有壓泄洪洞出口閘室滑移原因分析及修復(fù)設(shè)計(jì)

符昌勝，馬富強(qiáng)，汪 羅

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 工程概況

某水庫(kù)工程位于貴州省東部，工程是以灌溉為主，兼有解決灌區(qū)農(nóng)村人、畜飲水的中型水利工程，設(shè)計(jì)新增灌面0.55萬(wàn)hm2，工程等別為Ⅲ等。水庫(kù)總庫(kù)容1940萬(wàn)m3，正常蓄水位557.00 m，死水位為526.00 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容1460萬(wàn)m3。水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位(P=2.0%)559.76 m，校核洪水位(P=0.1%)560.14 m。樞紐主要建筑物由混凝土面板堆石壩、右岸側(cè)槽式不設(shè)閘溢洪道、右岸導(dǎo)流兼泄洪洞、右岸灌溉取水隧洞等組成。

泄洪洞布置在右岸，由導(dǎo)流隧洞采用龍?zhí)ь^方式改造而成，分別由岸塔式進(jìn)水口、上平段、斜洞段、下平段和出口閘室段組成。進(jìn)口設(shè)事故檢修平板閘門(mén)，孔口尺寸4.8 m×4.8 m。隧洞為圓形有壓洞，直徑4.8 m，采用0.5 m的C30鋼筋混凝土襯砌。洞身由三段組成：0+012.20～0+039.20為水平段，底板高程525.00 m；0+039.20～0+080.04為下彎段，水平長(zhǎng)度40.84 m，底板高程525.00～504.15 m；0+080.04～0+24.00為下平段，水平長(zhǎng)度159.96 m。隧洞末端設(shè)10 m長(zhǎng)壓坡收縮漸變段。出口設(shè)弧形工作閘門(mén)，孔口尺寸4.0 m×4.0 m。

2 閘室滑移過(guò)程及原因分析

2.1 閘室滑移過(guò)程

2013年3月水庫(kù)開(kāi)始蓄水，4月底水庫(kù)水位上升至正常蓄水位557.00 m并保持正常蓄水位運(yùn)行。2013年5月29日下午6點(diǎn)水庫(kù)水位為557.60 m，溢洪道下泄流量約45 m3/s，約2 h后，泄洪洞出口閘室失穩(wěn)，閘室左邊墻向下游滑移23.2 m，偏向河床方向距軸線4.5 m，右側(cè)邊墻向下游滑移傾倒17.4 m，并向河床方向距軸線4.5 m。兩側(cè)墻傾倒方向一致，均為倒向山坡，傾角左側(cè)墻為60°，右側(cè)墻為45°；頂部閘室不見(jiàn)蹤影，弧形工作支座鋼梁右側(cè)與側(cè)墻脫離。隧洞出口山體受到洪水沖刷，出口左側(cè)山體出現(xiàn)張拉裂縫，部分坡體穩(wěn)定性差。

2.2 閘室滑移原因分析

5月30日省水利廳、省水利質(zhì)量監(jiān)督站及設(shè)計(jì)單位相關(guān)人員到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行查看。5月31日相關(guān)各方在縣水務(wù)局召開(kāi)會(huì)議，成立事故調(diào)查小組，各部門(mén)根據(jù)事故調(diào)查程序展開(kāi)工作。6月1日水利部專家組到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)并進(jìn)行了詳細(xì)勘察，6月3日水利部專家組根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和資料查閱情況召開(kāi)會(huì)議，初步分析閘室沿底部混凝土施工冷縫滑出。

8月28日根據(jù)水利廳調(diào)查小組安排，閘室基礎(chǔ)完成排水，同時(shí)結(jié)合基礎(chǔ)鉆孔取芯判斷，閘室底部混凝土與基巖石結(jié)合良好，最終判定閘室滑移原因?yàn)椋洪l室沿底部混凝土施工冷縫滑出。閘室滑動(dòng)破壞面示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 閘室滑動(dòng)破壞面示意圖

閘室發(fā)生滑移后，設(shè)計(jì)單位對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)的勘察，同時(shí)結(jié)合結(jié)構(gòu)布置和運(yùn)行狀況分析，導(dǎo)致滑移發(fā)生的主要因素有：

(1)止水失效導(dǎo)致閘室受上游滑動(dòng)力大幅度增加。受工程進(jìn)度影響，隧洞出口混凝土澆筑于2004年10月完成，緊接隧洞出口的閘室混凝土直到2011年10月才進(jìn)行澆筑，兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間的銅片止水未進(jìn)行有效保護(hù)，長(zhǎng)期暴露，老化破損明顯。此外，閘室混凝土澆筑施工隊(duì)伍不是專業(yè)的水利施工隊(duì)伍，對(duì)銅片止水的重要性沒(méi)有認(rèn)識(shí)，部分銅片止水被彎折后貼在縫面上，完全沒(méi)有起到止水的作用。泄洪洞出口因采用方圓漸變壓坡，隧洞在出口樁號(hào)襯砌厚度明顯加大，因此閘室與隧洞接縫面積較大。設(shè)計(jì)計(jì)算閘室上游水壓力面積采用銅片止水內(nèi)面積為25 m2，孔口中心線與設(shè)計(jì)洪水位之間水頭差58.32 m，相應(yīng)水壓力1458 t。但實(shí)際施工后，閘室于隧洞出口襯砌接觸面積約48 m2，相應(yīng)的水壓力達(dá)到了2800 t，大大超出設(shè)計(jì)的水壓力荷載。

