水库除险加固工程中新建输水隧洞设计综述

范春雷

(永丰县下溪水库管理所，江西 吉安 331500)

1 工程概况

高虎脑水库位于永丰县石马乡龙源村 ，属乌江支流藤田河，水库集雨面积24km2，另有引流面积2.2km2，正常蓄水位222.50m，总库容1630万m3，设计灌溉面积1666.67hm2，实际灌溉面积1533.33hm2，是一座以灌溉为主，兼有防洪、发电、养殖等综合效益的中型水库。

2 坝下涵管现状及存在问题

2.1 坝下涵管现状

坝下涵管位于大坝左岸坝体内，全长250m，涵管内径1.5m，壁厚0.3m。1986年对竖井后段管壁进行了挂网喷混凝土浆。闸门启闭竖井设在坝顶上，距涵管进口110m，竖井高40m，内径3.0m，壁厚0.45m。竖井内设工作闸门，启闭设备为手电两用螺杆式启闭机。坝下涵管出口设有四个岔口，依次接灌溉渡槽、发电压力钢管和放空管。

2.2 坝下涵管存在问题

1)坝下涵管混凝土施工质量较差，竖井上游管段管壁多处裂缝、漏水严重。经复核，涵管正截面承载力和抗裂均不满足规范要求。涵管通气孔失效，管壁混凝土气蚀严重。

2)坝下涵管竖井平板工作闸门锈蚀严重，止水失效；启闭机机座断裂，螺杆锈蚀、变形，启闭困难；灌溉进口蝶阀锈蚀严重，放空管木闸门破损、漏水严重。

3 输水建筑物加固设计方案比选

3.1 方案一：原坝下涵管内衬钢板方案

拟对原坝下涵管内壁增设圆形钢衬，用以解决渗漏问题，计算时钢衬抵抗内水压力，。钢管内径1.3m，壁厚10mm。钢衬施工到位后应对钢管与原混凝土管内壁间空隙进行回填及接触灌浆。

3.2 方案二：新建输水隧洞方案

拟在左岸新建输水隧洞，考虑施工及现行规范要求，洞泾1.8m，衬砌厚0.3m，采用C25双层钢筋混凝土衬砌。

3.3 方案比选

两方案主要工程量及投资比较详见表1。

方案一造价相对较高，而且有一定的施工难度和安全隐患。涵管原内径1.5m，经1987年挂网喷浆后，内径改为1.34m，如采用内衬钢管方案，施工操作空间狭窄，施工难度较大，且施工质量不易控制；施工时涵管进口设置围堰，无法泄流，水库来水仅靠水库蓄滞，施工期洪水位较高，围堰工程量大；运行多年后内衬钢板易锈蚀，输水系统仍从坝身通过，仍未彻底根除今后运行时除险渗漏险情的可能性，在今后仍将成为大坝安全运行的一大隐患。

方案二造价较低，且有利于工程建设后的工程管理，施工时可采用原坝下涵管导流，降低施工期洪水位，有利于加固工程实施，施工干扰少。

表1 两方案主要工程量及投资比较表

综合经济、技术比较结果，输水建筑物加固选用方案二，即在大坝左岸新建输水隧洞方案。

超声波雾化发生装置内部安装有超声波雾化发生器，将液态水分子结构打散，使水成为微细的雾滴，并利用现场压缩空气，将雾气导出，使雾气在物料清除装置内扩散，从而达到抑制粉尘的作用[7-8]。

4 新建输水隧洞设计

4.1 隧洞平面布置

在大坝左侧山体内开设新的输水隧洞，隧洞衬砌后洞径1.8m，全长262m，设计进口高程193.0m，出口高程191.2m，底坡0.007。隧洞在平面上有两处弧形转折，转折角度分别为51.91度、36.03度，转弯半径15m；新建隧洞与原坝下涵管间设C25混凝土埋管连接。新建隧洞采用C25混凝土全断面衬砌，衬砌厚0.3m，衬砌段每隔10m设置伸缩缝，缝宽2cm，采用铜片止水。

4.2 进水口设计

拟在隧洞进口修建启闭井及工作桥，进水口底板高程仍为193.0m，底板厚1.2m。进水口顶板采用椭圆形线，前端设拦污栅，孔口尺寸1.8×3.0m(宽×高)，拦污栅后设检修闸门、事故闸门，孔口尺寸为1.8×1.8m，闸门后设有通气孔。闸室段与洞身段采用渐变段连接，渐变段长5.0m，断面由1.8×1.8m方形渐变为直径1.8m的圆形。工作桥桥面顶高程230.2m，桥面宽3.0m，与山体连接。工作桥和启闭井为钢筋混凝土结构，启闭房为砖混结构[1-3]。

