跋山水庫放水洞除險加固工程方案分析

孫 浩

(臨沂市蘭山區行政審批服務局，山東 臨沂 276000)

0 引 言

水庫工程在長期使用過程中會出現不同程度的損毀現象[1-2]。這一現象在我國早期修建的水庫工程中最為常見，受限于當時的經濟、發展水平，水庫建設往往質量較為低下。針對早期修建的水庫，亟需復核其安全狀況，必要時需采取除險加固措施[3-5]。結合跋山水庫放水洞工程，對其工程現狀復核和除險加固方案進行論證分析。

跋山水庫位于淮河流域沂河干流中上游，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、發電、養殖等功能的大(2)型水庫。水庫控制流域面積1782 km2，現狀總庫容5.28億m3。放水洞位于大壩東端，洞長187.10m，為鋼筋混凝土圓形隧洞，洞身直徑3.5m，最大泄量116m3/s。洞進口處高程155.50m，上游閘門為3.5×4.0m，平面輪鋼閘門，下游設出口閘及電站，電站總裝機5640kW。

1 放水洞工程現狀復核

1.1 洞身過流能力復核

1.1.1 流態判別

式中：H為進口底以上水深，m；a為洞高，m。

跋山水庫放水洞洞高a=3.5m，進口底高程156.0m，當水位低于160.2m時為無壓流；當水位在160.2m-171.0m時為半有壓流；當水位高于171.0m時為有壓流。

1.1.2 公式的選取

放水洞洞身長187.0m，縱坡1/400；進口局部水頭損失系數ζ1=0.25，截面變化處ζ2=0.08，攔污柵ζ3=0.08，閘門槽ζ4=0.15，轉彎ζ5=0.13，出口漸變ζ6=0.1；洞身混凝土糙率n=0.014。

1.1.3 計算結果

不同水位下，放水洞洞身泄量見表1。放水洞實際過流能力滿足設計最大泄量要求。

表1 放水洞洞身過流能力

1.2 洞身強度復核

放水洞洞身為圍巖內襯環形鋼筋混凝土結構。地質勘察發現：洞身位于中等風化花崗片麻巖內，巖石較完整，但采用爆破開挖，造成洞壁裂隙發育。巖芯采取率52%-95%，圍巖自穩條件好，洞身結構計算時不考慮圍巖壓力。

1.2.1 荷載和荷載組合

基本荷載：襯砌自重、設計條件下內水壓力及外水壓力。

特殊荷載：校核水位時的內、外水壓力、地震力等。

1.2.2 計算工況

結構計算中選取最不利組合進行控制。

正常運行條件選取進口閘門關閉，外水壓力混凝土設計水位，洞內無水。

非常運用條件選取進口閘門敞泄，內水壓力同校核水位，外水壓力地下水位。

1.2.3 荷載計算

洞身襯砌混凝土內徑3.5m，厚度0.35m，標號150#(近似于C15)。洞身外水壓力折減系數按3級“沿裂隙或軟弱結構面有大量滴水、現狀流水或噴水”考慮，βc=0.4。建筑物自重不利時取1.05，有利時取0.95；靜水壓力取1.00。洞身承受荷載計算值見表2。

表2 洞身承受荷載情況

1.2.4 結構強度復核

洞身內襯混凝土厚度h=0.35m，洞身平均半徑rc=1.925，h/rc=1/5.5>1/8，按厚壁管計算。選取單寬米核算洞身橫向結構強度，根據受力情況分別核算承受內壓為主時的結構配筋及承受外壓為主時的結構穩定。為簡化計算，忽略襯砌自重的影響，僅考慮均勻內(外)水壓力的作用，襯砌混凝土截面應力分量按彈性力學的軸對稱平面應力考慮，切向和徑向內力采用《水工混凝土結構設計手冊》中的公式計算。

(1)

(2)

式中：σγ、σθ徑r處的切向及徑向應力；PH、PB為內、外水壓力；γH、γB外半徑；γ為計算至洞壁中點的距離。

襯砌混凝土截面彎矩及軸力為：

(3)

N=PHγH-PBγB

(4)