此外，上游泄洪洞裂縫較多，內(nèi)水外滲，固結(jié)灌漿孔未進(jìn)行有效封孔等因素也加劇了閘室上游水壓力的增加。

(2)混凝土澆筑質(zhì)量差導(dǎo)致閘室結(jié)構(gòu)抗滑力明顯減小。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，閘室滑動(dòng)面主要發(fā)生在閘室基礎(chǔ)混凝土的中部位置。根據(jù)鉆孔取芯檢測(cè)結(jié)果，閘室基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)際抗壓強(qiáng)度僅為9～17 MPa，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的C20混凝土強(qiáng)度。此外，混凝土級(jí)配也僅僅接近一級(jí)配，遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的二級(jí)配。最后，從滑動(dòng)面現(xiàn)場(chǎng)看，混凝土表面光滑，說(shuō)明混凝土澆筑時(shí)該高程的冷縫并未進(jìn)行高壓水沖毛、人工鑿毛，澆筑前鋪砂漿等處理，直接導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)沿此冷縫面滑出。

(3)閘門(mén)滲水運(yùn)行管理不規(guī)范導(dǎo)致混凝土層面產(chǎn)生張力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管理反饋，水庫(kù)蓄水后工作閘門(mén)長(zhǎng)期滲水，閘門(mén)底部有高壓水射流，運(yùn)行過(guò)程中為了減少漏水，加大了閘門(mén)下壓力，從而使得閘室結(jié)構(gòu)在閘門(mén)底坎下游部分受到較大的向上頂托力，加之閘門(mén)底坎下部設(shè)置有排水幕，洞內(nèi)滲水進(jìn)入拉應(yīng)力產(chǎn)生的混凝土施工層面，進(jìn)一步惡化了結(jié)構(gòu)的完整性。從現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，閘室底板在閘門(mén)底坎以上未變形也可以驗(yàn)證這一點(diǎn)。

3 閘室修復(fù)設(shè)計(jì)

3.1 閘室修復(fù)方案比選

受業(yè)主委托，設(shè)計(jì)單位對(duì)工程閘室修復(fù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行了閘室布置的方案比選。

工作閘室位置可布置于泄洪隧洞下平段和出口段。根據(jù)工作閘室基礎(chǔ)大體積混凝土和阻滑板仍存在，因此工作閘室原址恢復(fù)方案是可行的。考慮到工作閘室與于泄洪隧洞的連接及閘門(mén)承受的水頭較高，可采用兩座小閘室(即增加一工作閘室)代替原大閘室方案進(jìn)行比選。

因此工作閘室2個(gè)位置布置方案與1座大閘室方案、2座小閘室方案進(jìn)行組合，可產(chǎn)生布置4個(gè)方案進(jìn)行比較，同時(shí)原址恢復(fù)出口弧門(mén)閘室方案根據(jù)上游隧洞修復(fù)方案不同，閘室尺寸也有所差異，因此共列出如下5個(gè)方案進(jìn)行比選[1-2]。

方案一：原址恢復(fù)出口弧門(mén)閘室(隧洞補(bǔ)強(qiáng)采用聚脲噴涂)。

方案二：原址復(fù)建平門(mén)閘室+新增支洞出口弧門(mén)閘室。

方案三：隧洞下平段山體內(nèi)新建弧門(mén)閘室。

方案四：隧洞下平段新建平門(mén)閘室+新增支洞出口弧門(mén)閘室。

方案五：原址恢復(fù)出口弧門(mén)閘室(隧洞補(bǔ)強(qiáng)采用內(nèi)襯鋼筋混凝土)。

因現(xiàn)有隧洞襯砌質(zhì)量較差，特別是局部襯砌厚度不到設(shè)計(jì)厚度值的60%。為滿足襯砌強(qiáng)度和耐久性等要求，襯砌修復(fù)方案主要有兩種：一是對(duì)襯砌外側(cè)脫空部分進(jìn)行回填灌漿后，在現(xiàn)有襯砌內(nèi)增設(shè)30cm厚C35鋼筋混凝土，以滿足強(qiáng)度、抗沖和防滲要求；二是對(duì)襯砌外側(cè)脫空部分進(jìn)行回填灌漿后，再對(duì)圍巖進(jìn)行強(qiáng)化固結(jié)灌漿，在襯砌內(nèi)表面進(jìn)行平整度修復(fù)，然后進(jìn)行新型防滲材料噴混凝土，如聚脲[3-4]。

