彰湖水庫主壩壩下涵管加固設計

付 鵬

(江西省宜春市水利水電工程監理有限公司，江西 宜春 336000)

1 工程概況

彰湖水庫位于江西省分宜縣的高嵐鄉彰湖村，屬贛江水系袁河支流洋江河水。壩址以上控制流域面積11.20 km2，引流面積15.83 km2，總庫容1658萬m3，設計灌溉面積1346.67 hm2。是一座以灌溉為主，兼顧防洪、養殖等綜合利用的中型水利樞紐工程。

彰湖水庫于1959年10月動工興建，1960年開始部分受益。樞紐工程主要建筑物有主壩，王公廟副壩等九座副壩，正常溢洪道，主壩壩下涵管1座，公路邊副壩等壩下涵管3座，王公廟輸水隧洞，渠首工程，籠奎、午橋引流渠及渠系建筑物等[1-3]。

2 主壩壩下涵管復核

2.1 主壩壩下涵管現狀

主壩壩下涵管設計引用流量1.64 m3/s，涵管由閘室段、現澆混凝土圓涵段、混凝土預制管段、出口消力池及出水渠組成。閘室段由進水口閘室、啟閉框架及工作橋組成，均采用C20混凝土結構，底板高程121.80 m；現澆混凝土涵管段由3 m長C20鋼筋混凝土漸變段及7 m長C20鋼筋混凝土圓管，管徑φ1.0 m，壁厚0.2 m；混凝土預制管段為鋼筋混凝土預制圓管，每節管長2.0 m，共設有29節，管徑為φ1.0 m，壁厚0.085 m。

2.2 主壩壩下涵管過流能力復核

當閘門全開時，計算依據《水利計算手冊》，涵管內水流流態如下：

(1)當H/a≤1.2時管身為無壓流，H為涵管進口底板高程起算的水庫上游水頭，m；a為涵管直徑，取1.0 m。涵管進口底高程為121.80 m，即當上游水位≤123.00 m時為無壓流。

(2)當1.2

(3)當H/a≥k2m，即庫水位≥123.30 m時涵管為有壓流。

經計算可得涵管的過流量與水位關系如表1。

表1 涵管庫水位與過流量關系(閥門全開)

當庫水位大于等于123.39 m時即可滿足設計灌溉引用流量1.64 m3/s的輸水要求。

2.3 主壩壩下涵管結構復核

2.3.1 涵管荷載計算

主壩壩下涵管，現澆段涵管內徑1.0 m，外徑1.4 m，管壁厚度0.2 m，管長10 m。預制管段涵管內徑1.00 m，外徑1.17 m，管壁厚度0.085 m，管長58 m。涵管底板高程為121.8 m，壩頂高程134.0 m，涵管下設有混凝土墊層，土壓力采用上埋式土壓力計算。

(1) 根據《水工建筑物荷載設計規范》(SL 744—2016)，涵管自重見式(1)：

G自=γG2πroδγ混凝土

(1)

式中：γG為永久荷載作用的分項系數，取1.1；ro為涵管的平均半徑，取0.6 m;δ為管壁厚度，取0.2 m;γ混凝土為管身材料容重，取25 kN/m3。

(2)根據規范SL 744—2016，管上垂直土壓力見式(2)：

Fsk=γGksγHdD1

(2)

式中：γG為垂直土壓力作用分項系數，取1.1；ks為上埋式回填土垂直壓力系數，取1.07；γ為填土的容重，kN/m3(浸潤線以上用濕容重，浸潤線以下用浮容重)；Hd為涵管以上填土高度，m；D1為涵管外徑，m(現澆段外徑1.40 m、預制管段外徑1.17 m)。

(3)根據規范SL 744—2016，側向土壓力見式(3):

Ftk=γGtan2(45°-φ/2)γHoDd

(3)

式中：γG為側向土壓力作用分項系數，取γG=1.1；φ為回填土的內摩擦角，取17.6°；Ho為涵管中心線以上填土高度，m；Dd為涵管凸出地基的高度，取1.1 m。

