陽(yáng)春市北河水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中輸水涵加固設(shè)計(jì)研究

李東文

（封開(kāi)縣廣信堤圍養(yǎng)護(hù)中心,廣東 封開(kāi) 526500）

水資源是人類社會(huì)發(fā)展和生存所必需的重要資源之一,水庫(kù)作為重要的水資源調(diào)節(jié)和儲(chǔ)存設(shè)施,在城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉等方面發(fā)揮著重要作用。然而,由于長(zhǎng)期使用和自然力的作用,水庫(kù)的輸水涵結(jié)構(gòu)可能存在安全隱患,如裂縫、滲漏等問(wèn)題,這不僅威脅到水庫(kù)的正常運(yùn)行,還可能對(duì)周邊環(huán)境和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重影響[1]。本文以陽(yáng)春市北河水庫(kù)輸水涵的加固設(shè)計(jì)為例,對(duì)其除險(xiǎn)加固方案進(jìn)行探討分析。

1 工程概況

陽(yáng)春市北河水庫(kù)建成時(shí)間較長(zhǎng),經(jīng)過(guò)50 多年運(yùn)行后,現(xiàn)已不滿足相關(guān)要求。根據(jù)原設(shè)計(jì)資料及本次水文復(fù)核成果,北河水庫(kù)校核洪水位為94.00 m,總庫(kù)容為5836 萬(wàn)m3,設(shè)計(jì)灌溉面積9.8 萬(wàn)畝,設(shè)計(jì)電站流量為4.5 m3/s～5.0 m3/s,新建水廠供水規(guī)模0.127 m3/s,設(shè)計(jì)最大下泄流量442.8 m/s。工程規(guī)模為中型,主要建筑為3 級(jí),相應(yīng)水庫(kù)大壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 年～50 年一遇洪水設(shè)計(jì),2000 年～1000 年一遇洪水校核。本次除險(xiǎn)加固,土壩、泄洪洞及輸水隧洞等主要建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)確定為50 年一遇設(shè)計(jì),1000 年一遇校核。根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）,3 級(jí)溢洪道消能防沖建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)按30 年一遇洪水設(shè)計(jì)[2]。輸水涵管建于1970 年,位于北副壩左岸,直徑2.0 m,為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu),長(zhǎng)176 m,進(jìn)口底高程為69.50 m,出口底高程69.00 m,原設(shè)計(jì)最大放水量37 m3/s。根據(jù)水庫(kù)歷史檢查記錄及安全鑒定報(bào)告,輸水涵管壁內(nèi)存在多處裂縫和鈣質(zhì)析出,局部分縫漏水需對(duì)輸水涵進(jìn)行加固。

2 輸水涵加固設(shè)計(jì)

2.1 輸水涵加固方案比選

輸水涵管的加固除了要依據(jù)其自身的損壞程度,還應(yīng)綜合考慮地質(zhì)條件、流量大小、圍巖條件、水庫(kù)壩高以及后續(xù)灌漿等因素。為了對(duì)比優(yōu)選加固方案,同時(shí)方便后期維護(hù)與管理,表1 給出了不同輸水涵加固方案的適用條件、技術(shù)難度及建設(shè)成本,以供選擇[3]。

表1 加固方案比選

綜合考慮各個(gè)加固方案的適用條件、優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn),本項(xiàng)目選用涵內(nèi)套管加固方案。

2.2 輸水涵內(nèi)經(jīng)計(jì)算

輸水涵內(nèi)徑與設(shè)計(jì)過(guò)水流量密切相關(guān),當(dāng)設(shè)計(jì)過(guò)水流量過(guò)大時(shí),也要相應(yīng)的增大輸水涵內(nèi)徑,同時(shí)還要考慮原涵管尺寸。原涵管內(nèi)徑2000 mm,原設(shè)計(jì)最大流量為37.00 m3/s。現(xiàn)有電站設(shè)計(jì)流量為4.5 m3/s～5.0 m3/s,耕作區(qū)灌溉流量8 m3/s～10 m3/s,新建水廠供水規(guī)模0.127 m3/s,灌溉流量及水廠供水均采用電站尾水,故最大流量為10.127 m3/s,初步擬定內(nèi)套鋼管內(nèi)徑為1900 mm、1800 mm、1700 mm、1600 mm,對(duì)其過(guò)流能力進(jìn)行復(fù)核[4],計(jì)算公式如下：

