紫云山水库灌溉发电隧洞加固设计方案探析

任 佳

(丰城市丰东灌区管理局，江西 宜春 331100)

1 工程概况

紫云山水库位于江西省丰城市南部的铁路镇境内，坝址距丰城市区50km，属鄱阳湖环湖区清丰山溪水系上游，水库集雨面积77.04 km2，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、发电、养殖等综合利用的大(2)型水库。水库总库容1.20 亿m3，设计灌溉面积1.2万hm2；电站装机960kW，年发电129.80 万kW·h；养殖水面700hm2，年产鲜鱼32万kg。

水库工程等别为Ⅱ等，主坝、1#-6#副坝、溢洪道、灌溉发电隧洞等主要永久性水工建筑物级别为2 级，其它永久性水工建筑物级别为3 级，施工围堰等临时建筑物级别为4 级。

水库下游有丰城市城区和荷湖、丽村、荣塘、观上、拖船、河洲、孙渡、剑光等乡镇，耕地面积2.2万hm2，人口约22 万，以及重要的公路和铁路干线设施：京九铁路、浙赣铁路、105 国道、丰乐公路等重要基础设施。

2 工程地质

工程区地质构造形式主要表现在花岗岩体内的断裂及节理，总体上，断裂、节理不甚发育。库坝区新构造运动微弱，表现为以大面积间歇性缓慢降升为主要特点，未见明显的差异运动。据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001), 库坝区地震动峰值加速度<0.05g，相应的地震基本烈度<Ⅵ度。

灌溉发电隧洞进、出口地形较陡，为弱风化花岗岩形成的基岩陡坡，岩体呈次块状结构，未见有明显的顺坡向不利断层或裂隙分布，进、出口段边坡基本稳定。

灌溉发电隧洞沿线洞身均出露弱风化花岗岩，右坝肩有正断层F2 穿越，与灌溉发电隧洞轴线近平行展布，与洞身间距50m 左右，坝后在灌溉发电隧洞出口的下游侧，洞内亦未见明显的破碎岩体，对灌溉发电隧洞影响甚微。灌溉发电隧洞沿线岩体节理不甚发育，弱风化岩体呈块状结构、整体状结构，完整性较好，强度高，属于硬质岩类岩石。洞身段基岩弱风化岩体呈块状结构，弱风化层带岩体属于Ⅱ类围岩，洞室稳定条件较好，透水性弱。

2 灌溉发电隧洞现状及存在问题

2.1 工程现状

灌溉发电隧洞位于主坝右岸较为陡峻的山体中，由引水渠段、进口控制段、洞身段和出口段组成。引水渠段长20m，进口段长12.4m，进口底板高程67.0m，洞身段长223.86m，纵向坡度为2‰，洞身内径2.5m，采用0.3m厚钢筋混凝土衬砌，出口底高程66.55m；进口设事故检修闸门1 扇，卷扬式启闭机启闭；出口设工作闸门2 扇，螺杆式启闭机启闭。隧洞桩号0+197.32处接直径1.9m 发电支洞。1999 年曾对灌溉发电隧洞进行灌浆等加固处理。

灌溉渠首建筑物主要包括节制闸和泄洪闸，均为钢筋混凝土结构。节制闸共2 孔，孔口尺寸为3.0m×2.0m，设有2 扇钢筋混凝土闸门，由螺杆启闭机操控；泄洪闸共4 孔，孔口尺寸为3.0m×2.3m，并设有4 扇钢筋混凝土闸门，由螺杆启闭机操控。

2.2 存在问题

根据《江西省丰城市紫云山水库大坝安全评价报告》及《关于紫云山水库三类坝安全鉴定成果的认定意见》，灌溉发电隧洞及灌溉渠首建筑物结构主要存在以下问题：

1)进水口混凝土结构碳化、剥蚀严重。

2)洞身混凝土碳化严重、蜂窝、麻面、渗漏，多处裂缝。

3)出口消能设施混凝土碳化严重，基础淘刷，部分侧墙倒塌或损坏。

4)灌溉渠首混凝土碳化严重。

5)灌溉发电隧洞工作闸门和事故检修闸门的主要承重构件锈蚀严重，止水橡皮老化、漏水严重，启闭设备局部锈蚀，齿轮磨损，卷扬式启闭机钢丝绳锈损严重，已不能满足闸门的正常启闭，对汛期泄洪存在安全隐患，影响泄洪安全。闸门及启闭设备已投入使用40 余年，已达报废年限。

