山東岸堤水庫輸水洞除險加固方案設(shè)計研究

劉 海

（山東省淮河流域水利管理局規(guī)劃設(shè)計院，山東 濟南 250000）

0 引言

我國在上世紀(jì)建設(shè)了大量的水庫，隨著使用時間的增長，水庫病害問題逐漸顯現(xiàn)。水庫出現(xiàn)病害問題不但影響到水庫發(fā)揮其自身建設(shè)的作用，也會對流域居民的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重的威脅[1~2]。因此，對病害水庫除險加固的研究逐漸受到重視。趙微微[3]以九龍水庫為例，對水庫輸水洞滲漏原因進行分析，并提出相應(yīng)的治理措施，取得了較好的工程效果；張建華等[4]對碳纖維布在輸水隧洞加固中的應(yīng)用進行研究，認(rèn)為碳纖維布具有較好的加固效果；劉海青[5]對小型水庫輸水洞加固處理中常用的措施進行研究，可為類似工程提供參考；歐高明[6]以黃材水庫為例，對輸水隧洞加固除險技術(shù)進行分析，采用原地重建閘室的方案對閘室進行處理；蔡軍平[7]以十八里堡水庫為例對輸水洞豎井存在的問題進行分析，并提出加固措施建議；魏澤等[8]、鄧君承[9]分別以阿庫木引水樞紐和潦河灌區(qū)解放閘壩為例對閘室加固措施進行設(shè)計，取得了較好的工程效益；王愛偉[10]以牙塘水庫為例，對輸水洞邊坡加固方案進行研究，采用削坡和錨固的方法進行加固，取得了較好的工程效益。

1 工程概況

山東岸堤水庫位于蒙陰縣，核定總庫容7.49億m3，興利庫容4.51億m3，興利水位176.0 m，死水位160.3 m，兼具著防洪排澇、灌溉、供水作用。該水庫輸水洞始建于上世紀(jì)60年代，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行襯砌，輸水洞總長約159 m，隧洞內(nèi)徑約3.4 m，輸水洞洞壁厚度約0.6 m，閘門尺寸為3 m×3 m，進水口的底板高程為160.3 m。目前輸水洞存在的問題有：（1）在Ⅷ度地震烈度下，閘室穩(wěn)定性情況較差；（2）閘室結(jié)構(gòu)配筋不滿足規(guī)范要求；（3）輸水洞襯砌結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重，不滿足要求。因此，需要對輸水洞進行除險加固治理。

2 進口段加固方案設(shè)計

進口段根據(jù)工程地質(zhì)情況，可以分為四段。

第一段長118 m，斷面形式為梯形，底寬4 m，凈高6 m，底坡i=0，邊坡坡比為1∶1。通過分析，該段穩(wěn)定性情況較好可維持現(xiàn)狀不變。

第二段長28 m，斷面形式為梯形，底寬4 m，凈高6 m，底坡i=0，邊坡坡比為1∶1。該段加固方案設(shè)計如下：對原護坡和護底進行拆除,，重新用厚40 cm的M10漿砌石進行護砌。

第三段為漸變段，長10 m，斷面形式為梯形，底寬由4 m逐漸向8 m過渡，邊坡坡比為1:1，凈高6 m。對原護坡和護底進行拆除，重新用厚40 cm的M10漿砌石進行護砌。

第四段為進水池段，長8 m，斷面形式為梯形，底寬8 m，邊坡坡度1∶1，凈高6 m。對原護坡和護底進行拆除，重新用厚40 cm的M10漿砌石進行護砌。

3 豎井閘室加固設(shè)計

3.1 孔口尺寸確定

輸水洞孔口尺寸初擬兩個方案：（1）輸水洞豎井閘門孔口尺寸采用3 m×3 m，單孔；（2）輸水洞豎井閘門孔口尺寸采用2.5 m×2.5 m，單孔。

通過計算，兩種方案孔口的過流能力計算結(jié)果見圖1。

圖1 兩種方案泄水流量對比

通過計算結(jié)果可知，方案二在水位低于170.5 m時，不能滿足電站常年發(fā)電6750 kW需求，因此，孔口尺寸采用方案一。

3.2 過流能力計算

輸水洞豎井閘室進口底高程為160.3 m，出口底高程159.50 m，興利水位176.0 m。計算洞身長度159 m，縱向坡降1/200。

（1）流態(tài)判別

根據(jù)相關(guān)公式進行計算，當(dāng)上游水深小于4.08 m時屬于無壓水；上游水深大于4.08 m，小于6.87 m時屬于半有壓水；當(dāng)上游水深大于6.87 m時屬于有壓水。

