山东岸堤水库输水洞除险加固方案设计研究

刘 海

（山东省淮河流域水利管理局规划设计院，山东 济南 250000）

0 引言

我国在上世纪建设了大量的水库，随着使用时间的增长，水库病害问题逐渐显现。水库出现病害问题不但影响到水库发挥其自身建设的作用，也会对流域居民的生产生活造成严重的威胁[1~2]。因此，对病害水库除险加固的研究逐渐受到重视。赵微微[3]以九龙水库为例，对水库输水洞渗漏原因进行分析，并提出相应的治理措施，取得了较好的工程效果；张建华等[4]对碳纤维布在输水隧洞加固中的应用进行研究，认为碳纤维布具有较好的加固效果；刘海青[5]对小型水库输水洞加固处理中常用的措施进行研究，可为类似工程提供参考；欧高明[6]以黄材水库为例，对输水隧洞加固除险技术进行分析，采用原地重建闸室的方案对闸室进行处理；蔡军平[7]以十八里堡水库为例对输水洞竖井存在的问题进行分析，并提出加固措施建议；魏泽等[8]、邓君承[9]分别以阿库木引水枢纽和潦河灌区解放闸坝为例对闸室加固措施进行设计，取得了较好的工程效益；王爱伟[10]以牙塘水库为例，对输水洞边坡加固方案进行研究，采用削坡和锚固的方法进行加固，取得了较好的工程效益。

1 工程概况

山东岸堤水库位于蒙阴县，核定总库容7.49亿m3，兴利库容4.51亿m3，兴利水位176.0 m，死水位160.3 m，兼具着防洪排涝、灌溉、供水作用。该水库输水洞始建于上世纪60年代，采用钢筋混凝土结构进行衬砌，输水洞总长约159 m，隧洞内径约3.4 m，输水洞洞壁厚度约0.6 m，闸门尺寸为3 m×3 m，进水口的底板高程为160.3 m。目前输水洞存在的问题有：（1）在Ⅷ度地震烈度下，闸室稳定性情况较差；（2）闸室结构配筋不满足规范要求；（3）输水洞衬砌结构损坏严重，不满足要求。因此，需要对输水洞进行除险加固治理。

2 进口段加固方案设计

进口段根据工程地质情况，可以分为四段。

第一段长118 m，断面形式为梯形，底宽4 m，净高6 m，底坡i=0，边坡坡比为1∶1。通过分析，该段稳定性情况较好可维持现状不变。

第二段长28 m，断面形式为梯形，底宽4 m，净高6 m，底坡i=0，边坡坡比为1∶1。该段加固方案设计如下：对原护坡和护底进行拆除,，重新用厚40 cm的M10浆砌石进行护砌。

第三段为渐变段，长10 m，断面形式为梯形，底宽由4 m逐渐向8 m过渡，边坡坡比为1:1，净高6 m。对原护坡和护底进行拆除，重新用厚40 cm的M10浆砌石进行护砌。

第四段为进水池段，长8 m，断面形式为梯形，底宽8 m，边坡坡度1∶1，净高6 m。对原护坡和护底进行拆除，重新用厚40 cm的M10浆砌石进行护砌。

3 竖井闸室加固设计

3.1 孔口尺寸确定

输水洞孔口尺寸初拟两个方案：（1）输水洞竖井闸门孔口尺寸采用3 m×3 m，单孔；（2）输水洞竖井闸门孔口尺寸采用2.5 m×2.5 m，单孔。

通过计算，两种方案孔口的过流能力计算结果见图1。

图1 两种方案泄水流量对比

通过计算结果可知，方案二在水位低于170.5 m时，不能满足电站常年发电6750 kW需求，因此，孔口尺寸采用方案一。

3.2 过流能力计算

输水洞竖井闸室进口底高程为160.3 m，出口底高程159.50 m，兴利水位176.0 m。计算洞身长度159 m，纵向坡降1/200。

（1）流态判别

根据相关公式进行计算，当上游水深小于4.08 m时属于无压水；上游水深大于4.08 m，小于6.87 m时属于半有压水；当上游水深大于6.87 m时属于有压水。

（2）过流能力计算

式中：μ 为流量系数，半有压流 μ=0.576、η=0.715，有压流；A表示隧洞断面面积；a表示洞高；i表示纵坡降；L表示洞长；R表示水力半径；C表示谢才系数；β表示势能修正系数；∑ξ表示水头损失之和。

