某水庫除險加固中泄洪輸水隧洞方案比選

肖光輝

（江西省高安市樟碧水庫管理局，江西 高安 330800）

1 工程概況

某處險加固水庫原設計總庫容1340 萬m3，除險加固后總庫容1675 萬m3，水庫規模為中型，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物為大壩、放空泄洪隧洞、輸水隧洞、輸水涵洞等，主要承擔下游農田灌溉、鎮村防洪和向洋派水庫引水等任務。泄洪隧洞布置于大壩右岸，總長295.5 m，進口底板高程1962.0 m，出口底板高程1959.0 m。洞身為鋼筋混凝土無壓洞，襯砌厚度35 cm，斷面為3.0 m×3.0 m 城門洞型，進口安裝1.85 m×2.0 m 平板鋼閘門2 套，在操作臺上設卷揚啟閉機及機房，最大下泄流量42.5 m3/s。原泄洪隧洞主要結構(豎井、洞身)中均采用了大量的漿砌石，抗震穩定性差，存在嚴重安全隱患。泄洪隧洞豎井結構曾出現裂縫、井壁滲水，啟閉機房下部縱梁有5 條可見裂縫，混凝土疏松、蜂窩、麻面、孔洞現象較普遍，跑模現象嚴重；拱肩位置多處鋼筋銹蝕外露。

2 泄洪隧洞結構安全評價

2.1 現場檢查

經現場檢查，發現以下質量問題：（1）泄洪隧洞啟閉機房及豎井整體外觀較好，交通橋為鋼架支撐結構，橋墩為砌體結構，整體外觀質量尚好；（2）啟閉機工作梁橫梁混凝土外觀質量較好，縱梁有5 條可見裂縫，長約20 cm、寬約0.3 mm，局部混凝土破損，檢修平臺混凝土外觀質量較差，混凝土較疏松，該豎井水下部分漿砌石因年久失修存在裂縫，造成豎井井壁滲水，影響泄洪隧洞結構安全；（3）根據原設計圖，泄洪洞洞身底板及邊墻為C15 鋼筋砼襯砌，頂拱為C15 素砼襯砌，實際施工時，除閘后連接段和出口段外的其余洞身段頂拱只進行了初期支護，襯砌混凝土質量較差，混凝土表面疏松、蜂窩、麻面、孔洞現象較普遍；（4）洞身拱肩位置多處鋼筋外露銹蝕，洞內多處有滲漏水現象，白色析出物較多；（5）底板有浮漿覆蓋，有橫向裂縫；（6）進口段左側墻有較多裂縫；（7）工作閘門附近拱頂及側墻滲漏現象嚴重，并有白色析出物；（8）泄洪隧洞出口段為砌石結構，有少量勾縫砂漿脫落，陡坡段右側墻有3 條豎向裂縫，縫寬約1 mm，消能防沖段混凝土澆筑質量差，表面不平整，底板被青苔覆蓋，跑模現象普遍。

2.2 安全評價

泄洪隧洞豎井結構曾出現裂縫，啟閉機房下部縱梁有5 條可見裂縫，混凝土疏松、蜂窩、麻面、孔洞現象較普遍，跑模現象嚴重；拱肩位置多處鋼筋外露銹蝕，經綜合分析，評定泄洪隧洞安全等級為 C 級[1]。

圖1 泄洪洞洞壁滲漏現狀圖

圖2 泄洪洞洞身及出口消能段跑模現狀圖

3 泄洪與輸水方案比選

根據泄洪隧洞安鑒結論和除險加固建議，結合水庫泄洪特性，本次考慮原泄洪隧洞改建無壓泄洪和有壓泄洪以及改建為輸水隧洞并新建溢洪道3 種方案進行綜合比較，擇優選為推薦方案[2]。

3.1 泄洪與輸水方案

（1）無壓泄洪改建

無壓泄洪隧洞由拆除原泄洪隧洞重建而成，改建后無壓泄洪隧洞全長250.0 m，由進口引渠段、攔沙井段、閘室啟閉塔段、無壓洞身段、泄槽段、消力池段和尾水段組成。校核（P=0.1%）洪水位1985.74 m，對應下泄流量44.3 m3/s，設計（P=1%）洪水位1981.73 m，對應下泄流量44.3 m3/s，消能防沖（P=3.33%）下泄流量42.57 m3/s。

