飞剑潭水库泄洪隧洞除险整治方案研究

易松德

(宜春市袁州区飞剑潭水库管理局，江西 宜春 336013)

1 工程概况

飞剑潭水库位于江西省宜春市袁州区飞剑潭乡境内，属赣江水系袁河北岸支流坑西河支流辽市河，是一座以灌溉为主，兼有防洪、发电、养殖等综合功能的大(2)型水利枢纽工程，是袁北灌区(大型灌区)的主要灌溉水源之一。坝址以上控制流域面积79.3 km2，水库总库容1.056 亿m3，设计灌溉面积8360 hm2，防洪保护农田面积1600 hm2，发电装机容量1630 kW，多年平均发电量300万kWh，枢纽工程等别为Ⅱ等，主坝、副坝、隧洞等主要永久性建筑物级别为2 级，次要建筑物级别为3级，临时建筑物级别为4级。

泄洪隧洞位于左坝肩以东约80.0 m 处，具有泄洪、灌溉及引水发电功能。泄洪隧洞由进水口、洞身段、出口陡槽及消能段组成。进水口包括喇叭口和闸门井，为钢筋混凝土结构。进水口底板高程161.30 m，设有拦污栅，闸门井内设有平板事故检修闸门。泄洪输水洞内径2.50 m，底坡i=0.005，洞身长110.00 m。出口底高程160.66 m，后接陡槽段，陡槽底坡i=0.010。陡槽后接挑流消能段，挑流鼻坎高程150.23 m，下游河床高程148.23 m。隧洞洞身采用150#钢筋混凝土衬砌[1]。

泄洪隧洞主要存在的问题：洞身衬砌混凝土强度低，根据检测洞身混凝土强度为12.2 MPa，多处存在衬砌混凝土蜂窝麻面、露石露筋及漏水析钙现象，且隧洞进口附近局部位置出现股状射流，需要进行加固处理。

2 泄洪隧洞除险整治方案研究

2.1 洞身加固方案比选

鉴于泄洪隧洞混凝土强度较低，通过复核结构不满足规范要求，存在安全隐患，须对泄洪隧洞钢筋混凝土衬砌进行加固处理。

方案一：拟拆除重建隧洞，但由于围岩条件较差，拆除重建方案施工难度大、工期长、工程费用高等原因予以放弃。

方案二：拟采用钢衬加固，由于隧洞洞径2.5 m，钢板拼装、焊接均比较困难，施工工期长，难度大[2]。

方案三：隧洞洞身粘贴碳纤维布加固，经过复核计算，结构安全主要受内水压力控制，在洞身粘贴碳纤维布加固可有效解决结构存在的问题，且碳纤维布加固在水利工程应用实例也较多，施工相对方便。

碳纤维布具有材料体积小，重量轻，施工简单、方便，工期短等特点，在隧洞内壁粘贴具有较高抗拉强度的碳纤维布。碳纤维布与黏胶形成的复合层，既可承受内水压力，又可起到较好的防渗和抗冲耐磨作用，从而使隧洞加固后达到正常运用要求。近年来用于混凝土结构加固已取得良好的效果。碳纤维布一般常用型号为：L200-C(200 g/m2)，厚度为0.111 mm；L300-C(300 g/m2)，厚度为0.167 mm。极限抗拉强度达3790～4825 MPa，弹性模量达220～235 GPa,延伸率>1.4%[3]。

武汉大学水利水电学院实验研究成果显示：在空管裂缝内水压力作用下，碳纤维布与混凝土的黏结强度一般可以抵抗>250 m 以上水头的剥离压力(若管道混凝土碳化严重，可能有所降低)；碳纤维表面胶的抗冲磨强度相当于C40 混凝土的2倍，可适用于高流速的水流；内衬抗裂荷载可提高约25%，极限破坏荷载提高约10倍；表面胶的糙率系数约0.007,比混凝土的系数小50%；加速老化2000 h黏结强度基本不降低，满足相关规程规范要求。

上述三种方案综合对比分析，本次泄洪隧洞除险整治方案推荐采用方案三，即洞身粘贴碳纤维布加固方案。

2.2 加固设计

泄洪隧洞加固，保留隧洞原有钢筋混凝土衬砌，对洞身进行固结灌浆，对衬砌表面裂缝进行加固处理，后在表面粘贴碳纤维布2层。

固结灌浆沿洞周钻孔进行，固结灌浆孔排距2.0 m，每排沿洞周布置4孔，孔深3.0 m，对称布置，相邻断面错开排列。

通过计算分析，洞段内面需要的碳纤维布最小厚度t0=0.21 mm；考虑工程实际情况，泄洪隧洞段均采用2层厚度为0.167 mm的L300-C(300 g/m2)碳纤维布加固。

采用粘贴碳纤维布加固泄洪隧洞混凝土衬砌。其主要工艺措施如下：

(1)修复结构缝止水。

(2)对混凝土表面进行处理，具体包括混凝土衬砌结构裂缝补强灌浆、空洞环氧砂浆修补、洞壁进行清洗、凿毛处理等。

(3)涂刷底胶。

(4)涂刷修补胶。

(5)贴碳纤维布，包括涂刷浸渍胶、粘贴碳纤维布和再涂刷浸渍胶等3 道工艺，若贴多层碳纤维布就多次重复上述3道工艺。

(6)做表面防护胶。

(7)碳纤维布的主拉方向沿径向，且要求径向搭接长度≥10 cm；碳纤维布幅宽选用0.6 m 为宜；碳纤维布粘贴宜采用自下游向上游分段粘贴，上游段与下游段的搭接长度≥5 cm；粘贴碳纤维布两端(如止水部位)应采用压条做好端部处理，确保高速水流不会冲坏粘贴碳纤维布。

