观洞水库主坝输水涵管工程顶管设计与施工要点分析

谷 明

(惠州市华禹水利水电工程勘测设计有限公司，广东 惠州 516000)

1 顶管法在水库大坝输水涵管中的运用

1.1 顶管法原理

所谓顶管法，即在大坝一侧或两侧设置顶管工作区域(一般为深坑)与支撑顶墩，综合应用经纬仪、水准仪对位置进行观测，确定目标区域定位，并对高程进行调整。按照已有设计方案中的管线路径，利用顶进设备将预管节依序顶进大坝中，形成输水涵管。如下图1所示为顶管法施工作业图。

图1 顶管法施工作业图

水库大坝输水涵管顶管施工特点可归纳如下：(1)机械化作业，工艺简单、施工方便；(2)输水管涵敷设深度较大，无需破坝，不会损坏坝体完整性，施工效果好；(3)对施工区域周边环境影响小，施工噪音、振动小。

1.2 顶管法运用要点

顶管法是一种使用较早的工法，国外甚至可追溯到罗马时期，19世纪末美国铁路公司率先成功运用顶管技术下穿铁路，直至20世纪中叶此项技术的市政管敷设中得到了广泛运用。国内直至20世纪50年代开始运用顶管法，最早集中在市政领域，后逐渐推广至公路、铁路、水利等领域，将此技术运用于水库大坝输水涵管施工中具有诸多优势，对原坝体不产生扰动，施工机械化程度高、工艺简单、速度快，水库大坝输水涵管工程中顶管法运用要点如下：

1)顶管设计：水库大坝输水涵管工程，需根据大坝地质情况、场地环境、施工技术条件等诸多因素合理开展顶管设计，合理确定顶力等参数，科学布置后墩、工作坑。

2)准备措施：在实施顶管法前，需按照设计方案开挖一定深度的工作坑，在工作坑底部浇筑混凝土进行稳固，将底座与后座相连接。需注意的是，底座位置需预留2根工字钢，其作用为导轨，以保证涵管的顺利顶进；施工后座，因其需承受千斤顶的压力，需确认其负荷能力；安装测量架，将其埋设在地基中。

3)涵管就位：完成涵管制作后，应对其外观与质量进行检查，符合设计要求后方可将其运输至工作坑指定位置。输水涵管顶进施工过程中，要将管段顶进工作坑导轨位置。工作顺序为：涵管顶进一节，吊装另一节，循环该步骤。

4)挖弃土：在涵管顶进2-3 m深度时，拆分横梁与顶梁，安排施工人员将弃土挖除，运输至管外。

5)测量：人工进管，需将土置于涵管末端，对管段的中心线、管底高程进行观测与确定，严格控制偏差，标准为偏斜>15mm，则必须对偏差进行纠正。

6)再顶进：在减小误差后继续顶进，当涵管外端到达工作槽指定位置后，有序拆除横梁与顶梁，完成以上步骤后方可开展下一管节的顶进作业。

2 观洞水库主坝输水涵管工程中顶管设计与施工要点

2.1 工程概况

观洞水库加固后水库总库容6225万m3，现状控制灌溉面积1493hm2，基于最新《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2017)、《防洪标准》(GB50201-2014)中的规定，本水库工程等级为Ⅲ等，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。按照《防洪标准》(GB50201-2014)，观洞水库为中型水库，水库枢纽永久性主要水工建筑物大坝、溢洪道、输水涵管等采用洪水标准为：按50a一遇洪水设计，其相应水位为22.06m，按1000a一遇洪水校核，其相应水位为23.37m，水库正常蓄水位为20.00m。溢洪道下游消能防冲标准设定为30a一遇。施工导流按照5a一遇10月-次年3月洪水标准进行设计。

工程除险加固工程枢纽总布置涉及到大坝、溢洪道、输水涵管、管养区、上坝公路以及防汛公路等，因坝区场地较狭窄，而且水库属于加固工程，故水库枢纽建筑物基本在原址进行加固。

2.2 主坝输水涵管现状及存在问题

1)主坝输水涵管现状

观洞水库主坝输水涵管原设计为单筋混凝土圆涵，内径为φ80cm，管壁厚度为20cm，进口高程为11.5m，出口高程为11.13m，坡降为1/200，涵管位于主坝右侧，采用斜拉式混凝土平板闸门，靠拉动门盖放水。启闭机房座落在主坝上游右侧管养区内，采用地下启闭室，启闭设备为手动摇柄启闭机。

