天生桥水库输水隧洞安全复核及除险加固设计

杨 武，谭剑波(.贵州黔水工程监理有限责任公司，贵州 贵阳 55000；.杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 700)

天生桥水库输水隧洞安全复核及除险加固设计

杨 武1，谭剑波2
(1.贵州黔水工程监理有限责任公司，贵州 贵阳 550002；2.杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100)

针对天生桥水库输水隧洞存在的建设质量差，边坡稳定性差、易形成高陡边坡等安全质量问题，经现场踏勘结合原设计资料及现行规范标准，对进水口和隧洞体结构强度进行了安全复核.经水力计算、衬砌支护结构配筋及裂缝开展宽度计算等论证分析，结果表明隧洞过流能力和结构强度能够满足规范要求.设计采用边坡锚固支护、拆除重建、回填固结灌浆等方案，输水隧洞整体性、完善性得到有效加固修复.

天生桥水库；输水隧洞；安全复核；除险加固

1 工程概况

天生桥水利水电枢纽工程位于贵州省安龙县珠江流域西江水系上游，是一座以城市防洪和农业灌溉为主，兼顾发电、养殖和生态旅游等功能的综合性水利工程，其坝址以上控制流域面积211.7 km2，正常蓄水位675.50 m，死水位651.50，水库总库容为1.25×108m3，坝顶高程682.50 m，灌溉面积3 100 ha，总装机12 MW.根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2000)及《防洪标准》(GB50201—2014)[1],水库库容鉴于1.0×108～10×108m3之间，为大(2)型水库，工程等别为Ⅲ等.

2 水库输水方案及运行现状

根据天生桥水库枢纽布置，输水系统布置在右岸山体中，设计方案为：岸塔式进水口+输水隧洞+发电引水岔管等组成.其中：岸塔式进水口总长15 m，底板高程为638.20 m，设置拦污栅、工作门和检修门等金属结构.工作门和检修门其孔口尺寸均为3.0 m(宽)×4.0 m(高)，检修门采用叠梁门，工作门采用双吊点钢闸门.进水口处设通气孔兼检修进人孔，断面尺寸为4.0 m×1.2 m.进水塔塔顶高程为678.80 m，塔顶设置启闭机排架，操控平台高程为684.30 m.

天生桥水库输水隧洞采用钻爆法开挖，全长656.50 m，进口中心高程640.50 m，出口中心线高程622.25 m，隧洞引水高差18.25 m.主洞开挖洞径为3.4 m，衬砌支护后净洞径为2.8 m.隧洞出口段与发电引水岔管相连，三台机共设置三条发电引水岔管，管径1.50 m.整个输水系统均采用钢筋混凝土进行衬砌支护，部分地质条件较差洞段还采取回填及固结灌浆加固处理.工程于2002年投入运行，投运初期整体运行状况良好，经过10余年运行，输水系统暴露出较多安全质量问题，主要表现在以下两个方面：

(1)在闸门启闭过程中，进水口塔顶上方排架柱振动较大、变形较为严重.经结构安全复核，进水口排架柱结构强度达不到规范允许安全系数，不能满足安全运行要求.进水口边坡加固性能不佳，岩体较破碎，整体稳定性较差.进水口八字墙钢筋混凝土外观存在严重的蜂窝麻面、孔洞及露筋等问题.进人孔爬梯、启闭机操控平台护栏等结构锈蚀严重.输水隧洞主体衬砌支护混凝土局部质量较差，蜂窝、裂隙、空洞及渗水等部位较多，虽经多次PCC砂浆修补处理，但整体防护效果不佳.

(2)进水口处工作闸门卡阻无法正常启闭到位，检修门槽锈蚀严重，使得整个输水系统不能进行相应的定期检查和养护；启闭设备性能严重降低，无法正常启闭闸门，且控制手段严重滞后.经金属结构安全复核，工作闸门面板、主梁、次梁的承载力均不满足规范要求.

