观音山水库输水系统安全复核及加固设计研究

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(江西省水利规划设计院， 南昌 330029)

1 工程概况

观音山水库位于江西省宜黄县东陂镇层源村，距县城约40km，为抚河支流宜黄水支流黄水上七个梯级中的第一级。坝址以上控制流域面积155.6km2，水库正常蓄水位220m，水库总库容8812万m3，灌溉面积2113.33hm2，总装机5.4MW，是一座具有防洪、灌溉、发电、养殖等综合效益的中型水库。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252—2000)及《防洪标准》(GB 50201—94)[1]，确定工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型；永久性主要建筑物为3级，永久性次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。

2 输水系统现状

输水系统布置在左岸山体中，由塔式进水口、输水隧洞及岔管等组成。塔式进水口设有拦污栅、检修门和事故门，总长12m，底板高程183.70m。检修门和事故门孔口尺寸均为2.6m×2.6m。进水口布置有通气孔兼进人孔，断面尺寸为2.6m×0.8m。塔顶高程为223.10m，上设启闭机排架，启闭机平台高程为228.60m。进水口采用钢筋混凝土结构。

输水隧洞全长327.35m，由渐变段、水平段、斜弯段及出口段等组成，主洞洞径为2.6m。隧洞出口段与岔管段相连接，共分三条岔管，管径1.25m。隧洞进口中心线高程为185.00m，出口中心线高程为166.72m。输水隧洞出口段、岔管段均采用钢筋混凝土与钢板组合式衬砌，其余采用钢筋混凝土衬砌。部分工程地质条件较差的洞段进行了回填及固结灌浆处理；固结灌浆孔孔距及孔深均为4～5m。输水系统存在的主要问题如下：

a.在闸门启闭时，输水系统进水口排架柱振动变形较大；经复核，进水口排架柱结构强度不满足要求。进口八字墙混凝土存在蜂窝麻面、孔洞及露筋现象。爬梯及栏杆锈蚀。隧洞衬砌混凝土局部质量较差，多处出现蜂窝及漏水，后用PCC砂浆进行修补处理。进水口边坡岩体破碎，稳定性差[2]。

b.输水系统进水口事故闸门卡阻无法启闭到位，使得隧洞和发电机组设备不能进行检查和维护；启闭设备锈蚀损坏，无法启闭闸门；经复核，事故闸门面板、主梁、次梁的强度不满足规范要求。检修闸门无启闭设备，闸门及启闭拉杆锈蚀严重。拦污栅无启闭及清污设备。进水口无启闭闸房。

3 输水系统的安全复核

3.1 输水隧洞过流能力复核

3.1.1 水头损失计算

输水隧洞全长327.35m，进口底高程183.70m；主洞洞径2.6m，为钢筋混凝土圆形结构。钢板衬砌糙率取n=0.012，钢筋混凝土衬砌糙率取n=0.014。输水隧洞水头损失计算结果见表1。

表1 水头损失计算结果

3.1.2 过流能力复核

输水隧洞过流能力按有压管自由出流公式计算，流量系数μc=0.444。隧洞流量—库水位关系计算结果见表2。

表2隧洞流量—库水位关系

库水位/m185190195200205流量/(m3/s)10.1411.4812.6913.7914.82库水位/m210.0215.0220.0222.04流量/(m3/s)15.7616.6617.5117.89

表2表明：正常蓄水位(220m)时隧洞过流流量17.89m3/s，满足设计流量14.22m3/s的要求。

3.2 输水隧洞结构安全复核

3.2.1 基本资料

输水隧洞采用全断面钢混凝土衬砌，内径2.6m，衬护混凝土抗压强度为1500～2500N/cm2，衬砌厚度为0.3～0.4m。据相关资料，I级钢筋的弹性模量Eg=2.1×105N/mm2，钢筋的抗拉强度设计值Rg=210N/mm2；抗压强度1500N/cm2混凝土的弹性模量Eh=2.2×104N/mm2，抗压强度2000N/cm2混凝土的弹性模量Eh=2.55×104N/mm2，抗压强度2500N/cm2混凝土的弹性模量Eh=2.8×104N/mm2，混凝土泊松比μh=0.167。根据地质勘察报告提供的资料，隧洞除局部范围围岩稳定性较差属Ⅲ类外，绝大部分洞段属Ⅱ类围岩，隧洞围岩稳定条件较好。

