飛劍潭水庫泄洪隧洞除險整治方案研究

易松德

(宜春市袁州區飛劍潭水庫管理局，江西 宜春 336013)

1 工程概況

飛劍潭水庫位于江西省宜春市袁州區飛劍潭鄉境內，屬贛江水系袁河北岸支流坑西河支流遼市河，是一座以灌溉為主，兼有防洪、發電、養殖等綜合功能的大(2)型水利樞紐工程，是袁北灌區(大型灌區)的主要灌溉水源之一。壩址以上控制流域面積79.3 km2，水庫總庫容1.056 億m3，設計灌溉面積8360 hm2，防洪保護農田面積1600 hm2，發電裝機容量1630 kW，多年平均發電量300萬kWh，樞紐工程等別為Ⅱ等，主壩、副壩、隧洞等主要永久性建筑物級別為2 級，次要建筑物級別為3級，臨時建筑物級別為4級。

泄洪隧洞位于左壩肩以東約80.0 m 處，具有泄洪、灌溉及引水發電功能。泄洪隧洞由進水口、洞身段、出口陡槽及消能段組成。進水口包括喇叭口和閘門井，為鋼筋混凝土結構。進水口底板高程161.30 m，設有攔污柵，閘門井內設有平板事故檢修閘門。泄洪輸水洞內徑2.50 m，底坡i=0.005，洞身長110.00 m。出口底高程160.66 m，后接陡槽段，陡槽底坡i=0.010。陡槽后接挑流消能段，挑流鼻坎高程150.23 m，下游河床高程148.23 m。隧洞洞身采用150#鋼筋混凝土襯砌[1]。

泄洪隧洞主要存在的問題：洞身襯砌混凝土強度低，根據檢測洞身混凝土強度為12.2 MPa，多處存在襯砌混凝土蜂窩麻面、露石露筋及漏水析鈣現象，且隧洞進口附近局部位置出現股狀射流，需要進行加固處理。

2 泄洪隧洞除險整治方案研究

2.1 洞身加固方案比選

鑒于泄洪隧洞混凝土強度較低，通過復核結構不滿足規范要求，存在安全隱患，須對泄洪隧洞鋼筋混凝土襯砌進行加固處理。

方案一：擬拆除重建隧洞，但由于圍巖條件較差，拆除重建方案施工難度大、工期長、工程費用高等原因予以放棄。

方案二：擬采用鋼襯加固，由于隧洞洞徑2.5 m，鋼板拼裝、焊接均比較困難，施工工期長，難度大[2]。

方案三：隧洞洞身粘貼碳纖維布加固，經過復核計算，結構安全主要受內水壓力控制，在洞身粘貼碳纖維布加固可有效解決結構存在的問題，且碳纖維布加固在水利工程應用實例也較多，施工相對方便。

碳纖維布具有材料體積小，重量輕，施工簡單、方便，工期短等特點，在隧洞內壁粘貼具有較高抗拉強度的碳纖維布。碳纖維布與黏膠形成的復合層，既可承受內水壓力，又可起到較好的防滲和抗沖耐磨作用，從而使隧洞加固后達到正常運用要求。近年來用于混凝土結構加固已取得良好的效果。碳纖維布一般常用型號為：L200-C(200 g/m2)，厚度為0.111 mm；L300-C(300 g/m2)，厚度為0.167 mm。極限抗拉強度達3790～4825 MPa，彈性模量達220～235 GPa,延伸率>1.4%[3]。

武漢大學水利水電學院實驗研究成果顯示：在空管裂縫內水壓力作用下，碳纖維布與混凝土的黏結強度一般可以抵抗>250 m 以上水頭的剝離壓力(若管道混凝土碳化嚴重，可能有所降低)；碳纖維表面膠的抗沖磨強度相當于C40 混凝土的2倍，可適用于高流速的水流；內襯抗裂荷載可提高約25%，極限破壞荷載提高約10倍；表面膠的糙率系數約0.007,比混凝土的系數小50%；加速老化2000 h黏結強度基本不降低，滿足相關規程規范要求。

上述三種方案綜合對比分析，本次泄洪隧洞除險整治方案推薦采用方案三，即洞身粘貼碳纖維布加固方案。

2.2 加固設計

泄洪隧洞加固，保留隧洞原有鋼筋混凝土襯砌，對洞身進行固結灌漿，對襯砌表面裂縫進行加固處理，后在表面粘貼碳纖維布2層。

固結灌漿沿洞周鉆孔進行，固結灌漿孔排距2.0 m，每排沿洞周布置4孔，孔深3.0 m，對稱布置，相鄰斷面錯開排列。

通過計算分析，洞段內面需要的碳纖維布最小厚度t0=0.21 mm；考慮工程實際情況，泄洪隧洞段均采用2層厚度為0.167 mm的L300-C(300 g/m2)碳纖維布加固。

采用粘貼碳纖維布加固泄洪隧洞混凝土襯砌。其主要工藝措施如下：

(1)修復結構縫止水。

(2)對混凝土表面進行處理，具體包括混凝土襯砌結構裂縫補強灌漿、空洞環氧砂漿修補、洞壁進行清洗、鑿毛處理等。

(3)涂刷底膠。

(4)涂刷修補膠。

(5)貼碳纖維布，包括涂刷浸漬膠、粘貼碳纖維布和再涂刷浸漬膠等3 道工藝，若貼多層碳纖維布就多次重復上述3道工藝。

(6)做表面防護膠。

(7)碳纖維布的主拉方向沿徑向，且要求徑向搭接長度≥10 cm；碳纖維布幅寬選用0.6 m 為宜；碳纖維布粘貼宜采用自下游向上游分段粘貼，上游段與下游段的搭接長度≥5 cm；粘貼碳纖維布兩端(如止水部位)應采用壓條做好端部處理，確保高速水流不會沖壞粘貼碳纖維布。

