清开供水工程输水隧洞段改造设计

师源

（辽宁省清河水库管理局有限责任公司，辽宁铁岭112003）

1 工程概况

清河水库位于辽宁省铁岭市境内，据开原市区10km，是辽河中游左侧支流清河干流上的一座大（2）型水库，总库容为9.68亿m3，控制流域面积2376km2。清河水库供水取水头部及输水改造工程，是在充分利用原清河电厂闲置的发电冷却回水隧洞等已建施工的基础上，改造取水头部并新建输水管线的一项辽宁省重点工程，是供给清河区及开原市城市生产、生活用水，彻底解决清河区及开原市城市供水水源短缺问题的民生工程。该输水工程的取水头部及输水隧洞与清河水库右岸输水泄洪洞除险加固工程结合建设，为清河水库枢纽的重要组成部分，其建筑物级别为2级，设计防洪标准为1000年一遇，校核防洪标准为10000年一遇，与水库枢纽一致。

2 右岸输水洞加固段改造

2.1 原输水洞概况

原闸门井下游输水洞总长706.427m，其中原闸门竖井前段长40.5m，洞直径为4.0m，洞进、出口中心高程分别为110.00m、100.00m。整条隧洞采用钢筋混凝土衬砌，混凝土强度等级为200号，衬砌结构及配筋分为4种，见表1，表2。

表1 原隧洞衬砌分类

表2 原隧洞衬砌配筋

根据辽宁省水利水电工程质量检测中心所检测结果，原输水隧洞经多年运行，洞体存在严重裂缝、渗漏、剥蚀及钢筋外露腐蚀等现象，需对原排水隧洞进行改造。输水隧洞分为两部分，需改造段为原闸门井至原调压井间泄洪洞加固段作为右岸输水洞前部，长655.427m；剩余未改造洞段为在原调压井后新建DN4.0m、长150.769m的取水头部上游段，作为取水口过流通道，其出口设在原清河电厂回水泵站西侧空地处。

2.2 衬砌结构复核

根据SL191-2008《水工混凝土结构设计规范》，工程隧洞段衬砌结构环境类别为二类,混凝土结构最大裂缝宽度限值为0.3mm。衬砌结构复核计算裂缝宽度均小于限值，隧洞原衬砌结构配筋能够满足该输水工程运行工况的要求，衬砌结构强度不需要进行加固处理，只需要对衬砌表面的开裂及保护层的脱落进行处理即可。

2.3 改造

从混凝土耐久性方面考虑需对衬砌表面进行处理，隧洞衬砌最低混凝土强度等级应不低于C25。尽量不缩小输水洞过水断面，节约工程投资、降低施工难度，对衬砌内表面进行全断面凿毛处理。凿除原200号混凝土保护层至钢筋裸露，然后进行全断面抹厚30mm的环氧砂浆，分两层进行施工，每一层施工厚度均为15mm，待前一施工层环氧砂浆完全失去塑性，不再变形时进行下一层施工。确保处理后维持原洞径不小于4.0m。

2.4 原调压井—电厂段隧洞

采取封堵原调压井—电厂回水泵房段隧洞的前端，封堵材料采用C30混凝土，封堵起点为新建输水洞与原回水洞接口处，封堵长度为10.0m。

3 调压井改造

3.1 调压井段封堵疏通

原清河电厂冷却水系统在2006年改造后，排水隧洞已经停用，因上游端闸门漏水严重，冬季造成下游水泵等设备冰冻破坏，电厂在调压井处用钢筋混凝土将隧洞封堵，封堵段长12.0m，从调压井至头部闸门之间的隧洞均在水中，封堵体下游隧洞主管路长52.0m，其中钢筋混凝土衬砌段长14.0m，衬砌钢管段长38.0m。

在隧洞进口进行防渗处理后将洞内积水排出，再对该段钢筋混凝土封堵采用风镐拆除，并将拆除的砌体人工运出洞外。

3.2 调压井结构加固

1）调压井概况

原隧洞采用阻抗式调压井，调压井顶高程为147.00m，净高42.0m。其中上部直径为4.0m，段长12.0m，采用500mm厚双层配筋混凝土结构；下部直径为2.5m，段长30.0m，采用300mm厚单层配筋混凝土结构。

2）调压井加固

调压井距隧洞末端约51.0m，低水位时引水洞内无压流补气作用，此设计予以保留。对调压井下部2.5m直径段的内表面局部采用环氧砂浆进行凿毛补强，对需要补强段先表面凿毛并清除松动块，再用环氧砂浆抹面，厚度为30mm。