3 水库输水系统安全复核

3.1 隧洞过流能力复核

(1)水头损失计算

天生桥水库输水隧洞全长为656.50 m，进口中心高程640.50 m，引水高差18.25 m.主洞衬砌支护后净洞径2.8 m，为钢筋混凝土圆型结构.不同洞段洞身采用钢板或钢筋混凝土衬砌，其糙率分别取n1=0.012，n2=0.014.采用均匀流摩阻及曼宁公式计算隧洞沿程水头损失，成果为：输水隧洞沿程水头损失0.861 2 m，局部水头损失0.947 1 m，总水头损失1.808 3 m.

(2)过流能力复核

由于输水隧洞出口段直接与发电引水岔管相连，设计引水流量为15.35 m3/s.按有压简单管道自由出流进行过流能力计算，流量系数=0.444.计算得输水隧洞流量与库水位间的关系成果(见表1).

表1 输水隧洞流量与库水位间的关系成果

库水位/m640.5645.5650.5655.5660.5665.5670.5675.5677.7流量/(m3/s)9.6811.0212.2313.3314.3615.316.217.0817.43

从表1可知：正常蓄水位(675.5 m)时，输水隧洞的过流流量为17.08 m3/s，能够满足设计流量15.35 m3/s的过流需求.

3.2 输水隧洞结构安全复核

(1)基本参数

为了简化计算，隧洞按全断面钢筋混凝土衬砌结构进行分析，衬砌支护后净洞径2.8 m，洞身不同部位衬砌混凝土强度等级对应现在混凝土标号为C15或C20，衬砌厚0.4 m.根据《水工混凝土钢筋施工规范》(DL/T5169—2002)[2]和《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)，I级HPB300钢筋弹性模量Es=2.1×105N/mm2，抗拉强度设计值fy=210 N/mm2；根据《水工混凝土施工规范》(SL677—2014)和《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)[3]，C15混凝土弹性模量Ec=2.2×104N/mm2，C20混凝土弹性模量Ec=2.55×104N/mm2，泊松比Vc=0.167.隧洞以Ⅰ类和Ⅱ类围岩为主，局部存在条件较差Ⅲ类围岩.

(2)计算工况及荷载基本组合

隧洞已建成投运，按正常运行工况(正常蓄水位675.50 m)和检修养护工况进行计算，即：①正常运行工况，其荷载基本组合为：山岩压力+衬砌自重+内水压力+外水压力+弹性抗力[4].②检修养护工况，其荷载基本组合为：山岩压力+衬砌自重+外水压力+弹性抗力.

(3)洞身断面参数

输水隧洞其围岩以花岗岩为主，根据断面围岩情况分为甲～戊共5种典型断面，按正常运行工况和检修养护工况进行结构安全稳定性复核计算，5种典型断面基本参数(见表2).

(4)隧洞配筋及支护衬砌参数

根据原设计文件和竣工图等资料，输水隧洞采用内外双层钢筋混凝土支护结构，衬砌支护后净洞径为2.8 m，其隧洞典型横断面配筋(见图1).5种典型断面配筋均采用Φ16钢筋，其衬砌厚度及钢筋间距(见表3).

(5)安全复核成果

采用水工隧洞混凝土软件包中的“混凝土衬砌计算模块”，将工程特性参数输入后，获得输水隧洞安全复核成果(见表4).