4.3 地质条件

隧洞穿越地层为震旦系上段下部(ZⅡ1)中厚层状变余凝灰质砂岩夹千枚岩；隧洞进、出口段围岩为强风化岩体，节理裂隙及层面裂隙发育且处山坡上部，岩体完整性较差，属Ⅴ类围岩。洞身段岩体呈弱、微风化状，岩体较完整，工程地质条件较好。岩层走向洞身中前段与洞线交角较大，属Ⅲ类围岩，洞身后段与洞线近乎平行，按Ⅳ类围岩考虑。由于洞径较小，中前段成洞条件较好，后段可能有塌顶现象。

4.4 隧洞进出口开挖设计

勘察揭露，隧洞进口段自然山坡角25°-35°，山坡稳定，洞顶以上围岩(强风化)厚5.4m，其上第四系残坡积厚1.5-2.0m；隧洞出口段自然山坡角约40°，洞顶以上围岩(强风化)厚约5.4m，其上残坡积厚2.5-3.0m，山坡稳定。由于进、出口洞脸开挖边坡较高，且岩体节理裂隙及层面裂隙发育、完整性较差。对进、出口洞脸进行削坡处理，强风化岩坡比为1∶0.5，残坡积层1∶1，坡高大于5m时应分级开挖，并设置宽1.0m的马道。再对洞脸周围采用挂网喷混凝土以形成稳定边坡，并设置排水孔，采用Φ50PVC管，间距3×3m。

4.5 隧洞灌浆设计

隧洞衬砌的顶部必须进行回填灌浆。回填灌浆应在衬砌混凝土达70%设计强度后进行。回填灌浆的范围在顶拱中心角90-120度，孔距2.0m，按两序孔进行，第一序孔每排均布3孔，第2序孔每排均布2孔，灌浆压力0.3-0.5MPa，灌浆孔深入围岩10cm。

固结灌浆应在回填灌浆结束后7天进行，排距3.0m，每排为6孔，深入基岩1.4m，灌浆压力0.3-0.5MMPa。

4.6 原坝下涵管封堵设计

隧洞建完后，用水泵压力清洗涵管内污泥及杂物，先在进口砌筑C20混凝土挡墙，再回填C20混凝土至竖井下游5m处，以防止库水渗漏。为确保封堵质量，在涵管顶部采用充填管将填实空隙。封堵混凝土采用泵送混凝土。

5 新建隧洞设计计算

5.1 隧洞过水能力计算

考虑到隧洞为有压运行，可按管流中自由出流情况计算隧洞的过水能力，隧洞过水能力计算成果见表2。

表2 新建隧洞过水能力与库水位关系表

原坝下涵管最大过水能力为2.54m3/s，从表2可知，新建输水隧洞过水能力比原坝下涵管过水能力要大，故新建隧洞过水能力满足灌溉要求。

5.2 隧洞结构计算

新建输水隧洞采用钢筋混凝土进行全段衬砌，隧洞衬砌后对洞身顶拱120度范围进行灌浆处理，对隧洞围岩进行固结灌浆。

1)估算衬砌厚度：洞径1.8m，衬砌采用C25混凝土，Ⅱ级钢筋，经计算衬砌厚度t=21.95cm，按构造要求，本次设计衬砌C25混凝土厚度为30cm。

2)内力计算：衬砌后隧洞内径1.8m，壁厚0.3m，采用C25双筋混凝土衬砌。根据规范， 隧洞计算的荷载有：山岩压力、衬砌自重、内水压力以及外水压力等。计算工况如下：

基本组合，工况一：自重+山岩压力+内水压力(设计水位)；工况二：自重+山岩压力+外水压力；

特殊组合，工况三：自重+山岩压力+内水压力(校核水位)；

隧洞衬砌的内力计算结果见表3、表4，其中使衬砌内表面受拉应力时的弯矩为正，使衬砌断面受压应力时的轴向力为正。

表3 隧洞进出口荷载组合内力表

表4 隧洞洞身段荷载组合内力表

5.3 配筋计算

隧洞级别为3级，基本荷载组合时，钢筋混凝土结构安全系数为1.6，特殊荷载组合时，钢筋混凝土结构安全系数为1.5。

根据以上内力计组合结果，对隧洞进行配筋计算，双层对称配筋。根据计算可知，各种组合均为小偏心受压或小偏心受拉构件，经计算洞身段所需钢筋钢筋面积为1001mm2，进出口段所需钢筋面积为1156mm2[4-5]。

故隧洞内外层环向受力钢筋采用φ20@200(As=1571mm2)，纵向分布筋为φ12@200。

5.4 裂缝开展宽度验算

根据规范，钢筋混凝土衬砌结构不作为有严格防渗要求的结构，可按允许出现裂缝的钢筋混凝土衬砌结构进行限裂计算。

经计算，ωmax=0.21mm<[ωmax]=0.25mm，满足裂缝宽度要求。

6 结 语

水库除险加固工程中，对原坝下涵管加固造价较高，施工难度较大，无法彻底根除渗漏险情的情况下，合理的设计方案是选址新建输水隧洞，经过方案比选，选择对原坝下涵管进行封堵，在左岸山体新建输水隧洞方案；新建输水隧洞的设计思路与方法可为类似水库除险加固工程输水建筑物的加固设计提供参考。