田村水庫放水涵洞設計研究

王周奇

（泰安市水利勘測設計研究院有限公司，山東 泰安 271000）

1 工程概述

田村水庫位于新泰市禹村鎮境內柴汶河支流禹村河上游，控制流域面積15 km2，是一座防洪、農業灌溉、漁業養殖等綜合運用的中型水庫。大壩原設計為壤土均質土壩，壩頂長784 m，最大壩高16.50 m。田村水庫防洪標準：100年一遇設計洪水位為184.65 m，相應庫容為983.50 萬m3，1000 年一遇校核洪水位185.27 m，相應庫容為1 084 萬m3。田村水庫樞紐建筑物由大壩、溢洪道及放水洞組成。2016年12月5日，受新泰市田村水庫除險加固工程建設管理處委托，泰安市水利勘測設計研究院承擔新泰市田村水庫除險加固工程勘察設計工作。

2 放水涵洞加固方案的選擇

2.1 拆除重建放水涵洞

此方案適用于各種尺寸、各種結構形式的斷裂漏水等；可以徹底解決漏水問題，防滲效果較好；不足之處是開挖斷面大，投資較大，工期較長，施工難度較大，對涵洞回填作業要求程度高，回填不密實容易出現漏水現象。泰安市彩山水庫、勝利水庫都采用了此方案，取得了一勞永逸的效果。

2.2 放水涵洞內襯砌處理

此方案分為內襯和套管兩種，適用于較大尺寸、各種材料的破損壞性漏水。內襯是在原涵管內壁襯砌漿砌混凝土加氣塊或預制水泥混凝土管。套管是將預制管道分節嵌在原涵洞內，然后在新舊涵管之間進行填充水泥砂漿和填充灌漿。特點是防滲效果好；不足是施工難度大，工期長，投資大。最大問題是放水涵洞斷面變小，導致過流量減小，對下游有較大的用水需求和防汛搶險非常不利。泰安市黃前水庫、東周水庫采用的是此種方案，由此造成的不足也已顯現。

2.3 放水涵洞充填灌漿處理

此方案適用于較大尺寸的涵洞且建筑材料破壞性漏水嚴重；優點是投資較大，但工期較長，施工難度低；缺點是防滲工程量大，質量控制難度大，但效果較好。對放水涵洞的破損部位采用混凝土加氣塊進行回填處理時，往往要有施工人員在圍堰保護下進入到放水涵洞中進行砌筑作業，施工難度較大，特別是當放水涵洞較長時，還要有相應的材料、操作工具及通風、照明等安全配套設施到位后才能開始實施。皮山縣波斯干水庫的實際經驗證明，灌漿處理的效果和強度上均達到設計要求。

根據《關于山東省新泰市田村水庫除險加固工程初步設計的批復》中確定：放水洞位于大壩樁號0+565 處。放水洞豎井拆除重建，拆除原拱涵，新建鋼筋混凝土箱涵。在施工圖設計時綜合考慮，同時與批復相一致，拆除原拱涵，新建鋼筋混凝土放水涵洞方案。

3 放水涵洞結構型式的選擇

放水涵洞設計時，一般要求將涵洞放在巖基上。由于當時的生產力發展水平和技術條件,水庫放水涵洞可能設置在了軟基上，宜在基礎、結構上進行加強，校核涵洞的縱向強度和加厚涵管底板的局部或整體工作沒有進行，以致基礎結構等設計質量較差,更多的是因結構型式的不當而出現問題。受當時建筑材料和施工的限制，采用了槳砌石結構的,運行多年后,由于冰凍或基礎不均勻沉降等原因,洞體斷裂,洞身與翼墻脫節,結構損壞嚴重,滲徑短路；使用了預制水泥混凝土管結構,也因冰凍或基礎沉降出現接頭斷裂、錯位、深漏現象嚴重等形成隱患。以上兩種結構型式均以其整體性差、抗滲抗凍能力低及強度達不到要求而不適用于現代化水庫放水涵洞建設。同時由于放水涵洞的功能重要且深埋于大壩底下，一旦出現問題，維修會比較困難，從結構上分析,應以鋼筋混凝結構為宜。其結構特點是受力比較明確，抗變形能力較強、整體性好、防滲抗凍能力強、安全性能高，使用壽命較長，并且施工技術成熟，質量高。盡管一次性投資較大,但運行維護搶險費用低廉，經濟合理可行。