表2 洞身典型断面计算参数

地质岩性花岗岩桩号0～5050～135135～305305～365365～400400～550550～656断面类型甲乙乙、丙戊丙丁戊内水压力/m37.5837.5855.5155.5155.5155.8655.86fk3～44～56～83～46～85～63～4k0/(MPa/cm)15～2020～3040～5015～2540～5030～4015～25

注：fk为岩石的坚固系数；k0为岩石弹性抗力系数

图1 输水隧洞典型断面配筋

断面类型衬砌厚度t/mm钢筋间距(A)甲350@150乙350@125丙450@110丁450@110戊450@90

表4 输水隧洞计算成果表

工况衬砌类型衬砌厚度/mm配筋计算钢筋实配钢筋裂缝宽度/mm计算值规范值正常运行期检修养护期甲350ϕ16@150ϕ16@1500.190.25350ϕ10@200ϕ16@15000.25正常运行期检修养护期乙350ϕ16@131ϕ16@1250.110.25350ϕ10@131ϕ16@12500.25正常运行期检修养护期丙450ϕ16@115ϕ16@1100.170.25450ϕ10@123ϕ16@11000.25正常运行期检修养护期丁450ϕ16@115ϕ16@1100.210.25450ϕ10@123ϕ16@11000.25正常运行期检修养护期戊450ϕ16@96ϕ16@900.200.25450ϕ10@123ϕ16@9000.25

从表4可知，隧洞双层配筋结构中的实际配筋密度比计算配筋大，满足钢筋混凝土衬砌支护结构的强度要求，且裂缝开展宽度计算值均在规范允许指标范围内.

3.3 进水口排架结构安全复核

(1)基本参数

引水发电进水口原设计采用岸塔式进水口，总长15 m，底板高程为638.20 m.闸门启闭排架柱，其断面尺寸为0.3 m(宽)×0.3 m(深)×5.5 m(高)，C20钢筋混凝土，对称均匀配筋，2Φ16受力钢筋.排架上主梁断面尺寸为0.3 m(宽)×0.55 m(高)×5 m(长)，C20钢筋混凝土，1Φ16+2Φ22对称均匀配筋.

(2)结构计算及成果分析

从现场测量数据可知，排架柱尺寸由于当时施工放样、质量监控不到位等导致尺寸偏小，现状断面尺寸为0.27 m(宽)×0.27 m(深)×5.5 m(高).配筋依据《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)、《水工混凝土结构设计规范》(SL191—2008)[5-6]等推荐公式进行计算,得排架柱所受弯矩M=82.26 kN·m，相应其轴力N=142.80 kN.经计算梁的纵向受拉钢筋As=595 mm2，而排架柱现状实际受力钢筋为2Φ16(As=402 mm2)，钢筋横截面积达不到规范指标要求，结构强度不满足设计要求.

4 输水隧洞除险加固设计

天生桥水库输水隧洞进水口排架柱，由于其现状尺寸比原设计尺寸小，结构强度不能满足规范要求.虽然隧洞整体结构强度满足要求，但由于进水口边坡和局部洞段存在混凝土质量问题，不能保障正常引水发电需求，需采取相应的除险加固措施，提高水库防洪标准和引水效率，确保水库高效稳定运行.

(1)进水口边坡除险加固设计方案：针对进水口边坡存在块体塌滑，上部边坡出现蠕变及裂缝问题，设计采用锚喷措施进行加固处理，即：首先在进水口边坡坡面喷一层厚15 cm的C20混凝土，然后铺设一层φ8@200钢筋防护网，用φ25锚杆锚入岩石进行加固.锚杆入岩深4 m，间距2.5 m，梅花型均布；在死水位651.50 m高程以上水位变幅区布设PVC花管作为排水孔，孔深4 m，孔径80 mm，孔距2 m，梅花型均布.

(2)进水口除险加固设计方案：对不满足结构强度要求的排架柱及启闭机室进行拆除重建，新排架柱断面尺寸为0.35 m(宽)×0.60 m(高)×5 m(长)；更换进人口爬梯及各类安全防护栏；对进水口八字墙等部位存在外观弊病的混凝土，通过凿除质量缺陷表面混凝土，并采用环氧砂浆抹面进行加固修补，恢复进水口的完整性.

