新建灌溉發電隧洞設計分析

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摘要：塘灣水庫壩下涵管結構強度低，內襯鋼板銹蝕，存在接縫漏水問題；豎井混凝土老化，木閘門腐爛磨損，螺桿啟閉機操作困難等問題。文章對壩下涵管原址拆除重建與新建灌溉發電隧洞兩種方案進行比選，從工程投資、施工安全以及大壩防滲等安全角度綜合考慮，最終選定新建灌溉發電隧洞方案，對原壩下灌溉發電涵管進行封堵。文章簡要介紹了新建灌溉發電隧洞的工程布置，并對其進行了結構復核計算，計算結果滿足相關規范規定。

關鍵詞：水庫除險加固工程；壩下輸水涵管；新建灌溉發電隧洞

１工程概況

塘灣水庫位于江西省貴溪市塘灣鎮賽前村，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、養殖、發電等綜合利用的中型水庫。樞紐工程主要建筑物包括：大壩、溢洪道、壩下涵管、電站及水庫灌區渠系建筑物等。塘灣水庫壩下輸水涵管位于右端壩下，原涵管為鋼筋混凝土圓形壓力管，管徑１．２ｍ，管壁厚０．２５ｍ，進口底板高程為９４．５ｍ，出口底板高程為９３．０ｍ，全長１７２．５ｍ。１９７５年塘灣水庫壩后電站建成，發電試機時，發現涵管嚴重漏水，并帶有大壩土料，即停止發電。１９７６年冬豎井后壩下涵管豎井后至尾部彎頭處鋼筋混凝土圓形壓力管內以８～１０ｍｍ厚鋼板內襯加固長８３．８ｍ，作為發電、灌溉取水用涵管，由豎井控制取水。鋼管與原鋼筋混凝土管之間采用回填灌漿，內襯后管道短時間運行較好，但１９９１年涵管再次出現漏水，經檢查襯砌鋼管的接縫處有４條裂縫，且鋼管與原涵管之間有空洞現象，同年冬，對涵管已開裂的焊縫重新焊接，并采用ＰＣＣ材料拌水泥進行灌漿處理，施工時將與涵管連接的發電管道拆除１０ｍ重新澆注。１９９９年冬又發現涵管漏水，至今未再做任何處理［１－４］。

２壩下涵管存在主要問題

２．１安全鑒定結論

壩下涵管豎井前段為鋼筋混凝土圓形壓力管；豎井后段為鋼筋混凝土圓形壓力管內襯鋼板，混凝土圓形壓力管老化、裂縫漏水，后段內襯鋼管回填灌漿不密實，鋼板銹蝕，接縫漏水。豎井混凝土老化，木閘門腐爛磨損，漏水嚴重，螺桿啟閉機人工操作困難。通過對壩下涵管的結構強度復核計算，壩下涵管結構強度不能滿足要求，壩下涵管結構安全性為Ｃ級。

２．２現場檢查及地勘發現問題

現場檢查時由于庫水位較高，水庫正供水發電，無法放空水庫，控制閘門為木閘門，木閘門陳舊磨損，閘門無法緊密關閉，漏水嚴重，出口閘閥無進人孔，人員無法入內檢查，根據管委會工作人員介紹與查閱相關資料，發現混凝土圓形壓力管老化、裂縫漏水，后段內襯鋼管回填灌漿不密實，鋼板銹蝕，接縫漏水。豎井混凝土老化，螺桿啟閉機人工操作困難。經勘察發現，涵管基礎均坐落于全風化花崗巖上，承載力滿足要求，基本不存在變形穩定問題。但由于使用年限已達５０年之久，存在混凝土圓形壓力管老化、裂縫漏水，后段內襯鋼管回填灌漿不密實，鋼板銹蝕，接縫漏水問題及安全隱患：還存在豎井混凝土老化，木閘門腐爛磨損，漏水嚴重，螺桿啟閉機人工操作困難問題及安全隱患：經前期勘察檢測豎井混凝土強度推定值為１１．４ＭＰａ，強度值偏低，出現混凝土老化現象，建議對其進行處理。