4 放水涵洞的總體設計

水庫放水涵洞功能非常重要，在放水涵洞的設計過程中，尤其要注意與所在位置處的水庫大壩斷面協調一致。涵洞的長度不但決定涵洞自身的工期和工程量，而且還關系到大壩的工程量及工期。故而涵洞長度對工程造價有著重要的影響，設計人員需要不斷驗算、比較，找到合理且有效可行的方案。若涵洞洞身長度較小，則洞身工程量較小，但此處與大壩的銜接會受到影響，此處上、下游翼墻就會很高，同時對大壩穩定安全不利；相反涵洞洞身長度較大，則洞身工程量較大，則堤防上、下游翼墻高度相對較小。

同時還必須考慮到涵閘的滲徑長度是否可以達到抗滲的要求，如果無法達到抗滲的要求，就必須考慮延長滲徑或者是采取截滲的防護措施。一般而言，涵洞洞身的截面較小的涵閘，洞身的長度在設計時還是適當大點的為好，而涵洞洞身斷面較大的涵閘，則洞身的長度可能稍微小一些。

放水涵洞的軸線應當與壩軸線垂直，防止彎曲，可使水流順暢且保證涵洞線路短，縱向坡度宜為1/100～1/200。進、出口高程需根據不同用水戶的要求等因素綜合確定，一般情況下，進口高程應不低于原河床2.00 m。涵洞出口的消力池應當設置在壩腳外側，而不可以將消力池設置在壩體范圍內。

一般把閘門井設置在壩體內的形式稱為豎井式，把閘門井設置在上游壩坡附近的形式稱為塔式。塔式布置往往受冰凍的影響，容易遭受破壞，不如豎井式簡單可靠且豎井式不要修建較長的工作橋。田村水庫放水涵洞選擇了豎井式。

鋼筋混凝土矩形結構豎井上部有啟閉機房，啟閉房四周的臨空面設置有安全防護欄桿。豎井頂部高度必須高于設計的校核洪水位，才利于閘門的啟閉和檢修。豎井內應同時設置平板檢修閘門和工作閘門，閘門下游應設有通氣孔，防止形成真空或負壓產生氣蝕。通氣孔出口應設置在啟閉機房外，可防止通氣孔產生的巨大氣壓損壞啟閉機房或產生安全事故。有的水庫只設有工作閘門，無檢修閘門。實踐證明如無檢修閘門，在管理運用上極不方便。

田村水庫放水涵洞位于大壩樁號0+565 處，設計流量1.50 m3/s。采用了豎井式，軸線與大壩軸線垂直，縱坡為1%。主要由進口段、豎井段、洞身段和消能段組成，全長91.58 m。進水口采用八字墻式C30鋼筋混凝土矩形槽結構，長度8 m，底寬由4.60 m漸變為2.70 m。C30鋼筋混凝土箱涵結構的洞身截面尺寸為1.50 N 2.00 m，壁厚0.50 m。底板高程為174.80 m，洞身長度為62.50 m，分為7 節。閘室段長8.50 m，豎井塔身為C30鋼筋混凝土結構，閘底板尺寸為8.50 N 5.10 m，底板和側墻厚度均為0.80 m。底板頂高程為174.80 m。閘室內同時設置了檢修閘門和工作閘門，工作閘門和檢修閘門凈間距2.50 m，采用1.50 N 2.00 m潛孔式平面鋼閘門，均為后止水，豎井與進出水口之間通過鋼筋混凝土箱涵連接。放水洞下游出口段設平坡段、陡坡段和消力池，長度分別為4 m，4 m 和5 m，出口段總長23.00 m（包括與渠道連接段），其中平坡段與陡坡段采用1：4的陡坡與消力池連，消力池深度0.50 m，與下游灌溉渠道連接。