(8)碳纤维布的厚度选用L300-C(300 g/m2)碳纤维布，厚度为0.167 mm。极限抗拉强度达3790～4825 MPa，弹性模量达220～235 GPa，延伸率>1.4%。

3 泄洪隧洞除险整治方案相关计算

3.1 原结构复核计算

钢筋混凝土衬砌结构复核计算，根据复核工况及原隧洞洞身衬砌情况，分别选取洞身前部0+005、中部0+020 及尾部0+105 典型断面进行计算[4]。

(1)计算依据和条件。根据《水工隧洞设计规范》(SL 279—2016)和《水工混凝土结构设计规范》(SL 191—2008)，对于围岩衬砌结构采用结构力学方法进行衬砌内力计算，泄洪隧洞为有压洞，混凝土衬砌按照抗裂进行复核计算。

特征水位：正常蓄水位180.00 m，设计洪水位181.31 m，校核洪水位182.83 m。

输水隧洞工程级别：2 级。

(2)计算荷载及工况。隧洞衬砌结构受力工况为完建工况、运行工况和检修工况。考虑到泄洪隧洞建成运行已50余年，现场检查衬砌结构未出现明显变位，且检修工况外水压力比完建工况大。因此，本次只对运行和检修工况进行计算，其荷载组合如表1。

表1 隧洞衬砌结构受力工况及荷载组合

(3)计算参数。衬砌混凝土原设计为150#混凝土，接近现行规范C15 混凝土，其力学参数按C15 混凝土取值，据规范(SL 191—2008)，C15混凝土轴心抗压强度设计值fc为7.2 MPa，轴心抗拉强度设计值ft为0.91 MPa，混凝土弹性模量Ec为22.0 GPa，泊松比μc为0.167。衬砌采用Ⅰ级钢筋双层配筋(HPB235)，钢筋弹性模量Es为210 GPa，钢筋抗拉强度设计值fy为210 MPa，钢筋抗压强度设计值fy′为210 MPa。钢筋混凝土衬砌容重取25 kN/m3。混凝土结构构件的承载力安全系数基本组合取1.2，偶然组合取1.0。

隧洞围岩弹性模量E为1.5 GPa，泊松比μc为0.25。隧洞衬砌开裂宽度的限值取0.30 mm。

(4)内力及配筋复核计算结果。经计算，各断面衬砌结构控制工况内力计算结果见表2。

表2 各断面衬砌结构控制工况内力计算结果

计算结果表明：

(1)隧洞衬砌实配钢筋大于最小配筋率，各断面结构受运行工况控制。

(2)在运行工况，各断面实配钢筋面积不满足规范要求，桩号0+020断面裂缝宽度不满足规范要求，需进行加固处理。

3.2 加固后复核计算

计算条件与复核计算相同。根据泄洪隧洞衬砌结构计算分析，衬砌结构主要受内水压力工况控制，在内水压力作用下衬砌结构配筋、抗裂不满足要求；同时泄洪隧洞混凝土衬砌存在裂缝、空蚀和强度偏低等问题。加固方案保留泄洪隧洞原有钢筋混凝土衬砌，在泄洪隧洞内壁粘贴具有较高抗拉强度的碳纤维布。碳纤维布与黏胶形成的复合层，既可承内水压力，又可起到较好的防渗和抗冲耐磨作用，从而使泄洪隧洞较好修复，达到正常运用要求[5]。

碳纤维布加固隧洞，参照《水利水电工程压力钢管设计规范》(SL/T 281—2020)的钢衬计算方法，按碳纤维布承担泄洪隧洞内水压力最不利条件考虑。即加固碳纤维布受内水压力作用的厚度按式(1)计算：

(1)

式中：t0为碳纤维布计算厚度，mm；P为径向均布压力，N/mm2；r为碳纤维布半径，mm;计算得碳纤维布允许应力，[σ]为1750.0 N/mm2。

最大内水压力为校核洪水位运行工况P=288.12 kPa，r=1.25 m。由此算得泄洪隧洞洞身加固需要粘贴的碳纤维布最小厚度t0=0.210 mm。实际选用厚度为0.334 mm，满足规范要求。

4 结 语

泄洪隧洞是飞剑潭水库重要的水工建筑物，具有引水发电、灌溉、泄洪等重要功能，由于建成年代久远，其现状存在较多问题，具有较大的安全隐患，因此选择合适的除险整治方案，不仅关系到整个库枢纽建筑物的安全问题还可节省投资。本文采用对隧洞洞身固结灌浆处理，而后在其表面粘贴碳纤维布2层，经过对加固后的隧洞洞身进行结构复核计算，结果满足规范要求。对飞剑潭水库泄洪隧洞采用洞身粘贴碳纤维布的加固方案在水库实际除险整治工程中取得了应有的成效,将为今后隧洞除险工程的设计提供参考。