某小(1)型水庫輸水泄洪隧洞除險加固方案研究

吳小靜

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

某小(1)型水庫控制流域面積42 km2，水庫主要用于攔蓄清洪來水，發(fā)展農(nóng)田灌溉，兼之以調(diào)洪及供農(nóng)村安全供水，是一座Ⅳ等小(1)型水利工程。工程于1975年9月基本建成并投入使用，其后主要經(jīng)歷2次大的續(xù)建及維修加固至目前規(guī)模，總庫容520萬m3，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇設(shè)計，500 a一遇校核。輸水洞是在大壩右岸巖體中開鑿的無壓洞，包括進口段、閘室段、洞身段、出口段，總長約133 m，洞底縱坡1/200，隧洞斷面為直墻半圓拱，直墻高1.2 m，洞寬1.4 m，側(cè)墻及頂拱主要用混凝土預(yù)制塊襯砌，底板現(xiàn)澆，出口段全部現(xiàn)澆襯砌。輸水洞過流能力為6 m3/s，進口設(shè)框架式進水塔，塔內(nèi)設(shè)兩孔閘控流，進水塔布置于引水洞與隧洞進口之間，基礎(chǔ)置于石基上，塔架鋼筋混凝土立柱共兩排，每排3根，高21.7 m，塔架頂部建有啟閉機室，進水塔通過工作橋右岸山體相連。本次除險加固中對輸水隧洞目前運行情況和存在的問題進行分析，并提出可行的加固方案。

2 輸水隧洞現(xiàn)狀及問題分析

2.1 輸水隧洞現(xiàn)狀及存在的問題

1981年水庫第一次除險加固輸水洞運行較好，未進行加固處理，2002年對水庫進行第二次除險加固，現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)輸水洞洞身混凝土開裂，閘門、啟閉設(shè)備老化，輸水洞已不能正常運行，除險加固對輸水洞頂裂縫鑿除后進行修復(fù)，右岸輸水洞進口塔架旁擋土墻拆除重建，輸水洞啟閉機房重建，維修更新了輸水洞鋼閘門、啟閉設(shè)備。本次除險加固中，通過現(xiàn)場檢測復(fù)核，輸水洞進水塔架板、梁、柱及工作橋橋墩、橋面混凝土外觀質(zhì)量良好，未見明顯缺陷，無鋼筋裸露現(xiàn)象。輸水洞洞身混凝土外觀質(zhì)量較好，出口段在距進口閘室90 m、110 m和彎道處側(cè)墻存在開裂現(xiàn)象，裂縫寬度約為2 mm～3 mm，在距進口閘室100 m處頂拱存在開裂現(xiàn)象，裂縫長度2.6 m，寬度約為3 mm，底板局部被水流掏空，深度達6 cm，輸水洞出口接砌石結(jié)構(gòu)暗渠左側(cè)墻存在一條橫向裂縫。輸水隧洞現(xiàn)場檢測問題分布圖見圖1。

圖1 輸水隧洞現(xiàn)場檢測問題分布圖

輸水洞金屬結(jié)構(gòu)方面：經(jīng)現(xiàn)場了解詢問，發(fā)現(xiàn)進水口閘門長期處于水下，無法維修，從輸水洞出口進至進水口閘室下游檢查，發(fā)現(xiàn)右側(cè)工作門處于長期閉門狀態(tài)，無泄漏，表面存在銹蝕，左側(cè)閘門經(jīng)常使用，止水不嚴，水流呈噴射狀，無法接近觀測其表面銹蝕情況；檢查進水塔架及啟閉機室，發(fā)現(xiàn)2臺啟閉機機架及連接螺桿存在銹蝕，啟閉機開度指示器損壞，無過負荷保護裝置，依靠手動裝置進行啟閉。現(xiàn)狀閘門問題圖見圖2。

(a)輸水洞右側(cè)工作閘門 (b)輸水洞左側(cè)工作閘門

2.2 輸水洞洞身過流能力復(fù)核

輸水洞身屬無壓洞，以洞內(nèi)水深和其側(cè)墻同高為條件計算過流流量，按明渠水面線計算確定洞身過流能力[1]，輸水洞洞身特性及水力計算見表1，洞身下泄流量與水位關(guān)系計算見圖3。

表1 輸水洞洞身特性及水力計算表

圖3 輸水洞洞身段水位與下泄流量關(guān)系曲線

經(jīng)計算，洞身過流能力為4.9 m3/s。輸水洞設(shè)計輸水流量6 m3/s，輸水洞凈空面積占15%～25%為宜，本次復(fù)核在滿足凈空面積占15%的要求下計算輸水洞過流能力為4.9 m3/s，即最大值，復(fù)核過流流量小于設(shè)計流量的原因是由于工程運行后沖刷破壞，糙率增大導(dǎo)致，輸水洞過流能力采用本次復(fù)核值4.9 m3/s。