式中：m3為流量系數(shù)；A 為洞身斷面面積,m2；g 為重力加速度,取9.81 m/s2；H0為包括行近流速水頭在內(nèi)的進(jìn)口水深,設(shè)計(jì)水位下,取23.81 m；i 為洞底坡降,取0.0028；L 為洞身長(zhǎng)度,取176 m；h 為出口水深,取1.6 m；R 為水力半徑,m；∑ε 為除出口損失系數(shù)以外的局部水頭損失系數(shù)總和。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2,在閘門(mén)全開(kāi)的情況下,加固后擬定各管徑的過(guò)流能力均滿足設(shè)計(jì)用水量的需求,不影響其正常運(yùn)行,考慮施工場(chǎng)地狹窄,鋼管洞內(nèi)運(yùn)輸、洞內(nèi)施工及造價(jià)等因素,最后選定鋼襯內(nèi)徑為1700 mm,確保鋼管與原輸水涵管內(nèi)壁有134 mm 的間距,滿足施工工藝的要求。

表2 輸水涵管過(guò)流能計(jì)計(jì)算結(jié)果

2.3 輸水涵加固方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)輸水涵管采用沿舊涵管位置套鋼管的方法施工,套管采用焊接圓鋼管鋼管厚度為16 mm,每截鋼管長(zhǎng)度為暫定3 m,管徑01700 mm,總長(zhǎng)176 m。為了使鋼管能夠順利地在洞內(nèi)移動(dòng),便于安裝,并使管道底部充滿漿液,在每個(gè)管道底部焊接了兩排滾筒,輪間距為1.5 m,輪高為13.4 cm。在安裝套管之前,先用高壓水槍對(duì)原有的涵管進(jìn)行沖洗去除表面雜物,并鑿除開(kāi)裂處的混凝土及鋼筋,通過(guò)充分沖刷、清洗、鑿毛等措施后,可以使管壁與注漿漿液充分混合,實(shí)現(xiàn)較高的結(jié)合強(qiáng)度,避免出現(xiàn)接觸裂縫。管道內(nèi)防腐是在鋼管安裝前完成,而在鋼管安裝后完成安裝縫的防腐工作,以環(huán)氧樹(shù)脂為主要抗腐蝕材料。鋼管內(nèi)壁用電鋼刷除銹,然后再涂環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行二度防腐。鋼管的材質(zhì)為Q235 厚鋼板,在鋼管截面中,按5 個(gè)間隔布置一個(gè)注漿孔洞,在每個(gè)截面的頂部、左側(cè)和右側(cè)各設(shè)一個(gè)直徑30 mm 的注漿孔。注漿方式分兩次進(jìn)行,一次注漿時(shí),采用“填壓法”注漿,其中細(xì)粉砂摻量占干物質(zhì)質(zhì)量的20%；第二次注漿是用純水泥漿液進(jìn)行,通常要在全節(jié)段第一次注漿完畢7 天后進(jìn)行。在灌漿結(jié)束之后,可以用錘子敲打涵管,通過(guò)聽(tīng)響聲來(lái)判斷灌漿的緊實(shí)度。如果出現(xiàn)了脫空較大的地方,就要重新進(jìn)行補(bǔ)灌,保證套管外壁與原涵管壁之間的孔隙被充填密實(shí)。

2.4 安全復(fù)核

（1）按內(nèi)壓應(yīng)力初擬鋼管厚度

管道中的壓力以水壓為主,在管道中的壓力為最大時(shí)計(jì)算,以管道中最高水位為94.00 m。根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 281-2003）中的計(jì)算公式,在均勻地層中,考慮到安全性,鋼管在均勻地層中承擔(dān)了所有內(nèi)壓,對(duì)于管道初始壁厚,可以用下面的公式來(lái)計(jì)算：