(8)碳纖維布的厚度選用L300-C(300 g/m2)碳纖維布，厚度為0.167 mm。極限抗拉強度達3790～4825 MPa，彈性模量達220～235 GPa，延伸率>1.4%。

3 泄洪隧洞除險整治方案相關計算

3.1 原結構復核計算

鋼筋混凝土襯砌結構復核計算，根據復核工況及原隧洞洞身襯砌情況，分別選取洞身前部0+005、中部0+020 及尾部0+105 典型斷面進行計算[4]。

(1)計算依據和條件。根據《水工隧洞設計規范》(SL 279—2016)和《水工混凝土結構設計規范》(SL 191—2008)，對于圍巖襯砌結構采用結構力學方法進行襯砌內力計算，泄洪隧洞為有壓洞，混凝土襯砌按照抗裂進行復核計算。

特征水位：正常蓄水位180.00 m，設計洪水位181.31 m，校核洪水位182.83 m。

輸水隧洞工程級別：2 級。

(2)計算荷載及工況。隧洞襯砌結構受力工況為完建工況、運行工況和檢修工況。考慮到泄洪隧洞建成運行已50余年，現場檢查襯砌結構未出現明顯變位，且檢修工況外水壓力比完建工況大。因此，本次只對運行和檢修工況進行計算，其荷載組合如表1。

表1 隧洞襯砌結構受力工況及荷載組合

(3)計算參數。襯砌混凝土原設計為150#混凝土，接近現行規范C15 混凝土，其力學參數按C15 混凝土取值，據規范(SL 191—2008)，C15混凝土軸心抗壓強度設計值fc為7.2 MPa，軸心抗拉強度設計值ft為0.91 MPa，混凝土彈性模量Ec為22.0 GPa，泊松比μc為0.167。襯砌采用Ⅰ級鋼筋雙層配筋(HPB235)，鋼筋彈性模量Es為210 GPa，鋼筋抗拉強度設計值fy為210 MPa，鋼筋抗壓強度設計值fy′為210 MPa。鋼筋混凝土襯砌容重取25 kN/m3。混凝土結構構件的承載力安全系數基本組合取1.2，偶然組合取1.0。

隧洞圍巖彈性模量E為1.5 GPa，泊松比μc為0.25。隧洞襯砌開裂寬度的限值取0.30 mm。

(4)內力及配筋復核計算結果。經計算，各斷面襯砌結構控制工況內力計算結果見表2。

表2 各斷面襯砌結構控制工況內力計算結果

計算結果表明：

(1)隧洞襯砌實配鋼筋大于最小配筋率，各斷面結構受運行工況控制。

(2)在運行工況，各斷面實配鋼筋面積不滿足規范要求，樁號0+020斷面裂縫寬度不滿足規范要求，需進行加固處理。

3.2 加固后復核計算

計算條件與復核計算相同。根據泄洪隧洞襯砌結構計算分析，襯砌結構主要受內水壓力工況控制，在內水壓力作用下襯砌結構配筋、抗裂不滿足要求；同時泄洪隧洞混凝土襯砌存在裂縫、空蝕和強度偏低等問題。加固方案保留泄洪隧洞原有鋼筋混凝土襯砌，在泄洪隧洞內壁粘貼具有較高抗拉強度的碳纖維布。碳纖維布與黏膠形成的復合層，既可承內水壓力，又可起到較好的防滲和抗沖耐磨作用，從而使泄洪隧洞較好修復，達到正常運用要求[5]。

碳纖維布加固隧洞，參照《水利水電工程壓力鋼管設計規范》(SL/T 281—2020)的鋼襯計算方法，按碳纖維布承擔泄洪隧洞內水壓力最不利條件考慮。即加固碳纖維布受內水壓力作用的厚度按式(1)計算：

(1)

式中：t0為碳纖維布計算厚度，mm；P為徑向均布壓力，N/mm2；r為碳纖維布半徑，mm;計算得碳纖維布允許應力，[σ]為1750.0 N/mm2。

最大內水壓力為校核洪水位運行工況P=288.12 kPa，r=1.25 m。由此算得泄洪隧洞洞身加固需要粘貼的碳纖維布最小厚度t0=0.210 mm。實際選用厚度為0.334 mm，滿足規范要求。

4 結 語

泄洪隧洞是飛劍潭水庫重要的水工建筑物，具有引水發電、灌溉、泄洪等重要功能，由于建成年代久遠，其現狀存在較多問題，具有較大的安全隱患，因此選擇合適的除險整治方案，不僅關系到整個庫樞紐建筑物的安全問題還可節省投資。本文采用對隧洞洞身固結灌漿處理，而后在其表面粘貼碳纖維布2層，經過對加固后的隧洞洞身進行結構復核計算，結果滿足規范要求。對飛劍潭水庫泄洪隧洞采用洞身粘貼碳纖維布的加固方案在水庫實際除險整治工程中取得了應有的成效,將為今后隧洞除險工程的設計提供參考。