水庫除險加固隧洞的設計探究

盧治元，呂麗芬

（云南水利水電職業學院，昆明650499）

1 引言

考慮到水庫隧洞存在的安全隱患，當務之急是對其進行除險加固。在實際工作中，對大壩實施加固整形，合理加高溢洪道，針對存在的問題修繕輸水涵管，重新建筑專門的水庫管理房，配備所需的安全監測設備等，以此實現預設目標，充分發揮水庫的原有效益。

2 工程概述

以云南地區某水庫為例，位于新平縣桂山街道，水庫總庫容為 1.25×106m2，徑流面積本區為 6.2km2，外區為 5.1km2，是一座以供應生活用水為主，兼有農業灌溉、防洪等效益的水利工程。通過了解相關文獻得知，水庫正常情況下的蓄水位是1823m，校核洪水位為1825m。受到資金不足的影響，一直沒能得到全面修復，運行幾十年來，壩體嚴重老化，加之水庫沒有建設規范性的溢洪道，導致水庫很難正常運行，給當地居民的人身安全帶來極大威脅[1]。經當地水利局決定，并批準要對水庫實施除險加固，預計耗損資金為120萬元，水庫洪水頻率：正常時期為十幾年一遇即：P=3.33%，特殊時期按洪水為百年一遇：即P=0.33%。

3 輸水隧洞設計

3.1 輸水設施設計

3.1.1設施設計

在實際施工過程中，將新的輸水隧道設計在副壩左側，總長85.368m，進口底板高程為74.60m，底陂比降約等于0.003 68，預設灌溉范圍為130.56hm2，流量為0.39m3/s，城門段隧道的水深為0.27m。由于上游有8.6m的引水渠道及12.6m的涵洞，通過計算得知隧洞過水斷面為1.8m×1.2m[2]。施工人員利用專業工具測量隧洞兩側壁厚后，依據所求結果，設計切實可行的鋼筋混凝土襯砌方案。因為壁厚不超過0.5m，所以在襯砌過程中需要將鋼筋混凝土的厚度設計成0.3m。放水塔下游有長為3m的漸變段及長為63.23m的洞形隧洞。考慮到這一情況，將隧洞壁厚設置成0.4m，內側為0.3m厚的鋼筋混凝土襯砌，外側則進行2次噴射混凝土，由鋼筋作為支撐。除此之外，在洞頂部沿著隧洞建設方向設計間隔為3m的回填灌漿口，角度調整到45°，另外，加設團結灌漿孔，間隔距離為1.5m，必須要保證其能深入到巖土層。完成上述工作后，實施團結灌漿。一般情況下多以純水泥漿為主，其中，回填灌漿壓力初設成150kPa，而團結灌漿的壓力值則控制在100～150kPa。需要注意的是，施工人員在隧道洞口設計接消力池與出水渠，長度要依據工程實際情況進行調整[3]。

3.1.2 過流能力復核

通過計算得知主壩新建隧洞為洞形無壓隧洞，具體計算過程如下：

式中，Q為流量，m3/s；C為謝才系數；A為過水面積，m2；R為水力半徑，m；n為糙率，具體計算結果如表1所示。

表1 隧洞水力計算結果

由表1可知，利用平板閘門管控，隧洞能夠形成無壓流，經檢測獲知其過流能力符合工作需求。需要注意的是，當隧道內水深超過0.25m時，過水量為0.42m3/s，與預估的流量十分相似，其流速為1.54m/s，通過測量發現此刻水面距離洞頂有1.5m的安全空間，凈空高度及面積都符合國家提出標準[4]。

3.1.3 隧洞襯砌設計

依據SL 279—2016《水工隧洞設計規范》：在建筑施工過程中若是選用支護或是加固圍巖，施工人員需要依據其穩定情況計算結果，通常情況下不需要考慮圍巖壓力。由于本次隧洞圍巖隸屬于V類，設計方案中明確指出開挖后需要進行噴混凝土，厚度約為10cm，同時選用鋼材料做臨時支撐[5]。完成上述工作后可以初步認定圍巖處于穩固狀態，設計人員不再需要考慮圍巖壓力的問題。

本次隧洞襯砌設計計算選用的是：北京理正隧道襯砌計算軟件，并結合實際情況，取中間的均值，旨在保證供水位工況信息的安全性與準確性。經過大量的計算，工作人員得出如下結論：各點設定抗力條件與方向位大體一致[6]。

隧洞進口兩側的墻體屬于漿砌石翼，翼墻進口寬度為3.4m，墻尾增設了一道攔截污水的柵欄。經測量得知放水塔外半徑為2.6m，內半徑是2.3m，放水塔設置了多扇閘門與檢修口，閘門主要選擇平板鋼，尺寸多為1.2m×1.8m。在實際運行中，工作人員需要定期進行檢修，查看手電兩用啟閉機的工作狀態，是否存在潛在風險，尤其要檢查攔污柵的運行情況。當前比較常見的攔污柵是5t電動葫蘆。啟閉機運行過程中高程是83m，閘門檢修為80.43m，攔污柵則為82m，計算得出其高出校核水位，符合建設要求。

3.2 輸水管道設計

當前，大多數舊輸水管道設在一幅壩最高的位置，貫穿整個壩體，進口高程高達76.2m，出口高層為73.4m，總長為52m。與副壩相比，就輸水涵管硬性條件基本一致，在壩體內設置涵管可能會不同程度影響到工程地質，基于此問題，施工人員必須將埋在壩體的輸水涵堵封[7]。與此同時，重新建設一個隧洞進行輸水。本次引水隧洞的最大高程為87m，總長107m，設計進口高程74m，出口高程則為73.6m，隧洞總高度1.8m，寬度則為1.2m，隧洞埋深不超過10m。