式中：t 為管壁計(jì)算厚度,mm；p 為均勻內(nèi)水壓力,N/mm2,考慮水錘壓力,升壓系數(shù)取1.2；［σ］為鋼管材料的允許應(yīng)力,N/mm2,本次設(shè)計(jì)采用Q235 鋼,允許應(yīng)力為157.45 N/mm2；φ為焊縫系數(shù),取0.9；r1為鋼管內(nèi)半徑,850 mm。

根據(jù)上述計(jì)算公式,可知當(dāng)鋼管在最大內(nèi)水壓受力情況下,可按1.71 mm 的管壁厚度進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鋼管厚度計(jì)算結(jié)果

（2）按外壓失穩(wěn)臨界壓力復(fù)核

涵管受力情況受縫隙值大小影響,即鋼管與混凝土之間的孔隙,而值由及組成,其中是指施工縫隙,是指鋼管冷縮縫隙。通過(guò)調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)可知,水泥砂漿固化收縮率在0.003左右,而北河水庫(kù)輸水涵管施工中使用150 mm 厚度的水泥砂漿,計(jì)算得知施工縫隙為0.3 mm,鋼管冷縮縫隙可由下述公式計(jì)算：

式中： 為鋼材的泊松比,取0.3；αs為鋼材線膨脹系數(shù),取1.2×10-5/℃；Δts為溫差,取20℃。

經(jīng)計(jì)算ΔS=0.28 mm,則Δ=0.3+0.28=0.36 mm。

圖1 為涵管的計(jì)算簡(jiǎn)圖,從圖中可以看出涵管除受自重壓力以及內(nèi)部水壓外,還會(huì)承受水平方向和垂直方向的土壓力,同時(shí)還會(huì)受到地基的方向作用力。整合上述工況,可以得到涵管受力最不利的情況,當(dāng)涵管內(nèi)沒(méi)有水流通過(guò)時(shí),此時(shí)水庫(kù)處于正常水位92.60 m,可以根據(jù)下述公式,計(jì)算A 點(diǎn)、B 點(diǎn)以及C 點(diǎn)的徑向應(yīng)力,以此來(lái)分析涵管的鋼管厚度[5]。

圖1 外壓下鋼管徑向應(yīng)力計(jì)算簡(jiǎn)圖

上埋式埋管土壓力計(jì)算采用《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》公式：

式中：Hd為管頂以上填土高度,取22.75；KS為埋管垂直土壓力系數(shù),按可塑性粘土,取1.02,其中D1為原砼管外徑；Kt為側(cè)向土壓力系數(shù)；γt為土的重度,取19.0 kN/m3；φ為埋管填土內(nèi)摩察角,取18.0°；tc為砼管及套管灌漿厚度。

通過(guò)上述公式可以計(jì)算A 點(diǎn)、B 點(diǎn)以及C 點(diǎn)的徑向應(yīng)力,具體計(jì)算過(guò)程及結(jié)果如下所示：

通過(guò)計(jì)算可知,上述三點(diǎn)的徑向應(yīng)力均滿足條件,因此取鋼管厚度t=16 mm,能夠滿足本次設(shè)計(jì)相關(guān)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

北河水庫(kù)是一座市屬中型水庫(kù),其主要任務(wù)包括灌溉、防洪、供水和發(fā)電。然而,由于年久失修,北河水庫(kù)存在著一定的安全隱患,可能會(huì)對(duì)灌區(qū)用水和城區(qū)供水,以及下游防護(hù)區(qū)的人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。本工程的主要任務(wù)是除險(xiǎn)加固,確保灌區(qū)用水和城區(qū)供水的正常運(yùn)行,減輕下游防護(hù)區(qū)的洪澇災(zāi)害和保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。本文分析了輸水涵加固方案比選、內(nèi)徑計(jì)算、加固方案設(shè)計(jì)以及安全復(fù)核等?，F(xiàn)在北河水庫(kù)能夠正常運(yùn)行,保障了灌區(qū)用水和城區(qū)供水的穩(wěn)定性,減輕了下游防護(hù)區(qū)的洪澇災(zāi)害,保障了人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。