３壩下涵管加固設計方案比選

由于壩下涵管管身結構強度不滿足要求，采用高強砂漿修補提高不了結構強度，且難以保證效果；對涵管進行內襯鋼筋混凝土雖能滿足強度要求，但大大縮小了隧洞洞徑，改變了原有過流規模，且影響涵管檢修和發電站的正常使用，故本階段加固設計擬定以下兩種方案進行比較：方案一：原址拆除重建加固方案。對原涵管進行挖除重建，涵管總長１７２．５ｍ，斷面型式為鋼筋混凝土襯砌圓形涵管，內徑１．８ｍ，襯砌厚度０．４ｍ。拆除重建進口閘室及出水口，新設閘門及其啟閉設備。方案二：新開洞線方案。在壩肩新開一條洞線，隧洞總長１９５．６ｍ，斷面型式為鋼筋混凝土襯砌圓形隧洞，內徑１．８ｍ，襯砌厚度０．４ｍ。新建進口閘室及出水口，新設閘門及其啟閉設備，對原壩下灌溉發電涵管進行封堵處理，并進行回填灌漿。兩種方案比較情況見表１。從表１比較結果可知，方案二較方案一投資較小，同時方案一無施工導流設施，圍堰工程量較大，且涵管開挖邊坡高度達３０ｍ，不利于安全施工。另外壩下設涵管對大壩滲流安全留有隱患，因此本次加固處理采用方案二（新開隧洞方案）。由于右岸的溢洪道進口緊鄰大壩，大壩和溢洪道之間的山體較單薄，頂部及大壩側圍巖厚度受限制，成洞條件較差；如在溢洪道遠離大壩一側新建隧洞，洞線較長且需要穿越溢洪道，頂部圍巖厚度受限制；另新建隧洞布置在右岸對溢洪道行洪及以后運行管理都有影響。綜合以上因素，本次新建隧洞洞線布置于左岸壩肩山體。

４新建灌溉發電隧洞設計

新建發電灌溉隧洞由進水閘、進口漸變段、洞身段、出口漸變段、出口閥房組成。進水閘閘室長１０．８ｍ，閘墩厚１．５ｍ，閘墩頂高程為１２３．３ｍ，底板高程為９３．８ｍ。閘室布置檢修閘門、工作閘門各一道，工作閘門后設通氣進人孔。閘墩上部布置啟閉機房，閘墩頂設２．６ｍ寬的交通橋與大壩壩頂路面相接。隧洞采用鋼筋混凝土襯砌，內徑１．８ｍ，襯砌厚０．４ｍ，隧洞總長１９５．６ｍ，隧洞縱坡０．４２％。隧洞０＋０００．０～隧洞０＋００６．０ｍ為進口漸變段，隧洞０＋００６．０～隧洞０＋０５２．７ｍ為直線段，隧洞０＋０５２．７ｍ～隧洞０＋１１９．３ｍ為平彎段，轉彎半徑６０．３ｍ，轉角６３．２９°，弧長６６．６ｍ；隧洞０＋１１９．３～０＋１８９．６ｍ段為直線段，隧洞０＋１８９．６～隧洞０＋１９５．６ｍ為出口漸變段。隧洞全線進行回填及固結灌漿，回填灌漿為全線布置于隧洞頂拱１２０°范圍內，固結灌漿沿軸線方向間距為３ｍ，每個斷面設６個固結灌漿孔，夾角為６０°，孔深３．０ｍ。考慮到庫水的侵蝕性，隧洞各部位混凝土采用低堿性水泥或摻粉煤灰拌制，混凝土強度等級為Ｃ２５。考慮到隧洞進、出口明挖段邊坡較高且陡，本次設計對隧洞進出口開挖邊坡進行適當襯護，襯護采用１０ｃｍ厚掛網噴Ｃ２０混凝土，坡面設排水孔，頂部和側邊設置排水溝。由于隧洞洞線改線，隧洞出口在大壩左岸，為不影響發電廠房的發電效率，將發電廠房挪至左岸壩腳，新建長１３．０ｍ，寬１１．０ｍ的集水池和凈寬３．６ｍ、長６０．０ｍ的渡槽（共６節，每節１０．０ｍ）將發電尾水和灌溉用水引入原集水池。為控制和調配流量，拆除重建干渠渠首分水閘及放空分水閘。干渠渠首分水閘底板高程９２．２５ｍ，孔寬２．５ｍ；東干渠渠首分水閘底板高程９２．２５ｍ，孔寬２．２ｍ。灌溉干渠一條，長０．７５ｋｍ，引用流量２．７ｍ３／ｓ，現狀為襯砌，渠底寬２．５～４．０ｍ，渠高１．５～４．８ｍ，本次設計采用梯形斷面，邊坡１∶２，采用Ｃ２５混凝土護底和護坡，護底厚０．３０ｍ，護坡厚０．１５ｍ，每１０ｍ分縫，并設止水銅片止水，聚乙烯閉孔泡沫板填縫，渠底寬度不小于４ｍ。

