聯和水庫除險加固工程檢修隧洞方案選擇及設計

劉天芬

(惠州市華禹水利水電工程勘測設計有限公司，廣東 惠州 516001)

1 工程概況

聯和水庫位于東江水系一級支流聯和水中游，地處博羅縣福田鎮石巷村，水庫樞紐由主副壩、溢洪道、輸水隧洞及壩后電站組成，是一宗以灌溉為主，結合供水、防洪、發電等綜合利用的中型水庫。庫區集雨面積為110.8 km2，最大庫容為8 094萬m3，灌溉面積為11.74萬畝，日供水量為4.48萬m3/d，負責2個鎮5萬居民的生活用水。水庫大壩原設計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為500年一遇，經1989年加固后水庫設計和校核洪水標準分別為100年一遇和1 000年一遇。水庫正常蓄水位為56.65 m，相應庫容為6 115萬m3；死水位為31.65 m，相應庫容為474萬m3；設計洪水位為60.78 m，對應庫容為7 573萬m3；校核洪水位為62.20 m，對應庫容為8 105萬m3。

水庫于1958年11月動工興建，1964年完工，由于歷史原因，工程一直帶病運行，2014年1月經安全鑒定為三類壩，急需對水庫主副壩、溢洪道、輸水隧洞等進行除險加固。現狀輸水隧洞主要擔負灌溉、泄洪、供水、發電任務，加固后功能保持不變，其控制措施由進口事故閘門及管道末端錐形閥控制，在運行過程中若需對隧洞進行檢修，則需停止供水，直接影響對福田鎮和石灣鎮5萬人的生活用水，為減小隧洞檢修對居民供水的影響，保證居民用水不會因為水庫隧洞檢修而中斷，本次水庫除險加固計劃新建檢修隧洞以滿足福田鎮和石灣鎮的供水保證率要求。

2 隧洞方案比選

2.1 技術比選

2.1.1選址選線

根據聯和水庫現場地形條件，初步擬定檢修隧洞位置。結合下游供水接駁、運行管理等要求，本次設計擬定洞址有兩處，分別位于主壩右岸和左岸，即現狀隧洞與主壩右岸之間山體內，洞長約153 m(即方案1)。主壩左岸與副壩之間的山體內，洞長約185 m(即方案2)，具體位置見圖1。從選址選線來看，方案1優于方案2。

圖1 檢修隧洞方案比較平面示意

2.1.2地質條件

方案1為大壩右側隧洞。隧洞進出口段成洞條件差，應進行開槽施工至穩定洞臉后方可進洞，并采取必要的支護措施；隧洞洞體段巖層為強、弱、微風化花崗巖，屬Ⅳ～Ⅱ類圍巖，洞體大部分地段Ⅳ、Ⅲ類圍巖，穩定性較差，應采取必要的支護措施。

方案2為大壩左側隧洞。隧洞進口、洞體段巖層為微風化花崗巖，屬Ⅱ類圍巖，基本穩定，圍巖整體穩定，不會產生塑性變形，局部可能產生掉塊；出口段巖層為強、弱風化花崗巖，屬Ⅳ～Ⅲ類圍巖，圍巖穩定性較差，應采取必要的支護措施。

從隧洞成洞地質條件來看，方案2優于方案1。

2.1.3結構方案

根據檢修隧洞供水需要，結合施工要求，初擬2 條洞線的隧洞均采用城門洞型[4]，成洞直徑為2 m，成洞后于圍巖間隔0.8 m梅花型布設Φ22錨桿，錨桿長2.5 m，并掛Φ8@200 mm鋼筋網，然后噴射0.1 m厚C25砼[11-13]。待砼達到齡期后隧洞內套壁厚14 mmΦ1.6 m鋼管，鋼管與隧洞之間用自密實細石混凝土回填，并對管壁進行回填灌漿[14]。在隧洞出口處，鋼管駁長為灌溉及供水管，并從鋼管分出2個Φ800和1個Φ1 000壓力鋼管，作為臨時灌溉和供水管，駁長壓力鋼管壁厚14 mm，臨時灌溉管出口設閘閥控制，供水管與現狀供水管連接并設閘閥控制。2 條洞線方案其永久管連接于現狀隧洞出口駁長鋼管段，由于隧洞長度不同，駁接鋼管長度不同。從結構方案來看，2 個方案基本相同。