式中：a=rH/rB為現洞身混凝土采用內外層對稱配筋，單層配筋面積為628mm2/m，鋼筋允許應力=210MPa，圍巖彈性抗力系數1.0GPa，混凝土彈性模量22GPa。

1)非常運行條件：

非常運行條件下，洞身襯砌混凝土=-340.4kPa，=208.1kPa(受壓為正，受拉為負)；截面彎矩M=1.43kN.m，軸力N=-202.48kN。

混凝土按軸心受拉近似計算：洞身混凝土環向受拉時配筋所能承受荷載設計值為263.76kPa，小于切向拉應力340.4kPa；此時，洞身混凝土受拉，拉應力為0.21MPa。內外層反向推算，混凝土不出現拉應力破壞校核水位下洞身所能承擔的最大內、外水頭為14.5m。

按彈性力學方法偏心受拉計算，公式如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：ri、r0為隧洞襯砌內、外半徑，m；p為均勻內水壓力，kPa；k0為圍巖彈性抗力系數，kN/m3；Eg為鋼筋彈性模量，kPa；[σg]為鋼筋允許應力，kPa；fi、f0為內、外圈鋼筋截面積，m2；σgi、σg0為內、外圈鋼筋應力，kPa；Eh為混凝土彈性模量，kPa。

隧洞襯砌內徑1.75m，外徑2.10m；內、外水壓力疊加后靜內水壓力101.4kPa；鋼筋彈性模量2.1×108kPa；實配內、外圈鋼筋截面積各為6.28×10-4m2；圍巖彈性康力系數，與襯砌混凝土完全接觸時為1000 kN/m3，不接觸時為0；混凝土彈性模量2.2×107kPa；鋼筋允許應力按抗拉強度設計值2.1×105kPa。

按式5.8-5計算，襯砌混凝土與圍巖完全接觸和不接觸時所需配筋面積分別為0和4.61×10-4m2。按式5.8-6計算，襯砌混凝土與圍巖完全接觸和不接觸時內圈鋼筋應力分別別為-1.64kPa和8.31kPa。按式5.8-7計算，襯砌混凝土與圍巖完全接觸和不接觸時外圈鋼筋應力分別別為1.56×104kPa和1.28×105kPa。按5.8-6、7公式，圍巖與襯砌間填充不密實存有空隙時，反算外圈鋼筋達到允許應力時所能承擔的最大靜內水壓力為16.8m。

非常運行條件，靜內水壓力≤165kPa時襯砌混凝土結構強度滿足要求。

2)正常運行條件：

正常運行條件下，洞身襯砌混凝土=532.6kPa，=50.6kPa；截面彎矩M=-0.9kN.m，軸力N=187.11kN(受壓為正，受拉為負)。

正常運行控制工況下，襯砌混凝土受壓為主，壓應力滿足混凝土受壓強度要求，抗彎承載力滿足要求。

根據上述計算情況，分析認為圍巖與混凝土間結合不緊密，尤其是襯砌層回填灌漿不密實存有空隙，庫內高水位運行時襯砌混凝土易產生環向受拉坡壞。

2 除險加固方案分析

放水洞洞身襯砌后回填灌漿不充分，圍巖無法發揮應有的抗力，致使襯砌混凝土產生大量環向裂縫直接影響結構強度。欲解決目前存在的問題，一方面要對襯砌和圍巖間進行充填，另一方面要提高襯砌混凝土強度。

2.1 隧洞帷幕灌漿

隧洞圍巖灌漿的目的：一方面充填隧洞爆破開挖時圍巖產生的裂隙，另一方面通過灌漿填充襯砌層間的空隙使圍巖與襯砌共同受力，保證隧洞在正常發揮其功能的條件下長期安全運行。隧洞圍巖灌漿以回填和固結灌漿相結合，回填和固結灌漿孔交錯布置，排(環)距3.0m。

回填灌漿區域為正拱120°范圍，正頂1孔，左右兩側60°各1孔，正頂孔充填，兩邊孔輔助。回填灌漿分兩序進行，1序孔間距12.0m，2序孔間距6.0m。灌漿材料采用水灰比不稀于0.6的水泥漿，壓力控制在0.2-0.4MPa，達到此壓力20min不再吃漿即可結束。