2)存在主要问题

根据《仲恺高新区观洞水库大坝安全鉴定专题报告集》对主坝输水涵管进行的安全分析评价，主要结论如下：①结构强度不足，抗裂不符合规定；②输水涵管出口消力池坡度为1∶1，非常陡，不便于进人检修，不满足现行规范要求；③斜拉杆启闭房设置在地下，启闭室通风透气条件很差，启闭房内较潮湿；另外，斜拉杆表面锈蚀，启闭设备为手摇螺杆启闭机，启闭较为费力；④主坝输水涵管内壁混凝土表面凹凸不平，麻面、蜂窝等现象非常严重。

2.3 主坝输水涵管移位重建选址设计

观洞水库现有输水涵为钢管圆涵，管径φ80cm，全长73.3m，进口高程为11.50m，出口高程为11.13m。该工程采用加固方式为对原有涵管进行封堵，并在新址修建输水涵管。

根据观洞水库现场地形条件，初步拟定新建主坝涵管位置，本次设计拟定两处，分别位于现有溢洪道左侧与主坝之间山体内和溢洪道右侧的山体内。具体位置如图2所示。

图2 主坝涵管方案图

方案一：溢洪道左侧涵管。涵管进出口段岩层为强、中风化砂岩，涵管进口地势与死水位接近，进口无需大开挖；涵管出口地势较平坦，比较适合新建工作井进行顶管。

方案二：溢洪道右侧涵管。涵管进口、洞体段岩层为中风化砂岩，涵管进口地势较高(高程 16.40m)，进口需进行大量开挖；涵管出口右岸地势相差悬殊，左侧高程为 12m，右侧为山体，高程在 19m 以上，开挖较大，且需对开挖山体进行护坡。

从涵管地质条件来说，方案一比方案二更具有优越性；主坝输水涵管方案一和方案二管身均采用顶管方式，方案一比方案二节省投资约 87.65 万元，方案一经济上更加可行；从围堰施工角度来说，方案二比方案一更优越；方案二输水涵管及其支管、控制蝶阀位于溢洪道右侧山体旁，建成后对巡查、检修不够方便，从运行管理上来说方案一更具有优越性[1]。

综合考虑以上情况，本次移位重建采用方案一，即主坝输水涵管新建于主坝右坝头山体内(溢洪道左侧)。

2.4 主坝输水涵管顶管方案设计

2.4.1 涵管材料

本次顶管施工采用钢管顶进。钢管内径采用1200mm，壁厚18mm。钢管总长107.9m，钢管采用Q235B钢材。

2.4.2 钢管生产

钢管单节长2.5m，由厂家在工厂制作好后再运至现场定位安装，在现场进行对接焊接。钢管出厂时按规范进行防腐处理，内壁采用环氧沥青防锈底漆(涂层厚度≥125μm)、环氧沥青面漆(涂层厚度≥125μm)；外壁因与水泥浆接触，涂刷含苛性钠的水泥浆一层。

2.4.3 顶力、后墩及工作坑设计

顶管部分大坝土体为强风化砂岩，天然密度为2.1t/m3，顶管管材采用Q235B，DN1200钢管，管壁厚18mm。

1)顶力计算

根据《给水排水工程顶管技术规程》12.4，顶管的顶力可按下式计算：

Fo=πD1Lfk+NF

(1)

式中：Fo为总顶力标准值，kN；D1为管道的外径，m；L为管道设计顶进长度，m；fk为管道外壁与土的平均摩阻力，kN /m2，根据规范取7 kN /m2；NF为顶管机的迎面阻力。kN。

NF=π(Dg-t)tR

(2)

已知： D1=1.236m、L=86.9m、fk=7kN /m2、Dg=1.340m、t=0.018m、R=500 kN /m2，计算得总顶力：

Fo=πD1Lfk+NF=2360.84+41.45=2402.29kN

(3)

2)管道允许顶力验算

(4)

式中：Fds为钢管管道允许顶力设计值，N；φ1为钢材受压强度折减系数，可取1.00；φ3为钢材脆性系数，可取1.00；φ4为钢材顶管稳定系数，可取0.36；当顶进长度<300m时，穿越土层又均匀时，可取0.45；fs为钢材受压强度设计值，N/mm2，取205 N/mm2；γQd为顶管分项系数，可取1.3；Ap为管道的最小有效传力面积，mm2。