2.1.4施工條件

方案1和方案2均采用鉆爆法[7-10]并用錨桿+掛網噴射C25砼[11-13]施工方案，但方案1隧洞長153.41 m，方案2隧洞長185.49 m，方案2施工工期更長。

方案1和方案2均需設置施工圍堰，經計算施工洪水位為42.20 m，方案1進口圍堰采用均質土石圍堰，圍堰長57.8 m，頂寬3.5 m，迎水坡坡比為1∶2.0，背水坡坡比為1∶1.5，圍堰基礎底高程為37.0 m。頂部高程為43.0 m，為保留足夠的庫容，圍堰頂加設500 mm高砂包圍堰。圍堰迎水側設置500 mm厚黏土防滲。方案2進口圍堰采用均質土石圍堰，圍堰長105.1 m，頂寬3.5 m，迎水坡坡比為1∶2.5，背水坡坡比為1∶1.5，圍堰基礎底高程為30 m。頂部高程為43.0 m，為保留足夠的庫容，圍堰頂加設500 mm高砂包圍堰。圍堰迎水側設置500 mm厚黏土防滲。方案1圍堰平均高約5 m，方案2圍堰平均高13 m，圍堰填筑為水中填土，方案2圍堰填筑高度較大，難以保證施工質量，可能存在安全隱患，因此從圍堰施工角度來看，方案1比方案2更優。

2.1.5運行管理

方案1隧洞后駁接管長40.57 m，位于山體后平地上，管線較短便于管道巡查、檢修。方案2隧洞后駁接管長458.03 m，需沿水庫進庫公路埋設，對建成后的巡查、檢修不利，且管道經過主壩壩腳，如出現爆管將直接影響水庫主壩的安全。因此從運行管理上來看，方案1更優。

2.2 生態比選

生態比選主要是對兩個隧洞工程方案的節能減排情況進行比較。對2個隧洞設計方案的水泥用量和鋼材用量進行統計，根據2個方案中水泥、鋼材用量，折算成對應所需消耗的標準煤，再根據每燃燒1 t標準煤產生的CO2排放量，分別計算出2 個方案的CO2排放量，從而就可以比較2個方案的節能減排情況，即可判斷2個隧洞方案的生態性。

據查相關資料，我國目前生產每1 t水泥需消耗約235 kg標準煤，而燃燒1 kg標準煤產生約2.5 kg 二氧化碳[15]。即1 t水泥消耗0.235 t標準煤，而燃燒1 t標準煤產生2.5 t CO2。則1 t水泥產生的CO2為：0.235×2.5=0.587 5 t。

根據2020年中國鋼鐵工業協會統計數據，我國2020年每噸鋼的平均能耗約為0.55 t標準煤，折算1 t標準煤約排放為2.66～2.72 t CO2。則生產1 t鋼產生的CO2：0.55×2.69=1.48 t。詳細比較見表1(水泥用量比較)及表2(鋼材用量比較)。

表1 檢修隧洞2個設計方案水泥用量(節能減排)比較

表2 檢修隧洞2個設計方案鋼材用量(節能減排)比較

從表1 、表2可知，方案1與方案2的CO2排放量分別為：261.64+357.41=619.05 t，264.36+678.00 =942.36 t。即方案2比方案1多排放CO2量323.31 t，因此，從節能減排(生態)方面比較，方案1優于方案2。

2.3 經濟比較

根據2個隧洞方案的結構設計成果，比較2個方案的工程造價(見表3)。由表3可知，方案1比方案2節省投資518.71萬元，方案1經濟上更合理。

表3 2個檢修隧洞方案造價比較

2.4 方案最終確定

從技術、節能減排(生態)和經濟3方面比較可知，方案1不僅技術可行，節能減排，而且經濟更合理，節約投資，因此本次設計采用方案1新建檢修隧洞。根據上述論述，對2 個隧洞方案進行最終綜合比較(見表4)。

