菩萨庙水库输水隧洞除险加固设计

宋晓明

（辽宁省凌源市水务局，辽宁凌源122500）

菩萨庙水库输水隧洞除险加固设计

宋晓明

（辽宁省凌源市水务局，辽宁凌源122500）

本文结合菩萨庙水库输水隧洞存在的问题及水库加固的需要，分析了输水隧洞加固的必要性，计算了输水隧洞衬砌在各种荷载共同作用下的弯矩和轴向力，对输水隧洞钢筋和混凝土的强度进行校核计算，验证了输水隧洞进口横断面加固设计是合适的，为其它输水隧洞除险加固设计提供了参考。

水库；输水隧洞；除险加固；校核

1 前言

菩萨庙水库位于辽宁省大凌河上游，水库始建于1958年，以防洪、农业灌溉为主，兼顾养鱼、发电等。菩萨庙水库输水隧洞工程于1971年建成，1972年开始运用，为钢筋混凝土圆形有压隧洞。洞内直径1.2m，全长146m，其中主洞126m，发电支洞20m。隧洞进口高程391.154m，出口高程390.954m，比降为1.6‰，最大输水能力为9m3/s。距洞进口20m处为竖井式闸门井，井内安装1.8m×1.2m定轮平板钢闸门，并在进口处设有拦污栅一组。

由于该水库输水隧洞在设计和施工中存在一些问题，因此该隧洞进口处的安全性能较差。本文通过深入分析原设计方案，指出了该输水隧洞存在的问题，并对该隧洞工程进行除险加固研究。

2 除险加固必要性分析

菩萨庙水库大坝上游坡391.454m以上部分干砌石块直径较小，厚度不够，且块石多为片石。由于上游水位波动较大，冬季产生冰冻破坏严重。本次设计从391.454m高程以上拆除原有干砌石，重新铺设40c m厚的新干砌石。但是大坝上游施工时，需要通过输水隧洞将库水放空。溢洪道边墙施工阶段，也需要输水隧洞进行施工导流。由此可见，输水隧洞在水库施工中承担着重要任务，对输水隧洞除险加固研究十分必要。

输水隧洞已运行33年，对其进行安全评估后发现存在以下问题［-2］：

（1）进口检修闸门年久失修。闸门框磨损、变形且严重漏水，启闭设备老化，已不能使用。拦污栅与闸门框锈蚀磨损，行走支撑部位安装误差大。

（2）输水隧洞内有80m未衬砌。洞进口岩石直立，输水洞洞口未按规范设计施工，有岩石堆积物，内部有塌方堵塞隧洞，出口岩体渗漏严重。

（3）出口工作闸阀已运行多年，年久失修，闸门已不能启闭，失去正常工作能力。

（4）进口闸门与出口闸阀工作室为1971年所建，存在较大安全隐患。

3 隧洞衬砌加固计算

输水隧洞全长146m，其中支洞20m，未衬砌段80m，洞内直径DB=1.2m，隧洞闸门进口段净宽1.2m，高1.8m。隧洞岩石为灰岩，岩石单位弹性抗力系数K0=30N/m m2，坚固系数f=4，干容重γ干=28kN/m3，岩石浮容重γ浮=15kN/m3，泊松比μ=0.25。衬砌形式为钢筋混凝土结构，钢筋混凝土容重γ=25kN/m3。混凝土标号C 20，弯曲受压强度Ru=14N/m m2，中心受压强度Rnp= 11.5N/m m2，中心受拉强度RL=1.3N/m m2，弯曲受拉强度Rf=1.6N/m m2，混凝土侧膨胀系数μ= 0.167。混凝土弹性模量Eh=2.6×104N/m m2。校核计算时的抗裂安全系数为1.25，钢筋抗拉系数为1.8，钢筋为Ⅱ级钢，σg=310N/m m2，钢筋弹性模量Ea=2.0×105N/m m2。

隧洞设计洪水位408.407m，最高洪水位410.233m，洞进口高程391.154m，出口高程390.954m。正常高水位时的隧洞高程差为17.853m，最高洪水位时的隧洞高程差为19.679m。根据隧洞构造要求，衬砌厚度取40c m。

随后，根据各项基本参数计算各种荷载共同作用下的弯矩和轴向力。

山岩压力［3］：

沿衬砌轴线每米长度自重［4］：

因内水压力和外水压力作用方向相反，故按两种情况进行荷载组合：（1）山岩压力（干容重）+自重+内水压力；（2）山岩压力（浮容重）+自重+外水压力。两种载荷组合的弯矩和轴向力计算结果见表1和表2。

在组合（1）中，取φ=π/2和φ=π两种情况。因该两种情况时，M、N综合考虑较大，取保护层为70m m。

e0

属于小偏心受拉情况。此时的受拉钢筋面积为：

受压钢筋面积为：

当φ=π时：

属于小偏心受拉情况。此时的受拉钢筋面积为：

表1 组合（1）弯矩和轴向力计算结果

表2 组合（2）弯矩和轴向力计算结果

受压钢筋面积为：

同理计算出组合（2）的φ=π时受压钢筋面积，发现其均小于0。第二种组合不需要配筋，故按第一种组合情况做配筋选择。受拉（内圈）Fa= 273m m2，按构造选择主筋直径为10m m，间距200m m。受压（外圈）F′a=251m m2，主筋参数同上。

输水洞进口设计横断面为矩形，纵断面为1/4椭圆，椭圆公式为x2/102+y2/62=1。其断面由大变小，由于菩萨庙水库输水洞进口里面已经衬砌，本次只考虑洞脸的设计，开挖后对洞口岩体进行加固，采用混凝土锚喷的方式。

4 强度校核计算

按组合（1）的φ=π/2时进行混凝土强度校核。已知：M=0.497kN·m，N=-90.305kN，衬砌厚度h=0.40m，对小偏心受拉构件，混凝土衬砌中心应力计算式为［5-］：

式中：m为折算系数，取1.54；XT为折算断面形心至受压边缘的距离（m）；Fnp为折算断面面积（m2）；Jnp为对折算断面形心的惯性矩（m4）。经计算，混凝土衬砌中心应力为360.74kN/m2，校核应力为1601.6kN/m2，满足混凝土强度要求。

假设混凝土出现裂缝，不再承担荷载，考虑主要荷载即均匀内水压力作用产生的应力按照钢筋与

T V 672

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1672-2469（2015）06-0094-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.06.032

宋晓明（1970年—），男，工程师。