(5)

3)工作井后座的受力分析

在顶管时，为保证用力均衡，需分散各油缸推力的反力，使其可均衡发力至工作井后方的土体。为此，需用混凝土浇筑一后座墙，在后座墙、主顶油缸末端中间放置一后靠背(材料为钢)，对该后座的受力要求为其可承受油缸总推力P的反力。计算时，可忽略后靠背应力，假设主顶油缸推力是通过后座墙作用于工作井后方土体，基于此情景可推算出土体的反应力为总推力的1.2-1.6倍，

以确保安全，反力R计算式如下：

(6)

已知：α=1.5；B=3.8m；γ=21 kN/m3；H=4m；Kp=1.76；c=20Kpa；因工作井背后均为斜坡，实际土体高度没有那么高，折算h=4.8m。

计算得总推力之反力：R=6940kN

反力R为总推力P的2.89倍，可以保证顶管安全。

4)工作井最小长度确定

根据《给水排水工程顶管技术规程CECS246:2008》，以下计算中涉及的工作井最小内净长度最终取值为两种计算结果中的最大值：

①若顶管机长度确定，则工作井最小内净长度计算如下：

L≥L1+L3+k

(7)

式中：L为工作井的最小内净长度，m；L1为顶管机下井时最小长度，如采用刃口顶管机应包括接管长度，m；L3为千斤顶长度，m，一般可取2.5m；k为后座和顶铁的厚度及安装富余量，可取1.6m。工作井的最小内净长度L≥L1+L3+k=5.5+2.5+1.6=9.6m

②若下井管节长度确定，则工作井的内净宽度计算如下：

L≥L2+L3+L4+k

(8)

式中：L2为下井管节长度，m；钢管一般可取2.5m；L4为留在境内的管道最小长度，可取0.5m；工作井的最小内净长度L≥L2+L3+L4+k=2.5+2.5+0.5+1.6=7.1m

综上，工作井的最小内净长度为9.6m，本工程工作井采用圆形井，工作井直径取9.6m。

5)工作井最小宽度确定

根据《给水排水工程顶管技术规程CECS246:2008》，工作井内净宽度计算方法如下：

B=3D1+(2.0-2.4)

(9)

式中：B为工作井的内净宽度，m；D1为管道的外径，m；工作井内净宽度B=3D1+(2.0-2.4)=3*1.2+2.0=5.6m；本工程工作井采用圆形井，工作井直径取9.6m，满足要求。

6)工作井深度确定

根据《给水排水工程顶管技术规程CECS246:2008》，工作井底板面深度应按下列公式计算：

H=Hs+D1+h

(10)

式中：H为工作井底板面最小深度；m；Hs为管顶覆土层厚度，m；h为管底操作空间，m。钢管可取h=0.7-0.8m

工作井深度H=Hs+D1+h=4.97+1.2+0.8=6.97m

2.4.4 顶管工程布置

新建输水涵管位于加固后坝体桩号0+032.86，与坝轴线正交，夹角90°。主坝输水涵管加固后全长105.5m，其中管身段长90.5m，为了减少开挖，主坝输水涵管穿过旧坝体部分及山体部分采用顶管施工，在坝后坡布置顶管工作井，将顶管部分分为两段，分别向上下游顶进钢管施工，钢管直径1.2m、壁厚18mm，顶管完毕后沿管壁接触灌浆。涵管进口底高程根据死水位确定为11.50m，管线全长105.5m，纵坡0.005，出口底高程为11.07m[2]。

主坝输水涵管进水口采用塔式进水口，在输水涵管出口处，新建工作井，采用圆形井逆作法结构，内壁直径9.6m，井顶高程17.22m，井底高程10.27m。

3 结 语

综上所述，水库大坝运行中，输水管涵承担着水资源输送重任，对管涵设计、施工要求均较高，不得出现渗漏问题，否则将对大坝安全产生巨大的威胁。观洞水库主坝输水涵管经由多年运行后，出现了诸多问题，必须进行除险加固，科学落实选址设计、方案设计与工程布置，采用涵管移位重建工程投资较小且工期短，工程投入运行后未发现渗漏水情况，大坝运行安全可靠。