廣西鳳亭河水庫舊輸水隧洞除險加固工程方案優化

李菲

（中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東廣州 510000）

1 工程概述

1.1 工程原建設背景

廣西鳳亭河水庫工程于1958 年10 月動工建設，至1960 年4 月建成。于1974 年后放水至廣西屯六水庫向廣西大塘及欽北灌區農田供水；廣西風亭河水庫舊輸水隧洞出口處的洞口電站于1976 年開始引水發電，新建放水隧洞出口處的鳳亭河電站2007 年開始引水發電。目前廣西鳳亭河水庫與廣西屯六水庫聯合運行，向廣西南寧市良慶區大塘鎮、南曉鎮、欽州市欽北區貴臺鎮供水。結合廣西鳳亭河水庫相關設計資料及現狀供水對象，廣西鳳亭河水庫是一座以灌溉為主，兼供水、發電的綜合利用水利工程[1]。

1.2 工程地質條件

主壩舊輸水隧洞布置在主壩右端處，隧洞沿線地貌為一山坳，頂部為圓形鋼筋混凝土壓力式隧洞，洞徑2.7m，全長210m，沿線穿越地層為白堊系新隆組下統第一段（Kix1）礫巖夾粉砂質泥巖，呈單斜構造為主，巖層走向與隧洞軸線有一定夾角。

隧洞進口段巖石風化程度以強風化為主，巖體較破碎，洞頂埋深11.5～19.5m，巖體節理裂隙較發育，風化差異較大，地下水水位高于洞頂5～6m，圍巖類別為Ⅴ類。

隧洞洞身段巖石風化程度以強風化～弱風化巖體為主，隧洞埋深19～30m，巖體節理裂隙較發育，地下水高于洞頂1.3～5m，圍巖類別為Ⅳ～Ⅴ類。

隧洞出口段巖石風化程度以強風化為主，巖體較破碎，洞頂埋深為0.4～18.2m，巖體節理裂隙較發育，風化差異大，地下水位高于洞頂0.3～1.3m，圍巖類別為Ⅴ類。出口邊坡為斜交順向坡，邊坡穩定性較差，需加強支護。

1.3 舊輸水隧洞現狀

（1）滲流安全分析。根據設計階段在進水塔附近鉆孔的壓水實驗來看，全風化巖體屬中等透水性，強風化巖體屬中等透水性，弱風化巖體屬弱透水性，巖石與隧洞之間可能存在接觸滲漏安全隱患。

（2）主壩舊輸水隧洞襯砌結構復核。經復核計算，在校核工況下，襯砌混凝土最大拉應力為0.89MPa；在檢修工況下，襯砌混凝土最大壓應力為0.49MPa。兩種工況均不滿足規范的耐久性要求。

2 初步設計階段加固設計方案

2.1 現狀過流能力復核

主壩舊輸水隧洞進口底高程159.42m，出口底高程151.62m；水庫正常水位為175.12m，設計洪水位為177.74m，校核洪水位為179.03m，最低運行水位為164.12m。經計算復核，在最低運行水位下，廣西鳳亭河水庫舊輸水隧洞過水流量Q＝38.39m3/s，可以滿足隧洞最大泄量26.0m3/s 的要求。由此可見，水庫正常運行過程中，舊輸水隧洞始終處于有壓流運行狀態，其過流能力可滿足下游電站發電要求。根據隧洞的流態，隧洞過流能力計算復核主要采用有壓流計算公式，如下：

有壓流過流能力計算公式為：

從表1 可得知，水庫正常運行過程中，隧洞過流能力隨庫水位升高而增大。在原電站發電最低運行水位164.12m 時，隧洞過流流量為38.39m3/s，可滿足隧洞最大下泄流量26m3/s 及最大下放生態流量1.17m3/s 的過流能力要求。根據計算，隧洞洞徑2.3m 即可滿足過流能力要求。

表1 主壩舊輸水隧洞過流上游庫水位～流量關系成果

2.2 內襯鋼管壁厚復核

根據對原主壩舊輸水隧洞襯砌的計算，襯砌混凝土最大拉應力為0.89MPa，拉應力較大，根據工程經驗，一般素混凝土結構不能作為受拉構件。為此，隧洞襯砌加固后，內水壓力由內襯鋼管承擔[2]。