5 放水涵洞的創新設計

5.1 涵洞的分節設計

施工圖設計時對放水涵洞初步設計階段的分縫長度進行了調整，由初步設計階段8.00 m調整到了施工圖階段的9.00 m，可以減小因分縫較多而帶來漏水的風險；結合山東黃河水利勘測設計研究院在涵洞設計方面多年取得的成功經驗，在涵洞分縫處采用了1.00 N 0.50 m 的墊梁設計，可有效防止涵洞節間的不均勻沉降，因變形較大而撕裂分縫止水；此次在結構分縫處，共設計了2道止水，一道為埋設于混凝土結構中的銅止水，另一道為安裝在放水洞內壁混凝土表層且易于更換的洞內橡膠明止水，在橡膠明止水安裝時，預埋螺栓、止水壓板均要求采用不銹鋼制作。

5.2 涵洞繞滲問題設計

田村水庫放水涵洞根據總體布置，在豎井后第一節和第二節涵洞管節上均設置了2.00 N 0.50 m的鋼筋混凝凝土截滲環，在兩處截滲環之間，為此次大壩塑性混凝土防滲板墻，充分利用了犬牙交錯的方式延長了滲徑，有效解決了洞頂滲與側滲問題。

5.3 涵洞的金屬結構設計

已建成放水涵洞，尤其是在閘門設計時,普遍存在問題。一是沒有考慮水中浮砂的影響,多數是采用以滾輪減小摩擦的形式，由于浮砂的存在，可能導致滾輪卡死，閘門啟閉困難；二是有的閘門槽施工粗糙精度不夠,導致應處于同一垂直面的胸墻和門槽橡膠止水支承面不在同一垂直面上；三是有些橡膠止水質量較差，彈性度不夠,加上安裝質量差；四是水庫放水涵洞一般都較深，加上螺桿能滿足要求，但螺桿可能是計算啟門力噸位上一噸位級別的螺桿粗細程度，也就是說啟閉機噸位的裝置比計算的高了一個級別，不僅導致能耗大不經濟而且因為固定螺桿防止螺桿變形的支座給閘門啟閉帶來麻煩。這也是所有總閘門安裝完成后漏水及使用不方便的主要原因。

在金屬結構設計過程中，閘門移動裝置采用的滑塊設計而不是滾輪，可有效防止閘門采用滾輪因浮砂而使滾輪不滾動造成閘門啟閉困難，螺桿式啟閉機采用標準螺桿，螺桿與閘門吊耳之間采用的是型鋼桁架，可有效解決螺桿啟閉機因啟閉而使加長螺桿彎曲的問題。

在檢修閘門設計建議根據不同的閘門形式，選擇合適有利的止水型式。采用后止水的設計形式，在閘門關閉擋水時，可以充分利用上游水產生的水壓力，將水封推向水封座伸變形貼緊座板、利用水壓，將水封壓緊，防止止水滲漏的風險。

5.4 涵洞回填土的設計

①坡度陡于1：3 時，必須開登回填。涵洞完成后，當混凝土強度達到設計強度的90%時，方可進行回填土。②涵洞填土從涵身兩側不小于2 倍孔徑范圍內，同時水平分層、對稱地填筑、夯（壓）實。用機械填土時，涵洞頂上填土厚度必須大于2 m。③回填前應先用紅油漆畫出分層填筑線，而后按填筑線分層碾壓，以確保墻體穩定。填筑時，先將建筑物表面濕潤，邊涂泥漿，邊鋪土，邊夯實，涂漿高度與鋪土厚度一致，涂層厚宜為3～5 mm。④建筑物兩側回填土，須保持均衡上升；對于靠近閘室，消力池以及齒墻等機械無法操作的部位由人工用木/鐵榔頭或小型快速沖擊夯夯實，回填土的壓實值必須達到設計要求。

6 結語

建議今后的水庫除險加固及新建水庫放水洞設計,尤其是寒冷的北方,設置分層級引水結構,使得水庫在建成時就能滿足不同的需水要求,更好地服務于社會主義現代化建設。