水庫除險加固工程新建灌溉發電隧洞設計

曾小波,熊一民

(鷹潭市河湖管理保護綜合行政執法支隊，江西 鷹潭 335000)

1 工程概況

塘灣水庫位于江西省貴溪市塘灣鎮賽前村，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、養殖、發電等綜合利用的中型水庫。樞紐工程主要建筑物包括：大壩、溢洪道、壩下涵管、電站及水庫灌區渠系建筑物等。

塘灣水庫壩下輸水涵管位于右端壩下，原涵管為鋼筋混凝土圓形壓力管，管徑1.2 m，管壁厚0.25 m，進口底板高程為94.5 m，出口底板高程為93.0 m，全長172.5 m。

1975年塘灣水庫壩后電站建成，發電試機時，發現涵管嚴重漏水，并帶有大壩土料，即停止發電。1976 年冬豎井后壩下涵管豎井后至尾部彎頭處鋼筋混凝土圓形壓力管內以8～10 mm厚鋼板內襯加固長83.8m，作為發電、灌溉取水用涵管，由豎井控制取水。鋼管與原鋼筋混凝土管之間采用回填灌漿，內襯后管道短時間運行較好，但1991年涵管再次出現漏水，經檢查襯砌鋼管的接縫處有4條裂縫，且鋼管與原涵管之間有空洞現象，同年冬，對涵管已開裂的焊縫重新焊接，并采用PCC材料拌水泥進行灌漿處理，施工時將與涵管連接的發電管道拆除10 m重新澆注。1999年冬又發現涵管漏水，至今未再做任何處理[1-4]。

2 壩下涵管存在主要問題

2.1 安全鑒定結論

壩下涵管豎井前段為鋼筋混凝土圓形壓力管；豎井后段為鋼筋混凝土圓形壓力管內襯鋼板，混凝土圓形壓力管老化、裂縫漏水，后段內襯鋼管回填灌漿不密實，鋼板銹蝕，接縫漏水。豎井混凝土老化，木閘門腐爛磨損，漏水嚴重，螺桿啟閉機人工操作困難。通過對壩下涵管的結構強度復核計算，壩下涵管結構強度不能滿足要求，壩下涵管結構安全性為C 級。

2.2 現場檢查及地勘發現問題

現場檢查時由于庫水位較高，水庫正供水發電，無法放空水庫，控制閘門為木閘門，木閘門陳舊磨損，閘門無法緊密關閉，漏水嚴重，出口閘閥無進人孔，人員無法入內檢查，根據管委會工作人員介紹與查閱相關資料，發現混凝土圓形壓力管老化、裂縫漏水，后段內襯鋼管回填灌漿不密實，鋼板銹蝕，接縫漏水。豎井混凝土老化，螺桿啟閉機人工操作困難。

經勘察發現，涵管基礎均坐落于全風化花崗巖上，承載力滿足要求，基本不存在變形穩定問題。但由于使用年限已達50年之久，存在混凝土圓形壓力管老化、裂縫漏水，后段內襯鋼管回填灌漿不密實，鋼板銹蝕，接縫漏水問題及安全隱患：還存在豎井混凝土老化，木閘門腐爛磨損，漏水嚴重，螺桿啟閉機人工操作困難問題及安全隱患：經前期勘察檢測豎井混凝土強度推定值為11.4 MPa，強度值偏低，出現混凝土老化現象，建議對其進行處理。

3 壩下涵管加固設計方案比選

由于壩下涵管管身結構強度不滿足要求，采用高強砂漿修補提高不了結構強度，且難以保證效果；對涵管進行內襯鋼筋混凝土雖能滿足強度要求，但大大縮小了隧洞洞徑，改變了原有過流規模，且影響涵管檢修和發電站的正常使用，故本階段加固設計擬定以下兩種方案進行比較：

方案一：原址拆除重建加固方案。對原涵管進行挖除重建，涵管總長172.5 m，斷面型式為鋼筋混凝土襯砌圓形涵管，內徑1.8 m，襯砌厚度0.4 m。拆除重建進口閘室及出水口，新設閘門及其啟閉設備。

方案二：新開洞線方案。在壩肩新開一條洞線，隧洞總長195.6 m，斷面型式為鋼筋混凝土襯砌圓形隧洞，內徑1.8 m，襯砌厚度0.4 m。新建進口閘室及出水口，新設閘門及其啟閉設備，對原壩下灌溉發電涵管進行封堵處理，并進行回填灌漿。

兩種方案比較情況見表1。從表1比較結果可知，方案二較方案一投資較小，同時方案一無施工導流設施，圍堰工程量較大，且涵管開挖邊坡高度達30 m，不利于安全施工。另外壩下設涵管對大壩滲流安全留有隱患，因此本次加固處理采用方案二(新開隧洞方案)。

表1 兩方案主要工程量及投資比較

由于右岸的溢洪道進口緊鄰大壩，大壩和溢洪道之間的山體較單薄，頂部及大壩側圍巖厚度受限制，成洞條件較差；如在溢洪道遠離大壩一側新建隧洞，洞線較長且需要穿越溢洪道，頂部圍巖厚度受限制；另新建隧洞布置在右岸對溢洪道行洪及以后運行管理都有影響。綜合以上因素，本次新建隧洞洞線布置于左岸壩肩山體。