3 灌溉发电隧洞加固设计

针对灌溉发电隧洞存在的问题，采取如下加固措施：

1)进口段混凝土缺陷处理，进口启闭机房维修。

2)洞身段衬砌混凝土缺陷处理。

3)出口闸室混凝土缺陷处理，启闭机房维修。

4)消力池混凝土缺陷处理，对坍塌的浆砌石边墙进行修复重建，浆砌石及局部干砌石底板拆除重建。

5)灌溉渠渠首建筑物混凝土缺陷处理，启闭机房维修。

3.1 进口段

进口混凝土结构碳化、剥蚀严重。本次加固对进口段表面混凝土进行碳化处理，启闭机房维修翻新。

混凝土碳化及表面处理，选用丙乳砂浆。丙乳砂浆采用人工抹压施工。施工前须先凿除老混凝土表面碳化层，并冲洗干净，风干后涂刷2.0cm 厚丙乳砂浆，对于结构钢筋裸露处，须先将钢筋除锈并进行防锈处理后，采用丙乳砂浆抹平，同时保证钢筋上丙乳砂浆覆盖厚度≥2cm 厚。

3.2 洞身段

灌溉发电隧洞洞身混凝土碳化严重、蜂窝、麻面、渗漏，多处裂缝。本次加固对洞身混凝土进行缺陷处理。

3.3 出口消能段

出口消能设施混凝土碳化严重，基础淘刷，部分侧墙倒塌或损坏。本次加固对出口闸室、消力池混凝土进行碳化处理，混凝土碳化处理方法同进口段碳化处理。对启闭机房维修翻新；对坍塌的消力池浆砌石边墙拆除，重建M7.5 浆砌MU30 块石边墙；拆除重建消力池末端M7.5 浆砌石底板，拆除重建出水渠局部干砌石底板。

根据业主提供的资料，尾水渠边墙存在大量泄漏问题，严重影响主坝坝脚安全，本次加固设计采用在边墙临水面新浇一层30cm 厚C25 混凝土墙进行防渗处理。

3.4 灌溉渠首建筑物

根据现场查勘情况，灌溉渠首的1#、2#泄洪闸和节制闸均存在如下问题：闸墩混凝土、消力池边墙及底板混凝土老化剥蚀碳化严重；启闭机房严重破损。

本次加固对1#、2#泄洪闸、节制闸的闸室及消力池混凝土表面进行碳化处理，处理方式同隧洞进口段碳化处理，施工前须先凿除老混凝土表面碳化层，并冲洗干净，风干后涂刷3.0cm 厚丙乳砂浆；对启闭机房维修翻新。

4 洞身结构复核

紫云山水库灌溉发电隧洞为圆形，洞身内径为2.5m，钢筋混凝土衬砌厚0.3m，设置双层钢筋，根据本次检测现状混凝土强度满足设计要求，本次按混凝土标号150#进行复核。

灌溉发电隧洞沿线洞身均出露弱风化花岗岩。右坝肩有正断层F2穿越，与输水洞轴线近平行展布，与洞身间距50m 左右，对灌溉发电隧洞影响甚微。输水洞沿线岩体节理不甚发育，弱风化岩体呈块状结构、整体状结构，完整性较好,强度高，为硬质岩类岩石，属Ⅱ类围岩，围岩稳定性较好。

根据《水工隧洞设计规范》(SL279-2002)，隧洞是以内水压力为主要荷载，为Ⅱ类围岩直径<6m 的圆形有压隧洞。采用弹性力学法按运行工况对洞身结构进行复核。本次选取控制工况，即运行工况进行复核，计算断面取隧洞出口断面，运行工况隧洞身荷载包括：结构自重、围岩压力、内水压力及外水压力。隧洞出口处衬砌外地下水位较低，从安全角度考虑，运行工况条件下，隧洞衬砌结构安全复核计算中忽略外水压力。