固結灌漿孔與回填灌漿孔交錯，排(環)間分三序進行，終孔排距6.0m。每排沿洞身環向均布5孔，相鄰固結灌漿孔交錯布置，灌漿范圍為圍巖內5.0m。灌漿材料為普通硅酸鹽水泥漿液。漿液配比根據灌漿試驗確定。根據類似工程經驗按圍巖吸水率初步確定，5-10Lu時水灰比4∶1，1-5Lu時水灰比5∶1，0.1-1Lu時水灰比6∶1。灌漿壓力與圍巖的裂隙寬度、強度、初始應力狀態、漿液稠度及布孔有關，宜通過試驗確定。根據以往工程經驗，初步確定為≤2MPa。灌漿前應先進行壓水試驗，圍巖單位吸水率<0.1Lu可不再灌漿。灌漿采用自外向內孔口封閉灌漿法。

2.2 洞身加固設計

現隧洞襯砌混凝土已產生眾多環向裂縫，內、外水沿縫貫通，已引起襯砌層鋼筋銹蝕已影響洞身襯砌的完整性及強度。為保證隧洞在正常發揮其功能的條件下長期安全運行，需對隧洞襯砌層進行結構加強。

2.2.1 洞身加固方案比選

根據復核計算結果結合現有工程加固手段，重點比選以下3個加固方案。

方案一:新增襯砌層：原襯砌混凝土表層處理后重新澆筑混凝土，襯砌層厚0.2m；混凝土強度C25，主筋按單層配置，規格為φ20@200mm，分布筋φ14。

方案二:噴錨混凝土層：原襯砌混凝土表層處理后掛鋼筋網噴射C25細石混凝土，面層厚8cm；錨桿間距2.0×2.0m，梅花型布置，錨桿錨固深1.5m，鋼筋網縱、橫向間距20cm，鋼筋型號φ8，混凝土噴射后鋼絲刷清潔表面。

方案三:內襯鋼板：原襯砌混凝土表層處理后內襯8mm的Q235鋼板，鋼材結構膠黏結，鋼板與洞身間錨桿連接，鋼板與洞身間接觸灌漿。

各加固方案優缺點對比見表3。

表3 放水洞洞身加固方案論證

方案一襯砌后，洞身內徑3.1m，糙率n取0.013；方案二噴錨后，洞身內徑3.34m，糙率n取0.016；方案三鋼板內襯后洞身內徑3.44m，糙率n取0.012。以上各方案下洞身過流與現狀對比見表4，水位-泄量關系如圖1所示。

表4 放水洞各加固方案洞身過流能力

圖1 不同方案水位-泄量關系曲線

就過流能力影響而言，方案一減少最大，方案三略有提高，方案二減少量居中。方案一對洞身過流能力減小較多，影響放水洞的泄流和發電，通過初步計算，方案三工程投資約為250萬元，方案二為50萬元，綜合考慮采用方案二作為推薦方案。

2.2.2 加固設計

在原有洞身混凝土面瓜鋼筋網噴射厚度8cm的C25細石混凝土，混凝土噴射層與原襯砌及圍巖間采用錨桿連接。錨桿直徑22mm，錨固深度1.5m，間距2.0×2.0m，梅花型布置；鋼筋網縱、橫向間距200mm，鋼筋直徑8mm。

施工工藝為現有混凝土面清理→第一次噴射混凝土→錨桿鉆孔、注漿→鋼筋網制作、掛網→第二次噴射混凝土→養護→噴射層清潔。

水泥選用42.5普通硅酸鹽水泥，砂采用中砂，粗骨料采用粒徑≤15mm的碎石。

3 結 論

跋山水庫在長期使用過程中出現了不同程度的破損，以放水洞工程為例，通過計算復核，放水洞現狀滿足過水需求，但在高水位工況下易出現受拉破壞。因此，放水洞需采取加固處理，采用帷幕灌漿對隧洞圍巖裂隙進行充填，以改善隧洞受力狀況；通過方案比選采用噴錨原混凝土層的方案可在低投資的條件下，滿足過水需求。