通过式（1），可求得水位与泄量的关系，见图2。

图2 水位与泄量之间关系曲线

根据计算结果可知，在库水位175.4 m时，输水洞的过流量85.1 m3/s；在库水位为172.4 m时，输水洞过流量为75.1 m3/s，均大于运行最大流量47 m3/s，输水洞输水能力满足发电、灌溉等运行要求。

3.3 加固方案及稳定性分析

对原竖井和渐变段进行拆除。在原竖井下游8.0 m处进行竖井闸室重建。建设总长12.0 m，采用C30钢筋混凝土结构进行砌筑，检修平台设计位于176.5 m高程处，机房位于181.5 m高程处，机房内按照要求进行机械布置。通过宽为1.5 m的工作桥将机房与下游斜坡进行连接。在闸室两侧，采用浆砌石挡墙将闸室与斜坡进行连接。在竖井闸室与斜坡之间采用混凝土进行回填，表面采用M10浆砌块石进行护砌，厚度为40 cm。

根据工程建设、运行期可能遇到的工况进行稳定性计算，计算工况设计如下：

工况1为施工完建期，闸室上下游均无水，地下水位与底板顶部一致；工况2为正常运行期，竖井事故工作门开启，竖井周围水位为正常蓄水位，洞内有水；工况3为设计洪水期，竖井闸门开启，竖井周围水位177.51 m（100年一遇水位）；工况4为隧洞检修期，竖井事故工作门关闭，竖井周围水位176.00 m，洞内无水；工况5为校核洪水期，竖井闸门开启，竖井周围水位180.33 m（10000年一遇水位）；工况6为地震期，正常运行期遇Ⅷ度地震（垂直水流）。

闸室抗滑安全系数K计算公式如下：

式中：f表示摩擦系数；∑G、∑H分别表示竖向和水平荷载。闸室基底应力计算公式如下：

式中：Pminmax表示基底最大和最小应力；A表示闸室基础底面面积；W表示基础底面垂直水流形心轴截面矩；∑M表示对于基础底面垂直水流形心轴的力矩。

通过计算，结果见表2。由表2可知，各种工况下，闸室和竖井稳定性均满足要求。

表2 输水洞竖井抗滑稳定计算成果表

表3 洞身加固各方案对比

4 输水洞洞身加固方案设计

根据工程选择3种方案进行对比，对比结果见表3。通过表3的经济技术比较，选用方案一对输水洞进行加固处理。进行施工前，首先需要将输水洞内的积水排干排净，保持输水洞洞壁处于干燥状态，同时对于洞壁结构疏松等情况较差的混凝土进行清除，使用修复材料进行修复治理。使用碳纤维布与浸渍胶配置符合材料，进行加固，表面采用新型环保材料进行封填。

在碳纤维布表面均匀涂抹浸渍树脂。碳纤维布物理力学特性指标表4。

表4 碳纤维布性质

5 结论

对山东岸堤水库输水洞的进口段加固、竖井闸室加固、洞身加固进行研究。进口段采用分段治理的措施，可以降低工程投资；使用C30钢混结构对竖井、闸室进行加固可以有效提高其稳定性；通过方案比选采用3 m×3 m的隧洞尺寸以及碳纤维布加固处理，可以满足输水洞输水和稳定要求，同时具有较好的经济效益，可为类似工程提供参考。