返步橋水庫輸水涵加固設計方案分析

宋靈根

(樟樹市水利局水政監(jiān)察大隊，江西 宜春 331200)

1 工程概況

返步橋水庫始建于1966年11月，1967年9月停建，1980年5月續(xù)建，1983年12月基本建成受益。水庫樞紐工程主要建筑物有：大壩(含溢流壩)、輸水涵、放空涵及電站等。

大壩為漿砌塊石重力壩，最大壩高60.0m,壩頂長137.0m,壩頂高程348.00m，壩頂寬9.0m，輸水涵位于左壩段壩體內，原為鋼筋混凝土圓管，長24.0m，內徑2.0m，原鋼筋混凝土襯砌厚度為0.2m，進口底高程318.65m。進口設一平面鋼閘門，由一臺30t手搖、電動兩用啟閉機啟閉。1987年，輸水涵內襯厚8mm鋼管，長36.0m，內徑1.8m，在涵管出口修建壩后電站。

經現場檢查發(fā)現，進口段內套鋼管因起翹而割除。輸水涵閘門及啟閉設施陳舊老化，銹蝕嚴重，不能正常使用。

根據水庫大壩安全鑒定報告，輸水涵進口段內襯鋼管曾發(fā)生失穩(wěn)、變形，管壁混凝土蜂窩麻面、孔洞較多，鋼襯段銹蝕嚴重，結構不安全，且發(fā)電岔管漏水嚴重[1]。

水庫在現狀帶病運行條件下，灌溉和發(fā)電效益達不到設計標準。除險加固可改善灌溉田畝數和增加發(fā)電量，促進灌區(qū)的耕地復種面積指數，群眾經濟收入逐年增加，獲得明顯的社會效益和經濟效益。

2 現狀輸水涵復核計算

2.1 過流能力復核

考慮到輸水涵為有壓運行，可按管流中自由出流情況計算涵管的過水能力。經計算，輸水涵過水能力見表1。

表1 輸水涵過流能力一庫水位關系表

返步橋水庫設計灌溉面積3133hm2，壩后電站裝機2×400kW，水輪機最大過流量為9.3m3/s,由此可知，輸水涵過流能力滿足下游溉溉和發(fā)電引水要求。

2.2 內襯鋼結構安全復核

經現場檢查發(fā)現，進口段內套鋼管因起翹而割除，因此有必要對輸水涵的抗外壓穩(wěn)定進行分析。

規(guī)范計算方法及其成果

1)理論公式：

首先不考慮因灌漿施工引起的初始屈曲破壞所帶來的鋼襯抗外壓能力降低問題。采用規(guī)范SL281—2003《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》中推薦的阿姆斯圖茲公式對鋼管按照光面管進行抗外壓穩(wěn)定計算。該公式認為鋼管在外壓作用下，管周先發(fā)生壓縮，管殼與混凝土間形成間隙，當外壓達到臨界值后，首先在鋼管某處產生皺波，并發(fā)生微小變位，而其余部位則與外壁貼合，失穩(wěn)部位管壁的變形曲線呈三個半波形狀，由此導出阿姆斯圖茲公式如下：

(1)

式中：Pcr為臨界外壓；△為縫隙，包括施工縫隙△0、鋼管冷縮縫隙△s、圍巖冷縮縫隙△P及圍巖塑性壓縮縫隙△R，本次計算取△=0.70mm；E為鋼管材料的彈性模量，取2.06×105MPa；μ為鋼管材料的泊松比，取0.3；σs為鋼材屈服強度標準值，為269.9MPa；r1為鋼管內半徑，為900mm；t為鋼管計算厚度，為8mm；σN為管壁屈曲部分由外壓引起的平均應力(MPa)，通過試算求得。

通過計算得到該鋼管的臨界外壓：

Pcr=0.675MPa

(2)

2)經驗公式：

其次采用規(guī)范SL281—2003《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》中推薦的經驗公式按照光面管進行抗外壓穩(wěn)定計算：

Pcr=620(t/r1)1.7σS0.25

(3)

通過計算得到該鋼管的臨界外壓：

Pcr=0.819MPa

(4)

經鋼襯抗外壓穩(wěn)定復核計算，該鋼襯可承擔67.5m以上水壓力，而在校核洪水位346.17m情況下的水頭也僅為27.52m，以規(guī)范要求的最小安全系數2.0計，其抗外壓能力可滿足要求。但現場檢查發(fā)現，進口段內襯鋼管因起翹而割除，故鋼管的結構安全仍不滿足要求，且主要與鋼管的材質、焊接質量以及施工質量等有直接天系(可基本排除抗外壓穩(wěn)定不足的因素)，應盡快進行修復和處理[2]。

3 輸水涵加固設計

3.1 加固設計方案比選

考慮到輸水涵內襯鋼管后已使用近20余年了,進口段內套鋼板因起翹而割除，管壁混凝土蜂窩麻面、孔洞較多；保留的鋼襯段銹蝕嚴重，結構不安全，且發(fā)電岔管漏水嚴重。,因此需要對輸水涵進行加固處理[3]。