(4)根據規范SL 744—2016，均勻內水壓力p內水見式(4):

p內水=γQγ水Hmax

(4)

式中：γQ為可變荷載作用分項系數，取1.0；γ水為水的容重，取10 kN/m3；Hmax為涵管頂上的最大水頭，m。

(5)根據規范SL 744—2016，均勻外水壓力p外水見式(5)：

p外水=γQγ水H1

(5)

式中：H1為管頂至浸潤線高度，m。

(6)

式中：D為涵管內徑，取1.0 m。

(7)

主壩壩下涵管管身荷載復核成果見表2、表3。

表2 現澆段涵管荷載復核成果(壁厚0.2 m) kN

表3 預制管段涵管荷載復核成果(壁厚0.085 m) kN

2.3.2 管壁內力及配筋計算

本次復核計算管身混凝土取C20，結構系數rd=1.20，管壁厚度現澆段取0.2 m、預制管段取0.085 m。

根據涵管不同部位及不同運行工況條件，考慮以下幾種不同荷載組合情況：

(1)基本組合(設計狀況系數1.0)。組合一：正常高水位，最大土壓力+涵管自重+水壓力(管內有水)；組合二：設計洪水位，最大土壓力+涵管自重+水壓力(管內無水)。

(2)特殊組合(設計狀況系數0.9)。組合三：校核洪水位，最大土壓力+涵管自重+水壓力(管內有水)；組合四：檢修期(死水位)，最大土壓力+涵管自重+水壓力(管內無水)。

根據四種情況的荷載組合，計算產生的內力及結構抗力，成果詳見表4、表5。對于彎矩，使得管壁內側受拉時為正，反之為負；對于軸力，壓力為正，拉力為負。

表4 現澆段涵管管壁內力及結構抗力成果(壁厚0.2 m)

表5 預制管段涵管管壁內力及結構抗力成果(壁厚0.085 m)

根據上表計算結果，現澆段涵管內外側鋼筋均只要按最小配筋率配筋，即內外側均配575 mm2，配筋情況受力筋不能小于φ12@200，分布筋不能小于φ8@200，根據施工及檢測資料現澆段受力勁為φ14@200，分布筋為φ10@200，均滿足要求。預制管段最不利情況受力鋼筋As=632 mm2/m，實際配筋為φ10@100(As=785 mm2/m)。

由計算結果得，其結構尺寸較合理。涵管管身混凝土較完好，能滿足運行要求。

2.4 主壩壩下涵管過存在問題

根據現場檢查、檢測以及復核計算得知，主壩壩下涵管過流及結構能滿足運行要求。閘室段、現澆混凝土圓涵段、混凝土預制管段、出口消力池基礎及混凝土構件老化。涵管進口啟閉框架、工作橋混凝土老化。涵管閘門銹蝕變形嚴重，閘門橡膠止水老化，漏水嚴重。啟閉機為手動啟閉機，陳舊老化，運轉不靈，表層銹蝕嚴重，啟閉困難。

3 主壩壩下涵管加固設計

3.1 加固方案比選

針對主壩壩下涵管存在的問題及運行實際情況，根據工程類似經驗，常見的加固方案有破壩重建、新建隧洞和內襯鋼管三種方案。考慮到原來涵管僅有1.0 m寬，預制管接縫處錯縫嚴重，內襯鋼管難以貼壁進入，縮小管徑又會降低過流能力而且施工不便，鋼管容易生銹，要經常護理，運行管理麻煩，故本次設計不考慮內襯鋼管方案。

主壩地形以構造剝蝕低山丘陵為主，左岸山頂高程為145 m左右，右岸山頂高程為150 m左右，兩岸坡度一般為20°～30°左右，河谷寬170 m左右，河谷高程120 m左右，相對高差為25～30 m左右。根據地質資料顯示，主壩右側山體巖性為全風化粉砂巖，左側山體巖性為全風化粉砂巖及炭質頁巖夾煤層，隧洞全斷面均處于Ⅴ類圍巖中，圍巖非常破碎，為極不穩定巖體，兩岸坡度較緩，施工中易塌方、冒頂，開挖需支護跟緊或超前支護，需全斷面襯砌。考慮到隧洞成洞條件差，施工存在不確定因素，且難找施工隊伍，施工中存在安全隱患。故從安全、經濟、施工便利等方面考慮，本次設計擇優推薦破壩重建方案。