攔沙井C25 鋼筋砼襯砌，頂高程1968.50 m，閘室C30 鋼筋砼襯砌，安裝1.8 m×1.8 m 檢修平面鋼閘門和工作平面鋼閘門各1 道，閘室以上新建C25 鋼筋砼井筒至壩頂高程，襯砌厚度50 cm，啟閉層配QP-160-25/3 卷揚啟閉機2 臺，無壓洞身段拆除原砌體并采用C30 鋼筋砼襯砌，襯砌厚度40 cm，洞身按原設計斷面設計，為3.0 m×3.0 m 城門洞形，頂拱135°，出口泄槽段C40 鋼筋砼襯砌，底寬4.5 m，邊墻高6.5 m，出口地層巖性為泥巖、泥巖夾粉砂質泥巖，為軟巖，采用底流消能，消力池長32 m，凈寬4.5 m，池深6.5 m，C40 鋼筋砼襯砌，尾水段底寬4.50 m，邊墻高3.75 m，底板C25 砼襯砌，邊墻M7.5 漿砌石襯砌。

（2）有壓泄洪改建

有壓泄洪隧洞由原泄洪隧洞改建而成，改建后有壓泄洪隧洞全長270.0 m，由進口引渠段、攔沙井段、檢修閘室啟閉塔段、洞身埋管段、出口埋管段、工作閘室段、泄槽漸變段、消力池段和尾水段組成。校核（P=0.1%）洪水位1986.31 m，對應下泄流量39.62 m3/s，設計（P=1%）洪水位1982.27 m，對應下泄流量37.55 m3/s，消能防沖（P=3.33%）下泄流量 36.41 m3/s。

攔沙井采用C25 鋼筋砼襯砌，頂高程為水庫30 年后淤積高程1968.40 m，閘室C30 鋼筋砼襯砌，安裝1.8 m×1.8 m 檢修平面鋼閘門1 道，閘室以上新建C25 鋼筋砼井筒至壩頂高程，襯砌厚度為50 cm，啟閉層配QP-160-25/3 卷揚啟閉機1 臺，原洞身段內埋設D1820×14 螺旋鋼管（原洞身斷面為3 m×3 m 城門洞形，埋設直徑1.8 m 鋼管后，兩側剩余0.6 m的施工寬度，埋設直徑更大的鋼管施工困難）并采用C15 砼封堵洞身，出口埋管段埋設D1820×14 螺旋鋼管，工作閘室為C40 鋼筋砼襯砌，安裝1.5 m×1.5 m 工作弧形鋼閘門1 道，啟閉層配QHQY-630/250 液壓啟閉機1 臺，泄槽段C40 鋼筋砼襯砌，底寬2.5 m～4.5 m，邊墻高2.82 m～6.5 m，采用底流消能，消力池長29.1 m，凈寬4.5 m，池深6.5 m，C40 鋼筋砼襯砌，尾水段底寬4.50 m，邊墻高3.75 m，底板C25 砼襯砌，邊墻M7.5漿砌石襯砌。

（3）泄洪隧洞改建為輸水隧洞并新建溢洪道

本泄洪隧洞改造為輸水隧洞：拆除現狀泄洪隧洞進口段及閘室段，按輸水要求新建進口攔沙井段：長5 m，寬1.8 m，高6.49 m，C25 鋼筋砼襯砌厚50 cm；檢修閘室段長5 m，淤積高程1968.4 m 以下設為井筒，以上為排架結構，閘室內設1 m×1 m檢修閘門一道；洞身內埋設D1220 螺旋鋼管，壁厚12 mm，埋管外包C15 砼對洞身封堵加固，埋管在0+167.26 里程分叉，一叉順原軸線延伸接出口陡坡至下游溢洪道消力池（泄洪洞改造為輸水隧洞需新建溢洪道），右側叉穿出洞身，向上爬高4.0 m 接至原輸水涵洞出口段，順涵洞出口段布置至渠道，出口設置閘閥房、消力池段、連接段，總長233.0 m。

新建溢洪道：布置在大壩右岸，為開敞式設閘溢洪道，堰寬3.0 m，底板高程為1976.90 m，正常蓄水位1980.15 m；溢洪道全長205.0 m，包括進口引渠段、控制段、緩坡泄槽段、陡坡泄槽段、消力池段、尾水渠段部分；控制段采用設閘寬頂堰，閘門尺寸為3 m×4 m，出口采用底流消能。P＝0.1%時，校核水位1984.48 m，下泄流量44.30 m3/s；P＝1%時，設計洪水位1982.39 m，下泄流量44.30 m3/s；P＝3.33%時，水位1981.19 m，下泄流量39.97 m3/s。