本階段加固擬定二種方案進行比較。

方案一：對輸水涵進行重新內襯鋼板加固，并進行接觸灌漿。

方案二：將輸水涵原內襯鋼管及鋼筋混凝土襯砌拆除，重新澆筑30cm厚的C25鋼筋混凝土。兩方案主要工程量及投資比較見表2。

表2 輸水涵加固方案主要工程量及投資比較表

兩方案優(yōu)缺點如下：

方案一(重套鋼管方案)：

優(yōu)點：①施工期較短；②由于壩體內漿砌石澆筑質量差，涵管采用鋼襯后，解決了內水外滲所帶來的一系列安全問題。

缺點：①投資稍大；②鋼襯易受外壓失穩(wěn)，不過這種情況可以在設計該方案時，采取措施加以消除。

方案二(鋼筋混凝土襯砌方案)：

優(yōu)點：投資較少。

缺點：①施工期較長；②由于壩體內漿砌石澆筑質量差，涵管采用鋼筋混凝土襯砌后，一旦襯砌出現蜂窩麻面或產生裂縫，輸水涵長期運行所產生的內水外滲將引發(fā)一系列安全問題[4]。

故經綜合分析，本次加固處理采用方案一(重套鋼管方案)。

3.2 輸水涵加固設計

3.2.1 輸水涵加固結構布置

結合大壩防滲面板加固方案，考慮在輸水涵進口設置啟閉豎井，拆除原啟閉排架，重建啟閉機房。

3.2.2 設計計算

內襯鋼管計算：

1)鋼管設計的最大內、外壓力：

輸水涵內襯鋼管加固設計考慮其單獨承擔內、外壓力。鋼管設計的最大內壓力以校核洪水位工況下的管頂靜水壓力控制，經計算，管頂最大的靜水頭H0=25.62m。

2)鋼管厚度計算：

原輸水涵內襯鋼管內徑為1.8m，現仍取內襯鋼管內徑1.8m。內襯鋼管承擔內壓時，鋼管壁厚按下式計算：

(5)

式中：δ為內襯鋼管管壁厚度；γ為水的容重，10kN/m3；HP為鋼管的內水壓力256.2KN/m2；D為隧洞內襯鋼管內徑,1.8m；[σ]為鋼管容許應力，內襯板采用A3鋼材，按規(guī)范將[σ]值適當降低取0.85[σ]。2100×103(kN/m2)

根據上式得內襯鋼管管壁厚為1.3mm。

內襯鋼管承擔外壓時,鋼管管壁厚按下式計算:

(6)

式中：Pcr為外壓力，N/mm2，以灌漿壓力0.3N/mm2控制；t為內襯鋼管壁厚度；γ1為內襯鋼管半徑,(γ1=900mm)；σs為鋼材的屈服應力；內襯鋼板采用A3；

根據上式計算得的內襯鋼管管壁厚為4.5mm。

根據以上計算，內襯鋼板厚度以承擔外壓時控制，考慮到鋼管運行中的銹蝕和磨損及構造要求等，取內套鋼管直徑為1.8m，內襯鋼壁厚為10mm，并應對其進行防腐處理，為了使內襯鋼管和鋼筋混凝土襯砌間接合緊密，在內襯鋼管與鋼筋混凝土襯砌間采用接觸灌漿[5]。

經加固處理后,輸水涵進口底板高程仍為318.65m。

3.3 輸水涵啟閉塔豎井加固設計

結合大壩采用混凝土面板防滲方案，拆除原進口啟閉排架，設計采用啟閉豎井加固方案，從啟閉豎井與啟閉排架兩種運行方式比較，前者更具安全性。故本工程進口改建為啟閉豎井，啟閉豎井斷面尺寸為3.8m×3.8m；并重建啟閉機房。

3.4 輸水涵進口事故檢修閘門及啟閉設備更換設計

輸水涵進口順水流方向設攔污柵、事故檢修閘門各一扇及相應的啟閉設備。

攔污柵孔口尺寸2.8m×4.0m(寬×高)，采用平面滑動鋼柵，啟閉設備采用MD1—10t電動葫蘆。在低水位時，采用人工對攔污柵進行清污。

事故檢修閘門采用平面滑動鋼閘門，孔口尺寸1.8m×1.8m，為潛孔式；進口底檻高程為318.65m，設計水頭25.55 m。事故檢修閘門設計為動水中閉門，靜水啟門。

經計算，閘門自重3.5t，攔污柵自重1.5t；閘門啟門力FQ=26.8t,閉門力FW=-1.5t。

閉門力為負值，所以閘門在動水時利用自重可以自行關閉，采用卷揚式啟閉機關閉。根據閘門啟閉力的計算，選擇卷揚式啟閉機，單吊點，啟閉機型號為QP1×320kN。

4 結 語

文章通過對返步橋水庫輸水涵進行泄流能力以及內襯鋼結構復核計算，得到結論：現狀輸水涵過流能力滿足要求，現狀鋼襯抗外壓能力亦滿足要求。但現場檢查發(fā)現，進口段內襯鋼管因起翹而割除，故鋼管的結構安全仍不滿足要求，經過設計方案比選，采用重套鋼管方案對其進行加固。經過加固后，解決了輸水涵結構安全、漏水等問題，消除了返步橋水庫的安全隱患，確保水庫能正常運行。