（2）過流能力計算

式中：μ 為流量系數(shù)，半有壓流 μ=0.576、η=0.715，有壓流；A表示隧洞斷面面積；a表示洞高；i表示縱坡降；L表示洞長；R表示水力半徑；C表示謝才系數(shù)；β表示勢能修正系數(shù)；∑ξ表示水頭損失之和。

通過式（1），可求得水位與泄量的關(guān)系，見圖2。

圖2 水位與泄量之間關(guān)系曲線

根據(jù)計算結(jié)果可知，在庫水位175.4 m時，輸水洞的過流量85.1 m3/s；在庫水位為172.4 m時，輸水洞過流量為75.1 m3/s，均大于運行最大流量47 m3/s，輸水洞輸水能力滿足發(fā)電、灌溉等運行要求。

3.3 加固方案及穩(wěn)定性分析

對原豎井和漸變段進行拆除。在原豎井下游8.0 m處進行豎井閘室重建。建設(shè)總長12.0 m，采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行砌筑，檢修平臺設(shè)計位于176.5 m高程處，機房位于181.5 m高程處，機房內(nèi)按照要求進行機械布置。通過寬為1.5 m的工作橋?qū)C房與下游斜坡進行連接。在閘室兩側(cè)，采用漿砌石擋墻將閘室與斜坡進行連接。在豎井閘室與斜坡之間采用混凝土進行回填，表面采用M10漿砌塊石進行護砌，厚度為40 cm。

根據(jù)工程建設(shè)、運行期可能遇到的工況進行穩(wěn)定性計算，計算工況設(shè)計如下：

工況1為施工完建期，閘室上下游均無水，地下水位與底板頂部一致；工況2為正常運行期，豎井事故工作門開啟，豎井周圍水位為正常蓄水位，洞內(nèi)有水；工況3為設(shè)計洪水期，豎井閘門開啟，豎井周圍水位177.51 m（100年一遇水位）；工況4為隧洞檢修期，豎井事故工作門關(guān)閉，豎井周圍水位176.00 m，洞內(nèi)無水；工況5為校核洪水期，豎井閘門開啟，豎井周圍水位180.33 m（10000年一遇水位）；工況6為地震期，正常運行期遇Ⅷ度地震（垂直水流）。

閘室抗滑安全系數(shù)K計算公式如下：

式中：f表示摩擦系數(shù)；∑G、∑H分別表示豎向和水平荷載。閘室基底應(yīng)力計算公式如下：

式中：Pminmax表示基底最大和最小應(yīng)力；A表示閘室基礎(chǔ)底面面積；W表示基礎(chǔ)底面垂直水流形心軸截面矩；∑M表示對于基礎(chǔ)底面垂直水流形心軸的力矩。

通過計算，結(jié)果見表2。由表2可知，各種工況下，閘室和豎井穩(wěn)定性均滿足要求。

表2 輸水洞豎井抗滑穩(wěn)定計算成果表

表3 洞身加固各方案對比

4 輸水洞洞身加固方案設(shè)計

根據(jù)工程選擇3種方案進行對比，對比結(jié)果見表3。通過表3的經(jīng)濟技術(shù)比較，選用方案一對輸水洞進行加固處理。進行施工前，首先需要將輸水洞內(nèi)的積水排干排凈，保持輸水洞洞壁處于干燥狀態(tài)，同時對于洞壁結(jié)構(gòu)疏松等情況較差的混凝土進行清除，使用修復(fù)材料進行修復(fù)治理。使用碳纖維布與浸漬膠配置符合材料，進行加固，表面采用新型環(huán)保材料進行封填。

在碳纖維布表面均勻涂抹浸漬樹脂。碳纖維布物理力學(xué)特性指標(biāo)表4。

表4 碳纖維布性質(zhì)

5 結(jié)論

對山東岸堤水庫輸水洞的進口段加固、豎井閘室加固、洞身加固進行研究。進口段采用分段治理的措施，可以降低工程投資；使用C30鋼混結(jié)構(gòu)對豎井、閘室進行加固可以有效提高其穩(wěn)定性；通過方案比選采用3 m×3 m的隧洞尺寸以及碳纖維布加固處理，可以滿足輸水洞輸水和穩(wěn)定要求，同時具有較好的經(jīng)濟效益，可為類似工程提供參考。