运行工况内水压力为水库正常蓄水位82.0m，隧洞出口中心高程67.8m，洞内静水压力20.2m(其中水锤压力6.0m)。

经计算，表明内水压力单独作用下衬砌不需要配置钢筋，只需按最小配筋率对隧洞衬砌进行配筋。隧洞实际配筋满足最小配筋率要求，因此，隧洞衬砌强度满足规范要求。

5 灌溉发电隧洞闸门和启闭机设计

5.1 设计条件

正常蓄水位：82.00m；

设计洪水位：83.92m；

校核洪水位：85.02m。

5.2 灌溉发电隧洞进口拦污栅

1)设计条件：

设计水头：4.0m；

孔口尺寸：3.7m×4.2 m(宽×高)；

底坎高程：67.0m。

2)拦污栅及启闭机的设计：

拦污栅采用平板焊接结构，设计水头4.0 m。拦污栅主要材料为Q345B。

拦污栅采用单吊点，由1 台50KN 的电动葫芦操作。

拦污栅有侧轨、底坎等埋件，根据实际情况对埋件锈蚀的部位进行除锈、磨平；锈坑较大的部位进行补焊、修磨；对局部破损的进行补焊或局部更换。

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5.3 灌溉发电隧洞进口事故检修闸门

1)设计条件：

设计水位：83.29m；

孔口尺寸：2.0m×2.5 m(宽×高)；

底坎高程：67.0m。

2)闸门及启闭机的设计：

闸门采用平板滑动门，设计水头16.29m，外形尺寸为2.6×2.8 ×0.47m(宽×高×厚),侧止水间距2.1m,支承跨度2.4m，总水压力780.8kN。闸门面板及底止水布置在上游侧，顶﹑侧止水布置在下游侧，利用水柱闭门。顶﹑侧止水为P 型橡皮止水，底止水为刀型止水橡皮，闸门主要材料为Q345B。闸门采用单吊点，动水启闭。经设计计算：启门力307.7kN、闭门力-27.7kN，选用容量为400kN的卷扬式启闭机操作，闸门和启闭机采用吊杆连接，启闭机布置高程为90.5m，工作扬程为5.0m。

闸门有侧轨、底坎、门楣等埋件，根据实际情况对埋件锈蚀的部位进行除锈、磨平；锈坑较大的部位进行补焊、修磨；对局部破损的进行补焊或局部更换。

5.4 灌溉发电隧洞出口工作闸门

1)设计条件：

设计水位：83.29m；

孔口尺寸：1.4m×1.6 m(宽×高)；

底坎高程：66.55m；

工作条件：动水启闭。

2)闸门及启闭机的设计：

闸门采用平板滑动门，设计水头22.74m，外形尺寸为2.0m×1.85m×0.47m(宽×高×厚)，止水间距1.5m，支承跨度1.8m，总水压力506.2KN。闸门面板及止水布置于上游，顶、侧止水为P 型橡皮止水，底止水为刀型止水橡皮，支承采用油尼龙滑块，闸门主要材料为Q345B。闸门采用但吊点，动水启闭，经设计计算：启门力112KN、闭门力74.8KN，选用容量为250/160KN的手电两用螺杆启闭机操作，启闭机布置高程为71.05m，工作行程为2.5m。

闸门有侧轨、底坎、门楣等埋件，根据实际情况对埋件锈蚀的部位进行除锈、磨平；锈坑较大的部位进行补焊、修磨；对局部破损的进行补焊或局部更换。在上在胸墙上增设一道止水,防止闸门开启时门顶与胸墙间射水。

6 结 语

通过对紫云山水库灌溉发电隧洞现状存在的问题进行分析研究，采取合适的方案对其进行加固。对进口段、洞身段、出口闸室段以及消力池段等混凝土缺陷处采用丙乳砂浆进行修补，对混凝土裂缝采用聚氨酯浆材进行嵌缝处理，对加固后的隧洞洞身进行泄流能力与洞身结构进行复核计算，结果均满足要求。