內襯鋼管結構計算根據《水利水電工程壓力鋼管設計規范》（SL/T 281—2020）[3-4]中計算公式進行鋼板襯砌厚度、管壁應力和抗外壓穩定計算：

式中：t——鋼管厚度，mm；p——內水壓力設計值，N/mm2；r——鋼管內半徑，mm；D——鋼管內直徑，mm；σR——鋼管的抗力限值，N/mm2。

管壁應力計算公式：

式中：σθ——鋼管環向正應力，N/mm2；K0——圍巖單位抗力系數較小值，N/mm3；p——內水壓力設計值，N/mm2，隧洞最大靜水壓力0.18N/mm2；t——鋼管管壁厚度，mm；r——鋼管內半徑，mm；δ2——縫隙，mm；σR——鋼管的抗力限值，N/mm2；ES2——平面應變問題的鋼材彈性模量，N/mm2。

抗外壓穩定計算公式：

式中：pcr——抗外壓穩定臨界壓力計算值，N/mm2；t——鋼管管壁厚度，mm；r——鋼管內半徑，mm；σS——鋼材屈服點，N/mm2；Kc——抗外壓穩定安全系數，為1.8；p0k——徑向均布外壓力標準值，N/mm2。

2.3 現狀主壩舊輸水隧洞襯砌結構復核

原主壩舊輸水隧洞為素混凝土結構。經計算，在校核工況下，主壩舊輸水隧洞襯砌混凝土最大拉應力為0.89MPa；在檢修工況下，主壩舊輸水隧洞襯砌混凝土最大壓應力為0.49MPa。

根據《水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規范》（SL 654—2014）規定，對于二類環境下使用年限為50 年的鋼筋凝土結構的混凝土強度等級不宜低于C25。故現狀主壩舊輸水隧洞混凝土強度不滿足規范要求。

2.4 加固方案

根據地勘工作反饋，主壩舊輸水隧洞洞身圍巖為強～弱風化的礫巖夾粉砂質泥巖，但巖體較破碎，裂隙較為發育，洞身圍巖類別均為Ⅴ類。根據《水工設計手冊（第8 卷水電站建筑物）》中關于水工隧洞的敘述，對于圍巖地質條件較差的洞段一般采用鋼筋混凝土襯砌。再結合當前國內對類似工程采用的加固型式，本階段對主壩舊輸水隧洞加固方案選定為固結灌漿+全段內襯鋼管型式。在完成隧洞固結灌漿后，采用內徑2.3m的鋼管對原隧洞進行加固。鋼管管壁厚度取為12mm，鋼管外按構造要求取每間距2m 布設一道加勁環，加勁環壁厚亦取為12mm。鋼管與原主壩舊輸水隧洞襯砌之間采用C25（1）微膨脹混凝土進行回填，回填混凝土厚度取為0.2m。回填混凝土施工完畢后進行回填灌漿及接觸灌漿的處理。

3 施工圖設計遇到的問題

施工圖設計階段根據初設階段方案從隧洞實際走向、實際過流條件，鋼管計算工況、鋼管運輸及安裝條件進行現場查勘、實測復核及分析：

（1）廣西風亭河水庫主壩舊輸水隧洞軸線實際走向實測復核變化大。按初步設計階段，主壩舊輸水隧洞平面軸線為直線無拐點，縱坡變坡點5 個。隧洞平面順直，縱坡變化較平順，方便鋼管運輸及安裝，施工難度較小。但經施工圖設計階段現場查勘復測后發現，主壩舊輸水隧洞平面軸線從放水塔至隧洞末端節平面轉彎點共28個，縱向變坡點共8 個，部分走向變坡點坡比較陡，最大坡比為1∶3，且坡段只有3500mm 長。隧洞平面拐點較多，縱坡變化多、不平順，鋼管安裝條件較為苛刻。

（2）廣西風亭河水庫主壩舊輸水隧洞施工圖設計階段復核實際過流條件與初步設計階段相符。隧洞襯砌為鋼筋混凝土襯砌，表面有較多蜂窩麻面，局部骨料外露，存在較小的滲流情況。

（3）初步設計階段考慮鋼管計算工況不夠充分。施工圖設計階段，內襯鋼管結構計算工況考慮分為運行檢修期及施工期。鋼管最不利工況考慮在外水壓力作用下，鋼管無內水過流，管內考慮放空負壓（1 個大氣壓）0.1N/mm2。根據《水利水電工程壓力鋼管設計規范》（SL/T 281—2020），運行檢修期按明光面管和地下埋管型式計算；施工期采用明光面管型式計算。經計算復核，鋼管壁厚需為20mm，其強度和穩定才均滿足設計要求。