經(jīng)投資比選，內(nèi)襯修復(fù)方案每米洞段投資6185元，聚脲噴涂方案每米洞段投資6855元，內(nèi)襯修復(fù)方案投資較省。從結(jié)構(gòu)可靠度角度分析，設(shè)計(jì)也推薦采用內(nèi)襯30 cm厚C35鋼筋混凝土襯砌進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，但內(nèi)襯鋼筋混凝土將縮小隧洞過(guò)水?dāng)嗝妫沟盟畮?kù)校核洪水位升高0.25 m。經(jīng)復(fù)核，樞紐建筑物均能滿足水庫(kù)水位上升要求。但水庫(kù)特征水位變化屬重大設(shè)計(jì)變更，因此洞身段修復(fù)最終推薦采用聚脲噴涂，鑒于噴涂應(yīng)用較少，因此，建議水庫(kù)運(yùn)行期每年對(duì)泄洪隧洞進(jìn)行放空檢查，發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)修復(fù)。

根據(jù)各方案隧洞洞頂壓力水頭計(jì)算控制，各方案閘門(mén)布置見(jiàn)表1。對(duì)各方案進(jìn)行工程布置設(shè)計(jì)后綜合對(duì)比見(jiàn)表2。

表1 各方案比較閘門(mén)孔口尺寸

表2 修復(fù)方案綜合比選

續(xù)表2

經(jīng)上述多因素綜合對(duì)比，原址恢復(fù)方案優(yōu)于設(shè)支洞雙閘門(mén)方案(方案二、方案四)和山體內(nèi)設(shè)閘方案(方案三)。

3.2 閘室修復(fù)設(shè)計(jì)

泄洪洞出口工作閘室布置于原有閘室基礎(chǔ)上，平面布置位置位于隧洞出口下游4 m。原閘室下部未滑動(dòng)的混凝土全部拆除。受洞內(nèi)修復(fù)襯砌和出口段鋼管的束窄影響，工作閘門(mén)孔口尺寸由原施工圖的4.0 m×4.0 m縮小為3.7 m×4.0 m(寬×高)，閘室結(jié)構(gòu)尺寸略有減小。閘室總長(zhǎng)42.607 m，由上游涵管段、閘室段和下游阻滑板段組成。

相對(duì)滑移前的閘室設(shè)計(jì)，修復(fù)設(shè)計(jì)主要變化內(nèi)容和考慮因素有：(1)隧洞出口設(shè)壓力鋼管段，減少洞內(nèi)滲水，同時(shí)鋼管伸入閘室上游側(cè)，增加閘室穩(wěn)定性。(2)閘室不再與上游側(cè)山體緊靠，而是留出4 m的間隙，設(shè)置涵管段，在涵管段下部巖體設(shè)置豎向排水孔，上游山體設(shè)置水平排水孔，有效減少閘室基礎(chǔ)揚(yáng)壓力。(3)閘室混凝土采用三級(jí)配混凝土，強(qiáng)度采用C30，提高結(jié)構(gòu)抗沖能力和混凝土抗剪能力。(4)閘室與右側(cè)山體之間間隙不再回填，減少山體滲水影響，同時(shí)預(yù)應(yīng)力錨索施力方向改為向下，并在閘室兩側(cè)邊墻布置基礎(chǔ)滲水壓力觀察孔，便于隨時(shí)了解基礎(chǔ)揚(yáng)壓力情況。(5)明確閘室混凝土分倉(cāng)要求，采用下游高上游低的臺(tái)階狀分倉(cāng)，避免出現(xiàn)貫通的水平面施工縫，同時(shí)對(duì)施工縫處理嚴(yán)格按照混凝土施工規(guī)范進(jìn)行要求。

泄洪洞出口閘室于2013年底開(kāi)始實(shí)施，2015年6月完工，2015年底水庫(kù)開(kāi)始蓄水，至今已正常運(yùn)行5年多，運(yùn)行正常。

4 結(jié)論及建議

(1)采用龍?zhí)ь^方式改造導(dǎo)流洞后作為泄洪或取水隧洞是一種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)布置形式，隧洞為有壓運(yùn)行，流態(tài)較好，且隧洞斷面較小，但往往造成出口閘室穩(wěn)定運(yùn)行條件不利，因此需重點(diǎn)注意出口閘室抗滑穩(wěn)定設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施保障。

(2)對(duì)于工期較長(zhǎng)的施工項(xiàng)目，在后期結(jié)構(gòu)實(shí)施前，需對(duì)前期結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面檢查復(fù)核，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程缺陷進(jìn)行有效處理。

(3)水工結(jié)構(gòu)混凝土受力條件較為復(fù)雜，受力邊界易受到外界因素產(chǎn)生較大變化，因此需嚴(yán)格做好混凝土澆筑質(zhì)量把控，同時(shí)澆筑分倉(cāng)應(yīng)結(jié)合受力特點(diǎn)科學(xué)布置，此外，對(duì)于體積較大的結(jié)構(gòu)，宜采用高級(jí)配混凝土，可以減小水泥用量，減少結(jié)構(gòu)溫升開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也有利于結(jié)構(gòu)的抗剪和抗沖磨。