4 新建灌溉發電隧洞設計

新建發電灌溉隧洞由進水閘、進口漸變段、洞身段、出口漸變段、出口閥房組成。

進水閘閘室長10.8 m，閘墩厚1.5 m，閘墩頂高程為123.3 m，底板高程為93.8 m。閘室布置檢修閘門、工作閘門各一道，工作閘門后設通氣進人孔。閘墩上部布置啟閉機房，閘墩頂設2.6 m 寬的交通橋與大壩壩頂路面相接。隧洞采用鋼筋混凝土襯砌，內徑1.8 m，襯砌厚0.4 m，隧洞總長195.6 m，隧洞縱坡0.42%。隧洞0+000.0～隧洞0+006.0 m為進口漸變段，隧洞0+006.0～隧洞0+052.7 m為直線段，隧洞0+052.7 m～隧洞0+119.3 m為平彎段，轉彎半徑60.3 m，轉角63.29°，弧長66.6 m；隧洞0+119.3～0+189.6 m 段為直線段，隧洞0+189.6～隧洞0+195.6 m 為出口漸變段。隧洞全線進行回填及固結灌漿，回填灌漿為全線布置于隧洞頂拱120°范圍內，固結灌漿沿軸線方向間距為3 m，每個斷面設6個固結灌漿孔，夾角為60°，孔深3.0 m。考慮到庫水的侵蝕性，隧洞各部位混凝土采用低堿性水泥或摻粉煤灰拌制，混凝土強度等級為C25。

考慮到隧洞進、出口明挖段邊坡較高且陡，本次設計對隧洞進出口開挖邊坡進行適當襯護，襯護采用10cm 厚掛網噴C20混凝土，坡面設排水孔，頂部和側邊設置排水溝。

由于隧洞洞線改線，隧洞出口在大壩左岸，為不影響發電廠房的發電效率，將發電廠房挪至左岸壩腳，新建長13.0 m，寬11.0 m 的集水池和凈寬3.6 m、長60.0 m的渡槽(共6節，每節10.0 m)將發電尾水和灌溉用水引入原集水池。

為控制和調配流量，拆除重建干渠渠首分水閘及放空分水閘。干渠渠首分水閘底板高程92.25 m，孔寬2.5 m；東干渠渠首分水閘底板高程92.25 m，孔寬2.2 m。

灌溉干渠一條，長0.75 km，引用流量2.7 m3/s，現狀為襯砌，渠底寬2.5～4.0 m，渠高1.5～4.8 m，本次設計采用梯形斷面，邊坡1∶2，采用C25 混凝土護底和護坡，護底厚0.30 m，護坡厚0.15 m，每10 m分縫，并設止水銅片止水，聚乙烯閉孔泡沫板填縫，渠底寬度不小于4 m。

5 隧洞結構計算

灌溉隧洞內徑1.8 m，壁厚0.40 m，總長195.6 m，進水口底板高程93.8 m。根據地勘資料，樁號0+000～0+014段為強～弱上風化花崗巖，地質構造較簡單，上部有效圍巖較薄，洞頂穩定性較差，洞室圍巖屬Ⅴ類圍巖，施工開挖需考慮必要的剛性支護措施，樁號0+014～0+031及樁號段為加里東期(r33)花崗巖，部分為變質砂巖捕俘體，樁號0+053～0+070 m及樁號0+149～0+189.60洞室圍巖呈弱下風化狀，洞頂穩定性較差，洞室圍巖屬Ⅲ～Ⅳ圍巖，不穩定；樁號0+070～0+149洞室圍巖呈微風化狀，圍巖較堅硬完整，圍巖工程地質分類屬Ⅱ～Ⅲ類，以Ⅲ類為主，邊坡穩定性較好，受NW/SW(NE)節理切割影響，局部穩定性較差。

襯砌混凝土強度等級采用C25混凝土，隧洞襯砌混凝土厚度40 cm，采用雙層配筋，保護層厚度5 cm。本次對隧洞結構強度及限裂進行計算，荷載計算主要考慮圍巖壓力、襯砌自重、靜水壓力及灌漿壓力等。根據灌溉隧洞不同運行條件，結構計算考慮施工期，校核洪水位及空管檢修等不同荷載組合情況，荷載組合見表2。

表2 標準荷載組合

經計算，各工況下隧洞洞壁內力值見表3。

表3 隧洞進出口荷載組合內力

通過計算，隧洞內側最大配筋值為642 mm2，外側配筋值為471 mm2；擬采用內外側對稱配筋為Φ14@200(Ag′=770 mm2)。

根據《水工混凝土結構設計規范》(SL/T 191—2008)對隧洞襯砌結構進行抗裂計算。經計算，混凝土最大拉應力Nl=86.1 kN<(ac tγmft kA0W0)/(e0A0+γmW0)= 363.5 kN，鋼筋混凝土襯砌抗裂已滿足規范要求。

6 結 語

水庫除險加固工程中對壩下涵管的加固設計一直是類似工程中需要解決的重點難點，尤其是運行多年的壩下涵管，存在諸多隱患，如若對其進行原址拆除重建，將會引發高邊坡穩定以及大壩滲流穩定等安全隱患，在易址新建隧洞投資不是很大的情況，選擇新建隧洞方案則不會有上述安全隱患。塘灣水庫壩下涵管加固選擇封堵原壩下涵管，易址新建灌溉發電隧洞設計方案，該方案成功地解決了水庫除險加固工程中壩下涵管加固設計的難題，具有一定的參考借鑒價值。