3.2.2 计算工况及荷载组合

考虑以下两种计算工况及相应荷载组合：

a.工况一：正常运用情况(蓄水位220m)。荷载组合为：山岩压力+衬砌自重+内水压力+外水压力+弹性抗力。正常运用情况下，内水压力占优势。运用《水工隧洞设计规范》(SL 279—2002)推荐公式进行计算，外水压力折减系数取小值。

b.工况二：检修情况。荷载组合为：山岩压力+衬砌自重+外水压力+弹性抗力。在检修工况下，内水压力为零，外水压力占优势，运用边值法进行结构内力计算。

3.2.3 计算断面及参数

根据输水隧洞围岩情况，选取各种工况下不利断面进行结构复核计算，结果见表3。

表3输水隧洞计算断面及有关参数

岩 性花 岗 岩桩 号0～2525～6868～152152～182182～199199～275275～327断面类型甲甲乙、丙丁丙丁戊内水压力/m37.5837.5855.5155.5155.8655.8655.86fk3～44～56～83～46～85～63～4k0/(MPa/cm)15～2020～3040～5015～2540～5030～4015～25

注：fk为岩体坚固性系数；k0为岩石单位抗力系数

3.2.4 隧洞实际配筋及衬砌厚度

隧洞实际配筋量及衬砌厚度见表4，配筋形式见右图。

表4输水隧洞实际配筋及衬砌厚度

断面类型衬砌厚度t/mm实际配筋甲30016@150乙40016@95丙40016@125丁40016@100戊40016@85

3.2.5 计算成果及分析

采用“水工隧洞钢筋混凝土衬砌计算机辅助设计系统 SDCAD4.0”程序计算。输水隧洞配筋计算成果见表5。

输水隧洞配筋图

表5输水隧洞计算成果

工 况衬砌类型衬砌厚度/mm配 筋裂 缝 宽 度 /mm计算钢筋实配钢筋计算值规范值运行期检修期甲30016@15016@1500.230.2530012@20016@15000.25运行期检修期乙40016@9516@950.150.2540012@14316@9500.25运行期检修期丙40016@12516@1250.190.2540012@14316@12500.25运行期检修期丁40016@10016@1000.220.2540012@14316@10000.25运行期检修期戊40016@8516@850.190.2540012@14316@8500.25

表5表明：隧洞配筋为双层配筋，满足结构强度要求，裂缝开展宽度满足规范要求。

3.3 进水口结构安全复核

3.3.1 基本资料

塔式进水口设有拦污栅、检修门和工作门；进水口长12m，进水口底板高程为183.70m，检修门和工作门孔口尺寸均为2.6m×2.6m，进水口塔中布置有通气孔兼进人孔，断面尺寸为2.6m×0.8m，塔顶高程为223.10m，设启闭机排架和闸房，启闭机平台高程为228.60m。

3.3.2 结构计算及成果分析

3.4 复核结论

经复核计算，隧洞过流能力满足设计引用流量要求；隧洞满足结构强度要求，裂缝开展宽度满足规范要求；进水口排架柱结构强度不满足要求。

4 结 语

根据复核结论，需对水库输水系统的进水口、隧洞、进水口边坡等部位进行除险加固处理，使水库达到设计防洪标准，确保水库安全稳定运行，增加供水效益。

a.进水口除险加固。对进水口启闭工作桥进行拆除重建，包括增设启闭闸房；更换爬梯及栏杆；对进口八字墙等部位有缺陷的混凝土表面，先凿除已损坏的混凝土，再采用环氧砂浆进行抹面修补处理。

b.隧洞除险加固。对隧洞有缺陷的混凝土表面，先凿除已损坏的混凝土，再采用环氧砂浆进行抹面修补处理；对地质条件相对较差、隧洞存在渗漏现象的洞段进行固结灌浆处理，灌浆孔深5m，排距4m(沿洞线方向)，每排布置8个孔。并对相应洞段进行回填灌浆处理，灌浆范围为顶拱120°，灌浆孔深入围岩0.1m，排距2.0m，每排布置3个孔。

c.进水口边坡除险加固。进水口边坡采用锚喷措施进行防护处理。坡面喷C20混凝土，厚15cm；钢筋网采用φ8@200，单层布置；锚杆直径φ25mm，深入岩石4m，间排距2.5m，梅花形布置；在死水位196m以上水位变幅区设排水孔，采用孔径80mm的PVC花管，孔排距2m，梅花形布置，孔深4m。

作为观音山水库重要建筑物之一的输水洞除险加固后，过流能力及结构满足要求，整体运行状况良好，不仅充分发挥了水库正常的拦蓄、防洪、发电、养殖等作用，同时切实保证了下游2113.33hm2耕地的灌溉用水,减免了干旱的危害，确保了下游广大人民群众的生命财产安全。

[1] 李春风.浅析中坝水库输水隧洞除险加固工程[J].水利科技与经济,2006,12(8):560-561.

[2] 卢昆生,向金宝.石灰窑水库输水隧洞加固工程设计的改进[J].中国水利,2010(18):26-27.