3.2 主壩壩下涵管加固設計

本次加固設計對壩下涵管進行原址拆除重建。重建后涵管由進口段、閘室段、管身段、出口消能段、出口渠道組成，全長93.5 m。設計壩體土方開挖邊坡采取1∶2。原壩下涵管在新涵管破壩開挖時將其拆除。重建后涵管進口設八字墻，底板高程121.3 m(平現狀底板高程)，長8.0 m；閘室段采用框架式進水口，閘室段長7.0 m，寬3.2 m，閘墩頂高程124.8 m兼做檢修平臺。閘室布置有檢修閘門、工作閘門及攔污柵。閘墩上部布設啟閉框架，高為6.7 m，在框架頂部131.5 m設有啟閉平臺，平臺平面尺寸為3.2 m×4.6 m，平臺至左側山體設工作橋，橋面寬2.5 m，長45 m，并設有1.1 m高的大理石欄桿。為防止閘門部分開啟引起的氣蝕破壞和閘門的振動，在工作閘門后設置一φ200通氣管，采用6 mm壁厚鋼管。

涵管管身為C30鋼筋混凝土矩形結構，底坡i=0.005，斷面尺寸為1.2 m×1.6 m，管身襯砌0.4 m，管身全長69 m，進口底板高程為121.3 m，出口底板高程為121.1 m。涵管分縫最后一節6.0 m，其余每9 m設一條伸縮縫，縫寬2 cm，瀝青杉板填縫，并采用紫銅片止水；涵管出口接9.5 m消力池，斜坡段長4.0 m，底寬由1.0 m漸變至5.0 m，水平段長5.5 m，寬5.0 m，消力池深0.5 m；消力池出口左側接南干渠長100 m，寬4.3 m；右側接中干渠長100 m，寬3.3 m，兩側設C20混凝土重力擋土墻，底板設厚0.3 m C20混凝土襯護，出口后與現有渠道銜接。

3.3 涵管加固后復核計算

3.3.1 基本資料

(1)進口底板高程121.30 m；洞身縱坡坡率i=0.005。

(2)洞形及洞徑箱涵1.2 m×1.6 m；襯砌厚度0.4 m。

(3)襯砌材料C30鋼筋混凝土。

3.3.2 涵管過流能力計算

壩下涵管承擔灌溉放水和放空任務，不參與泄洪，出口無閘門控制。涵管高1.6 m，寬1.2 m，管底坡降i=0.005，涵管按無壓流運行。當閘門全開，庫水位不高于123.18 m時，涵管為無壓流運行。

經計算壩下涵管在庫水位123.18 m時得流量為3.08 m3/s，滿足下游灌溉設計流量1.64 m3/s要求，故涵管能按無壓管正常運行，平常運行期，通過控制閘門開度來控制引用流量。

3.3.3 涵管結構計算

考慮最不利工況，即在校核洪水位下閘門關閉、洞內無水時的荷載組合，計算斷面取壩體最大斷面處的涵管斷面。

涵管為C30鋼筋混凝土結構，壁厚0.4 m，斷面尺寸1.2 m×1.6 m。作用在箱涵上的荷載有箱涵自重、外水壓力，土壓力等，荷載計算取單位管長計算(1 m)，計算公式同前。

經計算，在各種工況下涵管襯砌的最大裂縫寬度小于鋼筋混凝土結構構件最大裂縫寬度允許值0.25 mm；實際配筋(環向主筋φ14@200，縱向分布筋φ10@200)大于計算配筋值，涵管襯砌配筋均滿足要求。

4 結 語

本文針對彰湖水庫主壩壩下涵管實際存在的問題，經過方案比選，采用原址拆除重建壩下涵管方案；經過復核計算，得出結論，即主壩壩下涵管經過加固后過流能力及結構安全均滿足規范要求，說明所采用設計方案合理。