表4 聯和水庫檢修隧洞方案綜合比較

3 隧洞設計計算

3.1 過流能力計算

新建隧洞進口高程為31.65 m，出口高程為22.92 m，總長為379 m，根據《水力計算手冊》[5]水工隧洞的水力計算部分，有壓隧洞過流能力按非淹沒有壓流計算，檢修隧洞過流能力計算成果見表5。

表5 檢修隧洞水位～流量

灌區設計流量與城鎮供水流量合計為11.58 m3/s，根據以上計算結果，水庫在正常水位41 m高程以上時，過流能力滿足灌溉及供水要求。

3.2 隧洞壓力鋼管結構計算

鋼管材料為Q235鋼，設計容許應力[σ]=145 MPa，彈性模量E=2.0×105MPa。按遭遇校核洪水工況計算鋼管結構。

1)鋼管壁厚計算

根據《水電站建筑物》[4]清華大學出版社的“鍋爐”公式，鋼管壁厚按下式計算：

(1)

式中：

γ——水容重，9.8 kN/m3；

H——校核洪水位作用水頭，27.16 m；

D——鋼管內徑，1.6 m；

[σ]——鋼材容許應力，145 MPa；

Φ——焊接系數，0.9；

d——裕度，2mm；

δ——鋼管壁厚，mm。

計算得，δ=3.63 mm。

根據《水工設計手冊》[2]第七卷，構造要求的鋼管壁厚按下式計算：

(2)

計算得，δ≥6 mm，因隧洞出口下游鋼管存在部分架空管段，根據《05s506—1自承式平直形架空鋼管》[6]及架空管段鋼管跨度，鋼管設計壁厚采用14 mm。

2)鋼管應力計算

計算內容為鋼管的膜應力計算及抵抗外力穩定計算。

① 應力復核

內水壓力：

P=γwHp=9.8×103×27.16=2.66×105N/m2。

徑向力：

N=PR內=2.66×105×0.8=2.13×105N/m。

膜應力：

σ=N/δ=2.13×105/(14×10-3)=15.2 MPa<[σ]。

② 抵抗外力穩定分析

管壁的臨界外壓：

Pcr=2E(δ/D0)3=2×2.0×105×(0.014/1.6)3=0.27 MPa>0.1 MPa。

③ 結論

鋼管膜應力小于鋼材允許值，鋼管抵抗外壓力大于0.1 MPa，應力滿足要求。

3.3 進水口穩定計算

檢修隧洞進水口為塔式進水口，建基面為新開挖弱風化花崗巖，基面高程為34.00 m，閘室底板高程為35.00 m，啟閉機室底板高程為63.50 m。進水口需進行穩定計算，計算內容包括基底應力計算、抗滑穩定、抗傾覆穩定和抗浮穩定計算。

3.3.1計算工況

工況①：水庫水位為正常蓄水位56.65 m；

工況②：完建未擋水；

工況③：水庫水位為校核洪水位62.16 m。

3.3.2荷載組合(見表6)

表6 穩定計算荷載組合

1)主要荷載

① 自重G1：進水口(底板+邊墻)；自重G2：進水口(頂板)；自重G3：排架柱、啟閉機室、閘門及啟閉機。

② 水重G4。

③ 靜水壓力P。

④ 揚壓力U。

⑤ 風壓力Wk。

經過計算，進水口抗滑、抗傾、抗浮及基底應力計算結果見表7～表10。

表7 隧洞進水口抗滑穩定計算成果 kN

表8 隧洞進水口抗傾覆穩定計算成果 kN·m

表9 隧洞進水口抗浮穩定計算成果 kN

表10 隧洞進水口基底應力計算成果 kPa

根據計算，進水口在各計算工況下抗滑、抗傾覆、抗浮穩定系數大于規范允許值；進水口在各計算工況下基底最大壓應力小于地基允許承載力，且未出現拉應力，滿足規范要求。

4 結語

本文根據聯和水庫現場地形條件，并結合下游供水接駁、運行管理等要求，對檢修隧洞的位置進行多方面的對比后，選擇了技術可靠、節能生態、經濟合理、切實可行的設計方案。同時對隧洞的過流能力和主要結構設計進行驗算，完全滿足設計目的和安全要求。檢修隧洞建成以來運行實踐表明，隧洞運行情況良好，達到了設計目的。新建檢修隧洞的設計思路和計算方法可為類似工程提供參考。