(3)输水隧洞除险加固设计方案.对洞身存在外观弊病的混凝土，其修复同进水口缺陷混凝土处理方案.对局部由于地质条件相对较差的Ⅲ类围岩洞段，先采用回填灌浆将围岩顶拱150°空洞填实，孔深0.2 m，孔距2.5 m，每排6孔均布.同时，为增强洞身防渗性能，提高输水效率，采用固结灌浆[7]，灌浆孔深5 m，采用风钻钻孔，孔距4.0 m，每排12孔均布.

5 结 论

天生桥水库输水系统由于地形地质条件较复杂、施工质量监控不到位等原因，加上10余年运行，出现进水口边坡块体塌滑、进水口排架柱振动变形、表面混凝土质量缺陷等问题，系统整体稳定性和结构强度均较差.为确保水库具有较高安全性，提高输水效率，对进水口排架柱、输水隧洞的结构强度进行了安全复核，并提出相应的除险加固方案.

(1)安全复核成果表明，隧洞过流能力、隧洞结构强度和裂缝开展宽度均能满足设计引流能力和规范技术指标要求.进水口排架柱受力钢筋横截面积达不到规范指标要求.

(2)结合安全复核结果，针对不同质量安全问题，采取不同的加固修复措施，即：进水口边坡塌滑采用锚喷措施进行加固处理；进水口排架采取拆除重建加固处理；进水口及洞身现存的外观弊病表面混凝土，采取表面凿除，环氧砂浆抹面的加固修补方案.

(3)采取合理的边坡锚固支护、深挖回填、固结灌浆等除险加固修复处理，输水隧洞整体性、完善性均得到大大提高.从2013年修复竣工后，历经两年大流量洪水考验，工程整体运行状况良好.

[1] 刘 斌,赵 明,张丽清.钢筋连接技术在孟良河倒虹吸工程中的应用[J].水科学与工程技术,2008(4):23-25.

[2] 张 丹,李 伟.遵义下坝水库取放水隧洞建筑物优化设计[J].浙江水利水电学院学报,2016,28(1):32-36.

[3] 白炳书,居星辉,殷水花,等.山塘除险加固的坝体加固方案探讨——以泗安镇工农山塘为例[J].浙江水利水电专科学校学报,2011,23(3):1-3.

[4] 张 磊,房 刚.新疆下坂地水利枢纽泄洪洞结构设计[J].陕西水利,2015(5):104-105.

[5] 郑蔓丽,邓 健.黄沙水库除险加固设计浅析和体会[J].甘肃水利水电技术,2009,45(5):41-44.

[6] 梁敏慧.长潭水库除险加固工程建筑物安全后评价[J].浙江水利水电专科学校学报,2013(2):23-26.

[7] 郭 萍,蔡 璟.明钦水库大坝安全评价分析[J].水利科技与经济，2013,19(12)：110-113.

On Security Review and Reinforcement of Water Conveyance Tunnel in Tianshengqiao Reservoir

YANG Wu1, TAN Jian-bo2
(1.Guizhou Qianshui Engineering Supervision Co., Ltd, Guiyang 550002, China;
2.Yangling Vocational and Technical College, Yangling 712100, China)

The safety and quality problems in water conveyance tunnel of Tianshengqiao Reservoir are introduced, including the poor construction quality, the poor slope stability which is easy to form a high and steep slope. Based on the site reconnaissance, the design data, the current specifications and standards, the structural strength safety review for the water inlet and tunnel has been done. From the hydraulic calculation, the reinforcing bars and crack width calculation for the tunnel lining supporting structure, and others analysis, the results show that: the flow capacity and structural strength of the water conveyance tunnel can meet the specification requirements. The practical and feasible reinforcement with slope anchor supporting, demolition and reconstruction, backfill consolidation grouting and other design scheme has been proposed, the integrity and reliability of water conveyance tunnel is effectively reinforced and repaired.

Tianshengqiao Reservoir; water conveyance tunnel; safety review; reinforcement

TV672

B

1008-536X(2016)08-0036-04

2016-02-13

杨 武(1960-)，男，贵州贵阳人，高级工程师，主要从事水利水电工程建设与管理工作.