電兩用螺桿式啟閉機。壩下涵管出口設有四個岔口，依次接灌溉渡槽、發電壓力鋼管和放空管。

2.2 壩下涵管存在問題

1)壩下涵管混凝土施工質量較差，豎井上游管段管壁多處裂縫、漏水嚴重。經復核，涵管正截面承載力和抗裂均不滿足規范要求。涵管通氣孔失效，管壁混凝土氣蝕嚴重。

2)壩下涵管豎井平板工作閘門銹蝕嚴重，止水失效；啟閉機機座斷裂，螺桿銹蝕、變形，啟閉困難；灌溉進口蝶閥銹蝕嚴重，放空管木閘門破損、漏水嚴重。

3 輸水建筑物加固設計方案比選

3.1 方案一：原壩下涵管內襯鋼板方案

擬對原壩下涵管內壁增設圓形鋼襯，用以解決滲漏問題，計算時鋼襯抵抗內水壓力，。鋼管內徑1.3m，壁厚10mm。鋼襯施工到位后應對鋼管與原混凝土管內壁間空隙進行回填及接觸灌漿。

3.2 方案二：新建輸水隧洞方案

擬在左岸新建輸水隧洞，考慮施工及現行規范要求，洞涇1.8m，襯砌厚0.3m，采用C25雙層鋼筋混凝土襯砌。

3.3 方案比選

兩方案主要工程量及投資比較詳見表1。

方案一造價相對較高，而且有一定的施工難度和安全隱患。涵管原內徑1.5m，經1987年掛網噴漿后，內徑改為1.34m，如采用內襯鋼管方案，施工操作空間狹窄，施工難度較大，且施工質量不易控制；施工時涵管進口設置圍堰，無法泄流，水庫來水僅靠水庫蓄滯，施工期洪水位較高，圍堰工程量大；運行多年后內襯鋼板易銹蝕，輸水系統仍從壩身通過，仍未徹底根除今后運行時除險滲漏險情的可能性，在今后仍將成為大壩安全運行的一大隱患。

方案二造價較低，且有利于工程建設后的工程管理，施工時可采用原壩下涵管導流，降低施工期洪水位，有利于加固工程實施，施工干擾少。

表1 兩方案主要工程量及投資比較表

綜合經濟、技術比較結果，輸水建筑物加固選用方案二，即在大壩左岸新建輸水隧洞方案。

超聲波霧化發生裝置內部安裝有超聲波霧化發生器，將液態水分子結構打散，使水成為微細的霧滴，并利用現場壓縮空氣，將霧氣導出，使霧氣在物料清除裝置內擴散，從而達到抑制粉塵的作用[7-8]。

4 新建輸水隧洞設計

4.1 隧洞平面布置

在大壩左側山體內開設新的輸水隧洞，隧洞襯砌后洞徑1.8m，全長262m，設計進口高程193.0m，出口高程191.2m，底坡0.007。隧洞在平面上有兩處弧形轉折，轉折角度分別為51.91度、36.03度，轉彎半徑15m；新建隧洞與原壩下涵管間設C25混凝土埋管連接。新建隧洞采用C25混凝土全斷面襯砌，襯砌厚0.3m，襯砌段每隔10m設置伸縮縫，縫寬2cm，采用銅片止水。

4.2 進水口設計

擬在隧洞進口修建啟閉井及工作橋，進水口底板高程仍為193.0m，底板厚1.2m。進水口頂板采用橢圓形線，前端設攔污柵，孔口尺寸1.8×3.0m(寬×高)，攔污柵后設檢修閘門、事故閘門，孔口尺寸為1.8×1.8m，閘門后設有通氣孔。閘室段與洞身段采用漸變段連接，漸變段長5.0m，斷面由1.8×1.8m方形漸變為直徑1.8m的圓形。工作橋橋面頂高程230.2m，橋面寬3.0m，與山體連接。工作橋和啟閉井為鋼筋混凝土結構，啟閉房為磚混結構[1-3]。

4.3 地質條件

隧洞穿越地層為震旦系上段下部(ZⅡ1)中厚層狀變余凝灰質砂巖夾千枚巖；隧洞進、出口段圍巖為強風化巖體，節理裂隙及層面裂隙發育且處山坡上部，巖體完整性較差，屬Ⅴ類圍巖。洞身段巖體呈弱、微風化狀，巖體較完整，工程地質條件較好。巖層走向洞身中前段與洞線交角較大，屬Ⅲ類圍巖，洞身后段與洞線近乎平行，按Ⅳ類圍巖考慮。由于洞徑較小，中前段成洞條件較好，后段可能有塌頂現象。