3.2 方案比選

（1）調洪成果對比見表1[3]。

表1 3 種方案調洪成果對比表

根據上表3 種方案的調洪成果可知，新建溢洪道單獨泄洪方案較隧洞無壓泄洪和有壓泄洪方案校核洪水位分別降低1.26 m 和1.83 m。泄洪隧洞當庫水位超過汛限水位，隧洞開啟工作閘門泄洪，閘門經常性啟閉。雖溢洪道也設閘門，但溢洪道閘門較隧洞閘門工作水頭低，且汛期不用啟閉閘門，運行方便，從調洪及水庫防洪角度新建溢洪道方案為較優。

（2）工程投資對比見表2[4]。

通過對比表可知，泄洪隧洞改建為有壓泄洪隧洞并新建輸水隧洞方案投資最省，泄洪隧洞改建為輸水隧洞并新建溢洪道方案和泄洪隧洞改建為無壓泄洪隧洞并新建輸水隧洞方案較之投資分別增加20.24 萬元和48.27 萬元，從節省工程投資角度有壓泄洪隧洞并新建輸水隧洞方案為樞紐泄、輸水方案較優。

表2 各方案工程量、投資比較表

（3）方案比選結論。

綜上比較，泄洪隧洞改建為無壓泄洪隧洞并新建輸水隧洞方案投資最高，泄洪隧洞承擔施工期導流任務，只能枯期施工，該方案需拆除整個隧洞原砌體結構并擴挖重建，工程量、施工難度和施工強度都是三者中最大的，不予推薦。泄洪隧洞改建為輸水隧洞并新建溢洪道方案產生大量棄渣，施工期環境影響較大且增加額外的水保投資和棄渣場占地，水庫現狀下游兩岸村莊較多，耕地密布，交通發達，經濟相對發展較好，河道泄洪能力已按現狀水庫泄洪條件發展定型，新建溢洪道會加大水庫下泄流量，加大水庫下游防洪壓力。故本次推薦投資最省的泄洪隧洞改建為有壓泄洪隧洞并新建輸水隧洞方案為樞紐泄洪、輸水建筑物布置方案[6]。

3.3 結構布置

采用泄洪隧洞改建為有壓泄洪隧洞并新建輸水隧洞方案為樞紐泄洪、輸水建筑物布置方案時，泄洪洞、輸水隧洞結構布置如下：泄洪放空隧洞：泄洪放空隧洞由原泄洪隧洞改建而成，改建后有壓泄洪隧洞全長270.0 m，由進口引渠段、攔沙井段、檢修閘室啟閉塔段、洞身埋管段(鋪設D1820×14 螺旋鋼管并采用C15 砼封堵洞身)、出口埋管段、工作閘室段、泄槽漸變段、消力池段和尾水段組成，最大下下泄流量39.62 m3/s。

新建輸水隧洞：布置在順流右岸，全長255.0 m，由進口段、有壓段、閘室段、無壓段、出口段組成。根據隧洞出口連接灌溉溝的高程要求，隧洞設計底坡i 取1/200（與原輸水高涵底坡相同）。有壓洞身段長40 m，設計斷面為1.5 m×1.8 m 方形斷面，C25 鋼筋砼襯砌，襯砌厚40 cm；豎井閘室段長7.2 m，豎井外輪廓為6.2 m×4.2 m 矩形，C25 鋼筋混凝土襯砌，厚50 cm，閘室設1 m×1 m 平板鑄鐵工作、檢修閘門各1 道，配手電兩用LG-250kN 啟閉機2 臺；無壓洞身段長175.8 m，設計斷面為1.5 m×1.8 m 城門洞形斷面，C25 鋼筋砼襯砌，襯砌厚40 cm；出口連接段長5 m，邊墻采用M7.5 漿砌石襯砌，底板采用C25砼襯砌。隧洞設計流量5.7 m3/s，出口接現狀灌溉溝。

4 結論和建議

該除險加固水庫承擔著下游農田灌溉和下游水庫放水，兼顧下游鎮村防洪的多重任務，泄洪洞和輸水隧洞建設至關重要，在除險加固時不僅要考慮建筑物本身的結構安全，還要兼顧其用途和投資，經過多方案對比研究，選擇合適的泄洪、輸水建筑物型式。