3 輸水泄洪隧洞設(shè)計

3.1 方案比選

根據(jù)水庫輸水泄洪洞現(xiàn)場檢測以及安全鑒定結(jié)果，針對影響大壩安全和發(fā)揮效益的主要建筑物進行改造，本次對水庫輸水泄洪洞采用下述兩種方案進行比選。

(1)方案一：加固輸水泄洪洞

拆除現(xiàn)有進水口，改建為塔式進水口，改建原洞身，改建輸水泄洪洞出口消能設(shè)施，使其泄流能力滿足原設(shè)計要求。由于輸水洞加固需要水庫停水周期長，影響水庫泄洪和向下游供水，本方案實施困難。

(2)方案二：新建輸水泄洪洞

新建輸水泄洪洞布置于左岸壩肩，輸水泄洪洞由進口段、事故檢修豎井段、輸水洞段、泄水錐形閥室段、泄水消力池段、泄水箱涵段以及泄水渠道段組成。隧洞斷面圓形，成洞洞徑2.0 m。新輸水泄洪洞建設(shè)完成后，對原輸水泄洪洞進行封堵。本方案便于實施，可保證水庫正常運行，基本不影響水庫泄洪和向下游供水。

(3)方案比選

方案一、二均能滿足水庫防洪要求，經(jīng)對兩方案進行比較，方案一水庫停水周期長，影響水庫泄洪和向下游供水，方案二可保證水庫正常運行，基本不影響

水庫泄洪和向下游供水，相比較方案一實施難度小，投資節(jié)省，從運行角度分析，

方案二較方案一運行管理方便，因此，泄洪方案推薦方案二。

3.2 新建輸水泄洪洞布置

新建輸水泄洪洞段基本位于弱～微風(fēng)化基巖中，基巖巖性為古近系(E)砂礫巖，棕紅色，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，其組成顆粒粒徑大小不均，分選性及磨圓度較差，一般粒徑2 cm～5 cm，最大8 cm，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖性相對較軟弱，遇水易軟化，含水量對巖體強度影響極大。圍巖受構(gòu)造影響輕微，斷層不發(fā)育，圍巖地下水活動微弱，巖體潮濕局部滲水。圍巖類型為Ⅲ～Ⅳ類，弱風(fēng)化砂礫巖的泊松比為0.29～0.35，變形模量為0.5 GPa～5.0 GPa，彈抗力系數(shù)為5 MPa/cm～20 MPa/cm，微風(fēng)化砂礫巖的泊松比為0.23～0.29，變形模量為5.0 GPa～10.0 GPa，彈抗力系數(shù)為20 MPa/cm～50 MPa/cm。

根據(jù)地形地質(zhì)特點，可選擇岸邊式隧洞形式，布置如下：

輸水泄洪洞方案線路總長300 m，由進水口、隧洞洞身、出水口、消能設(shè)施、泄水段等組成。改建輸水泄洪洞進口布置在大壩軸線上游約75 m左岸的巖體處，底板高程2214.50 m，出口布置于大壩軸線下游約105 m左岸的巖體處，底高程2208.52 m。洞長約176 m，坡度為3.3%，設(shè)置兩個轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎半徑均為100 m，轉(zhuǎn)彎角度分別為144°和134°。隧洞最大理深度為30 m，隧洞圍巖類別為IV類，巖石條件較差，根據(jù)輸水和泄水及隧洞施工要求確定隧洞直徑2.0 m，隧洞斷面為圓型，輸水泄洪洞最大過流能力20.0 m3/s，對應(yīng)最大流速8.9 m/s。

在壩肩左岸山體輸水洞軸線樁號0+113.1～0+120.3處布置事故檢修閘室豎井，閘室豎井底板高程為2213.56 m，檢修閘孔口尺寸寬×高為2.0 m×2.0 m。輸水洞采用鋼筋砼襯砌結(jié)構(gòu)，砼襯砌厚40 cm，閘室段長6.8 m，閘室豎井總高25 m，采用鋼筋砼結(jié)構(gòu)，閘室底板厚1.2 m，豎井邊墻厚0.6 m。輸水洞出口樁號0+261.0接連接管道，采用DN2000的鋼管，管道外包砼厚40 cm，樁號0+264.5連接鋼管處設(shè)分岔管，樁號0+271.0連接管處接消能錐形閥和消能系統(tǒng)，經(jīng)消能后進入漸變段接公路矩形泄水箱涵，后經(jīng)漸變段接梯形泄水渠，最終匯入溢洪道尾水渠，岔管后接輸水管線，管線后接閘閥室并分水至灌區(qū)和安全人飲，供水設(shè)計流量2.07 m3/s。