（4）施工圖設計階段由實測數據可得知，隧洞洞徑2.7m，內襯鋼管內徑2.3m，兩側管節焊接空間只有0.2m。根據《水利水電工程壓力鋼管設計規范》（SL/T 281—2020），0.2m 不滿足管外焊接空間要求。再者，洞內拐點較多，且有可能存在空間轉彎，為洞內鋼管運輸及安裝增加難度。

4 設計方案優化

（1）主壩舊輸水隧洞洞身圍巖為強～弱風化的礫巖夾粉砂質泥巖，但巖體較破碎，裂隙較為發育，洞身圍巖類別均為Ⅴ類。根據《水工設計手冊（第8 卷水電站建筑物）》中關于水工對于主壩舊輸水隧洞的敘述：對于圍巖地質條件較差的洞段一般采用鋼筋混凝土襯砌。保留原初步設計階段主壩舊輸水隧洞固結灌漿對隧洞圍巖進行加固。

（2）近年來，纖維增強復合材料（FRP）具有固化后力學性能好、抗腐蝕性和耐久性能好、熱膨脹系數與混凝土的相近等特點，在國內水工結構及地下結構領域應用較為廣泛。因此，本次施工設計階段根據主壩舊輸水隧洞地形地質及周邊環境的情況，并考慮到當時原主壩舊輸水隧洞施工質量差，隧洞軸線不規則等不利因素，對主壩舊輸水隧洞前179m 在完成隧洞固結灌漿后，先對原主壩舊輸水隧洞過窄處鑿除及表面進行打磨，然后采用丙乳水泥砂漿將主壩舊輸水隧洞裂縫及隧洞的蜂窩麻面進行修補后，采用FRP 包裹法將制作好的樹脂膠浸漬編織布包裹粘貼在打磨修補好的隧洞襯砌表面，然后進行一定的養護即可。

（3）主壩舊輸水隧洞尾部約40m 長度洞身圍巖為強風化轉巖的平直洞段，考慮采用內徑為2.3m 的鋼襯管對原主壩舊輸水隧洞進行加固。鋼管與原主壩舊輸水隧洞襯砌之間采用C25（1）微膨脹混凝土回填，回填混凝土厚度取為0.2m。回填混凝土施工完畢后進行回填灌漿及接觸灌漿的處理[5]。

主壩舊輸水隧洞內襯鋼管結構計算工況考慮分為運行檢修期及施工期。考慮現場安裝空間較小，安裝難度較大，為保證安裝質量，本次內襯鋼管設計由加勁環管型式優化為光面管型式。根據《水利水電工程壓力鋼管設計規范》（SL/T 281—2020），運行檢修期按明光面管和地下埋管型式計算；施工期采用明光面管型式計算。

其中，內襯鋼管管壁厚度計算：

式中：t——內襯鋼管厚度，mm；p——內水壓力設計值，N/mm2；r——內襯鋼管內半徑，mm；D——內襯鋼管內直徑，mm；σR——內襯鋼管的抗力限值，N/mm2。

檢修期，內襯鋼管抗外壓穩定計算：

按明光面管考慮時：

式中：t——內襯鋼管管壁厚度，mm；r——內襯鋼管內半徑，mm；ES——平面應變問題的鋼材彈性模量，N/mm2；Kc1——允許安全系數。

按地下埋管光面管考慮時：

式中：t——內襯鋼管管壁厚度，mm；r——內襯鋼管內半徑，mm；ES——平面應變問題的鋼材彈性模量，N/mm2；Kc2——允許安全系數。

施工期，內襯鋼管抗外壓穩定計算：

按明光面管考慮時：

式中：t——內襯鋼管管壁厚度，mm；r——內襯鋼管內半徑，mm；ES——平面應變問題的鋼材彈性模量，N/mm2；Kc1——允許安全系數。

根據內襯鋼管抗外壓穩定計算分析反推算得出，當內襯鋼管管材為Q355C，內襯鋼管壁厚為20mm 時，其強度和穩定均滿足要求。

5 結語

在進行水庫舊輸水隧洞除險加固工程設計之前，應現場查勘，并實測復核，充分了解舊輸水隧洞洞內現狀走向及洞內結構情況，選擇合理的隧洞內除險加固措施，是下一步進行除險加固設計的工作基礎；加固措施要以滿足各設計工況結構安全要求為導向，確保設計方案的可行性；結合現場施工條件，分析舊輸水隧洞內鋼管運輸及安裝措施并選擇合理的加固方式，確保設計的可行性及合理性。優化調整后的隧洞加固方案考慮全面，技術性較優，施工期措施建議合理，有效指導隧洞加固的施工，實施效果符合建設要求[6]。