５隧洞結構計算

灌溉隧洞內徑１．８ｍ，壁厚０．４０ｍ，總長１９５．６ｍ，進水口底板高程９３．８ｍ。根據地勘資料，樁號０＋０００～０＋０１４段為強～弱上風化花崗巖，地質構造較簡單，上部有效圍巖較薄，洞頂穩定性較差，洞室圍巖屬Ⅴ類圍巖，施工開挖需考慮必要的剛性支護措施，樁號０＋０１４～０＋０３１及樁號段為加里東期（ｒ３３）花崗巖，部分為變質砂巖捕俘體，樁號０＋０５３～０＋０７０ｍ及樁號０＋１４９～０＋１８９．６０洞室圍巖呈弱下風化狀，洞頂穩定性較差，洞室圍巖屬Ⅲ～Ⅳ圍巖，不穩定；樁號０＋０７０～０＋１４９洞室圍巖呈微風化狀，圍巖較堅硬完整，圍巖工程地質分類屬Ⅱ～Ⅲ類，以Ⅲ類為主，邊坡穩定性較好，受ＮＷ／ＳＷ（ＮＥ）節理切割影響，局部穩定性較差。襯砌混凝土強度等級采用Ｃ２５混凝土，隧洞襯砌混凝土厚度４０ｃｍ，采用雙層配筋，保護層厚度５ｃｍ。本次對隧洞結構強度及限裂進行計算，荷載計算主要考慮圍巖壓力、襯砌自重、靜水壓力及灌漿壓力等。根據灌溉隧洞不同運行條件，結構計算考慮施工期，校核洪水位及空管檢修等不同荷載組合情況，荷載組合見表2.經計算，各工況下隧洞洞壁內力值見表３。通過計算，隧洞內側最大配筋值為６４２ｍｍ２，外側配筋值為４７１ｍｍ２；擬采用內外側對稱配筋為Φ１４＠２００（Ａｇ′＝７７０ｍｍ２）。根據《水工混凝土結構設計規范》（ＳＬ／Ｔ１９１—２００８）對隧洞襯砌結構進行抗裂計算。經計算，混凝土最大拉應力Ｎｌ＝８６．１ｋＮ＜（ａｃｔγｍｆｔｋＡ０Ｗ０）／（ｅ０Ａ０＋γｍＷ０）＝３６３．５ｋＮ，鋼筋混凝土襯砌抗裂已滿足規范要求。

６結語

水庫除險加固工程中對壩下涵管的加固設計一直是類似工程中需要解決的重點難點，尤其是運行多年的壩下涵管，存在諸多隱患，如若對其進行原址拆除重建，將會引發高邊坡穩定以及大壩滲流穩定等安全隱患，在易址新建隧洞投資不是很大的情況，選擇新建隧洞方案則不會有上述安全隱患。塘灣水庫壩下涵管加固選擇封堵原壩下涵管，易址新建灌溉發電隧洞設計方案，該方案成功地解決了水庫除險加固工程中壩下涵管加固設計的難題，具有一定的參考借鑒價值。

參考文獻：

［１］任佳．紫云山水庫灌溉發電隧洞加固設計方案探析［Ｊ］．黑龍江水利科技，２０２１，４９（１０）：１３０－１３２．

［２］范春雷．水庫除險加固工程中新建輸水隧洞設計綜述［Ｊ］．黑龍江水利科技，２０２１，４９（１２）：６５－６８．

［３］易松德．飛劍潭水庫泄洪隧洞除險整治方案研究［Ｊ］．水利科學與寒區工程，２０２１，４（５）：１３７－１４０．

［４］邱海娟．梁河水庫泄洪洞模型試驗及設計優化［Ｊ］．陜西水利，２０２１（５）：７－９.

作者：曾小波 熊一民 單位：鷹潭市河湖管理保護綜合行政執法支隊