對現(xiàn)狀輸水泄洪洞進行封堵處理，采用C20混凝土進行封堵，進口段封堵6 m，出口段封堵4 m，封堵后進行接縫灌漿。

3.3 新建輸水泄洪洞設(shè)計

(1)輸水泄洪洞進水口結(jié)構(gòu)布置

新建輸水泄洪隧洞設(shè)計供水流量2.07 m3/s，最大泄流量20.0 m3/s，隧洞為有壓引水洞，隧洞進口布置在左岸壩腳上游側(cè)，庫內(nèi)地面高程2215.00 m，在壩腳上游有多個小岔溝，靠壩體側(cè)溝道小且地面較高，進水口位于該溝道下游5 m處，為了便于引水，將山梁的頭部開挖疏浚，將進水口區(qū)域地面下挖0.5 m～1 m，高程降為2214.50 m。確定隧洞進口高程2214.50 m。

當(dāng)正常運行情況：水庫在最低水2214.50 m時，管項埋深水頭2.0 m，可保證有壓引水的進口最小淹沒深度。

當(dāng)水庫放空泄水特殊情況：水庫在最低水位2214.50 m時，管頂埋深水頭0.7 m，不能保證有壓引水的進口最小淹沒深度，但考慮該工況運行幾率和時段較少，泄水流量較小，在較短時間內(nèi)隧洞滿流運行，為此對隧洞加強襯砌后可滿足要求。

由于隧洞進口岸坡地形較緩，無合適地形條件布置清污平臺及清污設(shè)備，同時該水庫是攔蓄清洪來水式水庫，污物較多，水庫污物主要為枯木草等漂浮物。其次水庫庫周設(shè)置護欄，牛羊等牲畜墜庫溺水死亡的概率很小。為防止水庫污物進入輸水洞及輸水管道，在輸水洞進水口設(shè)置1孔固定式攔污柵，不設(shè)清污設(shè)備，只在水庫水位降至輸水洞底板高程以下時，對攔污柵進行清污。為防止平時污物堵塞攔污柵，因此將攔污柵做成正向、上部可同時進水結(jié)構(gòu)。

為改善水流條件，進口頂部輪廓、兩邊側(cè)墻均采用折線，進水口采用C25鋼筋砼結(jié)構(gòu)，進口寬3.4 m，末端口寬2.0 m。

(2)輸水泄洪洞洞身設(shè)計

隧洞長度176 m，隧洞最大埋深30 m，圍巖工程地質(zhì)條件較差，開挖后不能自穩(wěn)，隧洞開挖采用短進尺、快循環(huán)施工，圍巖及時噴錨、鋼拱架加超前管棚支護，加強圍巖變形觀測[2]。隧洞的橫斷面形狀應(yīng)根據(jù)隧洞的用途、水力學(xué)、工程地質(zhì)條件襯砌工作條件施工方法等因素通過經(jīng)濟技術(shù)分析確定，規(guī)范規(guī)定，有壓隧洞宜采用圓形隧洞，該工程為長度較短的有壓流隧洞，巖石條件較差，經(jīng)比較確定為圓形斷面，成洞洞徑2.0 m。

隧洞的襯砌形式：輸水泄洪洞圍巖為Ⅳ類，采用一次支護全斷面掛鋼筋網(wǎng)φ6 mm，間距20 cm，噴砼厚度8 cm；布置直徑25 mm的系統(tǒng)錨桿，間排距1.5 m，梅花形布置，錨桿長2 m，并進行固結(jié)灌漿。二次支護采用鋼筋砼襯砌，厚度40 cm。隧洞斷面設(shè)計圖見圖4。

圖4 隧洞斷面設(shè)計圖

4 結(jié)論及建議

該輸水隧洞建成運行至今已有45年之久，初期建設(shè)時受技術(shù)、資金條件的限制以及方案的選擇，以及后來不同時期改造、加固處理方案、方法，在其特定歷史時期具有其合理性與適用性。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展、人口及供水需求的增長，科學(xué)技術(shù)的進步以及設(shè)計規(guī)程規(guī)范的不斷更新完善，賦予老水庫及其單體工程以新的、更高的要求，除險加固使得運行方式更趨合理，工程安全更有保證。因此，水利工程在運行中不斷調(diào)整、適應(yīng)和完善是必要的。