選定一個合適的位置放水塔，計算求出最佳的剖面距離，將角度控制在120°。在經過山包時，地勢漸漸平緩，周邊植被生長狀態良好，沒有發現嚴重塌陷、滑坡等不良問題。分析出露地層得知，其隸屬于亭子單元，條紋狀構造，多為巖性花崗巖。從出露情況來看，較淺，受到惡劣天氣的影響，全洞都處于風化帶。按照隧洞圍巖的劃分標準計算得出，隧洞屬于V類，不穩定。隧洞埋深不符合標準，進出段洞頂較單薄，因此，施工人員在實際施工中應尤其注意洞口安全，保證圍巖堅固系數不超過0.5這一標準值，單位彈性抗力系數不超出預設值。

4 輸水隧洞的施工

隧洞開挖施工效果在很大程度上取決于巖體質量、斷面積等影響因素，圍巖類型的不同、斷面積的大小都會影響開挖進度與方法。一些斷面積小的洞室，經檢查得知圍巖較好，施工人員則可以選用全斷面法合理開挖；若是遇到圍巖不理想，斷面積小的洞室，施工人員需要選用短臺階法；若圍巖比較理想但斷面大，工作人員此時則需要選用分層開挖法，按照臺階實際需求設計開挖方案；若圍巖質量不理想且斷面大，則可以選擇超前導洞法開挖，此外預留核心法也比較常用[8]。一般情況下，短隧洞經過事先的地質探測后，工作人員可以全面掌握地質信息，若是存在問題，也可以早發現早解決。但對于長隧洞而言，工作人員就算勘測再怎么仔細），也難免會突發性出現地質變化問題，具體分為以下幾個方面：（1）巖體松動或破碎，甚至出現斷層，地下水位會短時間內迅速上漲，滲漏與涌水問題嚴重；（2）頁巖層理傾角不斷提高，甚至漸漸接近90°，層理間還存在不同程度的頁泥夾層。

基于上述問題，施工人員可以選用“新奧法”開挖，具體如下：

1）加大施工監測力度，事先掌握地質方面的信息，依據存在的問題制定解決方案，盡可能對比因開挖不合理而引發的一系列問題。

2）選用光面爆破，盡可能少超填或超挖。在施工過程中，施工人員選用噴錨支護發現巖層出破損時，則需要立即換材料，比較常見的替代物是鋼銜架及鋼拱架。若是遇到地下水位突然上漲或涌水量不斷上升的問題，必須要立即加大排水工作力度。在隧洞的底部增設積水坑，必要情況可以利用排水溝進行抽排，同時工作人員要在隧洞側壁及洞頂部分打幾個孔，整理好排水管。若是地下水位超出隧洞輸水量，那么將不會出現內水外滲的問題，不可大意，要妥善保管排水管。

3）漸變段作為施工的重難點，關鍵在于保證垂直加固效果，降低出現問題的概率。在挖隧洞過程中，施工人員需要嚴格按照“新奧法”工藝要求，緊緊圍繞先支護、慢推進、弱爆破、降噪聲、速封閉、勤量測等施工原則，以此保證圍巖成洞的效果與施工過程中的安全。在施工環節，應依照相關規范及設計圖紙的要求實施質量檢測，定期向有關部門反饋結果，綜合解析洞身結構的安全性與穩定情況，為更好調整支護數據、二次襯砌奠定數據基礎。砂漿錨桿主要選用螺紋鋼筋，施工現場便可制作，長度約為4m。工作人員在鉆孔前需按照設計原則準確定位出孔位置，保持平行狀態，保證注漿的充實度。

4）鋼架主要是由型鋼彎制而成的，加工廠商借助臺架按照需求將材料加工成型，在噴過混凝土后在洞內對其實施安裝，保證鋼筋間的無縫銜接。需要注意的是，鋼架拱腳需要放置好，保證其穩定性，隨后由專門的技術人員測量中線、高程、垂直度。完成上述工作后，工作人員需要將錨桿與鋼架焊接起來，合理控制保護層厚度。

5）防滲施工，具體從以下2方面分析：（1）凹槽和截水環。在實際施工過程中，工作人員需要依據施工地址情況、防滲需求及施工進度，分三次對隧洞的底板、側墻及拱頂進行澆筑，并選用紫銅片“凹槽”保證防滲效果。在此基礎上，施工人員按照鋼筋定型的尺寸，合理調整間距，增設多個截水環，將拱頂設計成“T”形缺口，從而保障泵送軟管出口有擺放空間。（2）回填灌漿。主要是采取鉆孔注漿法，在確定各項數據后，計算壓力值，分階段進行測試，以此得出均值。同時，以閘室為出發點，慢慢向隧洞出口方向回填灌漿，側墻、洞頂混凝土沒有出現明顯的滲漏和潮濕現象，這也進一步證明了截水環的作用。

5 結語

綜上所述，水庫隧洞設計需要以加固圍巖為重點，構建固結圈，工作人員應重視圍巖、襯砌及錨桿的施工作用，以此解決水壓大、隧洞高等問題；設計多種排水設施，不斷減少外水壓力，在支洞設計上需要做到一洞多用，嚴格按照“新奧法”工藝進行施工，以此保證施工質量，實現預設目標。