4 新建输水洞段

原泄洪洞出口位于清河电厂回水泵房占地范围内，征占该地存在困难，因此需要新建一段输水洞，将洞出口移至回水泵房西侧空地处。

4.1 隧洞总体布置

新建隧洞段全长150.769m，起点在原泄洪洞调压井后转弯段起点处，隧洞进口底高程为103.00m，出口设在原清河回水泵房西侧空地处，隧洞出口底高程为96.00m，中间设一转弯段过渡连接，转弯半径为10.0m。

4.2 隧洞断面型式

新建隧洞采用圆形断面，断面尺寸与原回水洞相同，直径为4.0m。隧洞最大设计流量为82.69m3/s，设计水头为30.06m，为有压洞。

4.3 隧洞工程地质条件

场区位于铁岭市清河区清河水库西南部，北部属低山丘陵地貌，南部属山前洪积扇地貌，地形北高南低，起伏较大，最大高差达42.17m。

隧洞洞线段主要为强—微风化花岗岩，其岩性从勘探孔揭露的深度范围内由上至下描述如下：

强风化花岗岩：青灰色，节理裂隙强烈发育，岩芯呈砂土状或碎块状，主要矿物成份为钾长石、石英及云母等，属软岩。层厚0.8～3.0m，层底埋深2.5～13.2m，层底标高87.85～139.49m。

中风化花岗岩：青灰色，节理裂隙一般发育，岩芯呈短柱状，主要矿物成份为钾长石、石英及云母等，属较软岩。层厚6.8～13.0m，层底埋深17.7～20.0m，层底标高76.65～124.79m。

微风化花岗岩：青灰色，结构完整，岩芯呈长柱状，主要矿物成份为钾长石、石英及云母等，属较硬岩。所有勘探孔均未穿透该层，最大控制厚度为37.3m。

4.4 隧洞垂直最小覆盖厚度验算

经验算，隧洞洞身垂直覆盖厚度在15.0～45.0m之间，满足最小厚度为7.0m的要求。

4.5 水力计算

1）水头损失计算

经计算，校核水位138.06m下总水头损失7.4m，设计水位（1310.0m）下总水头损失6.7m。

2）隧洞水力坡降线

隧洞水力坡降计算取设计水位和校核水位两种情况进行计算。经计算，隧洞洞顶以上压力余幅大于2.0m，满足规范要求。

3）高速水流水力设计

经计算，洞内流速最大为6.58m/s，小于100 m/s，故无需进行防空蚀计算。

4.6 隧洞支护衬砌参数

1)隧洞出口边坡支护处理

在隧洞出口施工过程中，必须及时做好洞口边坡处理，实现“早进洞，晚出洞，”达到减少洞口开挖，缩短工期，减小环境破坏的目的。岩石开挖采用1∶0.75边坡，土方开挖边坡1∶2。开挖坡面采用锚喷及挂网支护，喷混凝土厚100mm，锚杆采用ϕ20、长2.0m、间排距2.0m的梅花形布置，钢筋网采用ϕ8，间距为250mm×250mm，坡顶设排水沟。

2）喷锚支护

工程隧洞宽度为4.0m，依据《水工隧洞设计规范》《锚杆喷射混凝土支护技术规范》规定，喷射混凝土厚度取0.05m。

3）衬砌支护

对洞身段围岩为Ⅰ、Ⅱ类围岩，采用全断面钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度为0.35m。

4.7 隧洞灌浆设计

隧洞衬砌混凝土浇筑结束后，对衬砌顶拱120°范围内进行回填灌浆，灌浆孔排距为2.0m，每排设1个灌浆孔，灌浆压力为0.3～0.5MPa。灌浆孔应深入围岩50mm以上。

对隧洞出口及断层破碎带等部位，进行固结灌浆。固结灌浆在回填灌浆后进行，灌浆孔排距为3.0m，梅花型布置，灌浆孔长度为2.0m。

5 结语

清开供水工程是为铁岭市清河区和开原市提供城市和生活用水保障，彻底解决清河区和开原市供水短缺问题，促进清河区、开原市经济可持续发展；有效地缓解清河区、开原市用水紧张状况，促进清河区和开原市地下水有效恢复；改善生态环境，充分利用现有的工程资源，促进政府关闭地下水行动得到有效落实。现供水工程已通过试水验收，供水运行状况良好。