4.4 隧洞進出口開挖設計

勘察揭露，隧洞進口段自然山坡角25°-35°，山坡穩定，洞頂以上圍巖(強風化)厚5.4m，其上第四系殘坡積厚1.5-2.0m；隧洞出口段自然山坡角約40°，洞頂以上圍巖(強風化)厚約5.4m，其上殘坡積厚2.5-3.0m，山坡穩定。由于進、出口洞臉開挖邊坡較高，且巖體節理裂隙及層面裂隙發育、完整性較差。對進、出口洞臉進行削坡處理，強風化巖坡比為1∶0.5，殘坡積層1∶1，坡高大于5m時應分級開挖，并設置寬1.0m的馬道。再對洞臉周圍采用掛網噴混凝土以形成穩定邊坡，并設置排水孔，采用Φ50PVC管，間距3×3m。

4.5 隧洞灌漿設計

隧洞襯砌的頂部必須進行回填灌漿。回填灌漿應在襯砌混凝土達70%設計強度后進行。回填灌漿的范圍在頂拱中心角90-120度，孔距2.0m，按兩序孔進行，第一序孔每排均布3孔，第2序孔每排均布2孔，灌漿壓力0.3-0.5MPa，灌漿孔深入圍巖10cm。

固結灌漿應在回填灌漿結束后7天進行，排距3.0m，每排為6孔，深入基巖1.4m，灌漿壓力0.3-0.5MMPa。

4.6 原壩下涵管封堵設計

隧洞建完后，用水泵壓力清洗涵管內污泥及雜物，先在進口砌筑C20混凝土擋墻，再回填C20混凝土至豎井下游5m處，以防止庫水滲漏。為確保封堵質量，在涵管頂部采用充填管將填實空隙。封堵混凝土采用泵送混凝土。

5 新建隧洞設計計算

5.1 隧洞過水能力計算

考慮到隧洞為有壓運行，可按管流中自由出流情況計算隧洞的過水能力，隧洞過水能力計算成果見表2。

表2 新建隧洞過水能力與庫水位關系表

原壩下涵管最大過水能力為2.54m3/s，從表2可知，新建輸水隧洞過水能力比原壩下涵管過水能力要大，故新建隧洞過水能力滿足灌溉要求。

5.2 隧洞結構計算

新建輸水隧洞采用鋼筋混凝土進行全段襯砌，隧洞襯砌后對洞身頂拱120度范圍進行灌漿處理，對隧洞圍巖進行固結灌漿。

1)估算襯砌厚度：洞徑1.8m，襯砌采用C25混凝土，Ⅱ級鋼筋，經計算襯砌厚度t=21.95cm，按構造要求，本次設計襯砌C25混凝土厚度為30cm。

2)內力計算：襯砌后隧洞內徑1.8m，壁厚0.3m，采用C25雙筋混凝土襯砌。根據規范， 隧洞計算的荷載有：山巖壓力、襯砌自重、內水壓力以及外水壓力等。計算工況如下：

基本組合，工況一：自重+山巖壓力+內水壓力(設計水位)；工況二：自重+山巖壓力+外水壓力；

特殊組合，工況三：自重+山巖壓力+內水壓力(校核水位)；

隧洞襯砌的內力計算結果見表3、表4，其中使襯砌內表面受拉應力時的彎矩為正，使襯砌斷面受壓應力時的軸向力為正。

表3 隧洞進出口荷載組合內力表

表4 隧洞洞身段荷載組合內力表

5.3 配筋計算

隧洞級別為3級，基本荷載組合時，鋼筋混凝土結構安全系數為1.6，特殊荷載組合時，鋼筋混凝土結構安全系數為1.5。

根據以上內力計組合結果，對隧洞進行配筋計算，雙層對稱配筋。根據計算可知，各種組合均為小偏心受壓或小偏心受拉構件，經計算洞身段所需鋼筋鋼筋面積為1001mm2，進出口段所需鋼筋面積為1156mm2[4-5]。

故隧洞內外層環向受力鋼筋采用φ20@200(As=1571mm2)，縱向分布筋為φ12@200。

5.4 裂縫開展寬度驗算

根據規范，鋼筋混凝土襯砌結構不作為有嚴格防滲要求的結構，可按允許出現裂縫的鋼筋混凝土襯砌結構進行限裂計算。

經計算，ωmax=0.21mm<[ωmax]=0.25mm，滿足裂縫寬度要求。

6 結 語

水庫除險加固工程中，對原壩下涵管加固造價較高，施工難度較大，無法徹底根除滲漏險情的情況下，合理的設計方案是選址新建輸水隧洞，經過方案比選，選擇對原壩下涵管進行封堵，在左岸山體新建輸水隧洞方案；新建輸水隧洞的設計思路與方法可為類似水庫除險加固工程輸水建筑物的加固設計提供參考。