有压泄洪洞出口闸室滑移原因分析及修复设计

符昌胜，马富强，汪 罗

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002)

1 工程概况

某水库工程位于贵州省东部，工程是以灌溉为主，兼有解决灌区农村人、畜饮水的中型水利工程，设计新增灌面0.55万hm2，工程等别为Ⅲ等。水库总库容1940万m3，正常蓄水位557.00 m，死水位为526.00 m，调节库容1460万m3。水库设计洪水位(P=2.0%)559.76 m，校核洪水位(P=0.1%)560.14 m。枢纽主要建筑物由混凝土面板堆石坝、右岸侧槽式不设闸溢洪道、右岸导流兼泄洪洞、右岸灌溉取水隧洞等组成。

泄洪洞布置在右岸，由导流隧洞采用龙抬头方式改造而成，分别由岸塔式进水口、上平段、斜洞段、下平段和出口闸室段组成。进口设事故检修平板闸门，孔口尺寸4.8 m×4.8 m。隧洞为圆形有压洞，直径4.8 m，采用0.5 m的C30钢筋混凝土衬砌。洞身由三段组成：0+012.20～0+039.20为水平段，底板高程525.00 m；0+039.20～0+080.04为下弯段，水平长度40.84 m，底板高程525.00～504.15 m；0+080.04～0+24.00为下平段，水平长度159.96 m。隧洞末端设10 m长压坡收缩渐变段。出口设弧形工作闸门，孔口尺寸4.0 m×4.0 m。

2 闸室滑移过程及原因分析

2.1 闸室滑移过程

2013年3月水库开始蓄水，4月底水库水位上升至正常蓄水位557.00 m并保持正常蓄水位运行。2013年5月29日下午6点水库水位为557.60 m，溢洪道下泄流量约45 m3/s，约2 h后，泄洪洞出口闸室失稳，闸室左边墙向下游滑移23.2 m，偏向河床方向距轴线4.5 m，右侧边墙向下游滑移倾倒17.4 m，并向河床方向距轴线4.5 m。两侧墙倾倒方向一致，均为倒向山坡，倾角左侧墙为60°，右侧墙为45°；顶部闸室不见踪影，弧形工作支座钢梁右侧与侧墙脱离。隧洞出口山体受到洪水冲刷，出口左侧山体出现张拉裂缝，部分坡体稳定性差。

2.2 闸室滑移原因分析

5月30日省水利厅、省水利质量监督站及设计单位相关人员到达事故现场进行查看。5月31日相关各方在县水务局召开会议，成立事故调查小组，各部门根据事故调查程序展开工作。6月1日水利部专家组到达事故现场并进行了详细勘察，6月3日水利部专家组根据现场调查和资料查阅情况召开会议，初步分析闸室沿底部混凝土施工冷缝滑出。

8月28日根据水利厅调查小组安排，闸室基础完成排水，同时结合基础钻孔取芯判断，闸室底部混凝土与基岩石结合良好，最终判定闸室滑移原因为：闸室沿底部混凝土施工冷缝滑出。闸室滑动破坏面示意图见图1。

图1 闸室滑动破坏面示意图

闸室发生滑移后，设计单位对施工现场进行了详细的勘察，同时结合结构布置和运行状况分析，导致滑移发生的主要因素有：

(1)止水失效导致闸室受上游滑动力大幅度增加。受工程进度影响，隧洞出口混凝土浇筑于2004年10月完成，紧接隧洞出口的闸室混凝土直到2011年10月才进行浇筑，两个结构之间的铜片止水未进行有效保护，长期暴露，老化破损明显。此外，闸室混凝土浇筑施工队伍不是专业的水利施工队伍，对铜片止水的重要性没有认识，部分铜片止水被弯折后贴在缝面上，完全没有起到止水的作用。泄洪洞出口因采用方圆渐变压坡，隧洞在出口桩号衬砌厚度明显加大，因此闸室与隧洞接缝面积较大。设计计算闸室上游水压力面积采用铜片止水内面积为25 m2，孔口中心线与设计洪水位之间水头差58.32 m，相应水压力1458 t。但实际施工后，闸室于隧洞出口衬砌接触面积约48 m2，相应的水压力达到了2800 t，大大超出设计的水压力荷载。

此外，上游泄洪洞裂缝较多，内水外渗，固结灌浆孔未进行有效封孔等因素也加剧了闸室上游水压力的增加。

(2)混凝土浇筑质量差导致闸室结构抗滑力明显减小。根据现场勘察，闸室滑动面主要发生在闸室基础混凝土的中部位置。根据钻孔取芯检测结果，闸室基础混凝土强度不满足设计要求，实际抗压强度仅为9～17 MPa，未达到设计要求的C20混凝土强度。此外，混凝土级配也仅仅接近一级配，远达不到设计要求的二级配。最后，从滑动面现场看，混凝土表面光滑，说明混凝土浇筑时该高程的冷缝并未进行高压水冲毛、人工凿毛，浇筑前铺砂浆等处理，直接导致了结构沿此冷缝面滑出。

(3)闸门渗水运行管理不规范导致混凝土层面产生张力。根据现场运行管理反馈，水库蓄水后工作闸门长期渗水，闸门底部有高压水射流，运行过程中为了减少漏水，加大了闸门下压力，从而使得闸室结构在闸门底坎下游部分受到较大的向上顶托力，加之闸门底坎下部设置有排水幕，洞内渗水进入拉应力产生的混凝土施工层面，进一步恶化了结构的完整性。从现场来看，闸室底板在闸门底坎以上未变形也可以验证这一点。

3 闸室修复设计

3.1 闸室修复方案比选

受业主委托，设计单位对工程闸室修复进行设计，首先结合现场条件进行了闸室布置的方案比选。

工作闸室位置可布置于泄洪隧洞下平段和出口段。根据工作闸室基础大体积混凝土和阻滑板仍存在，因此工作闸室原址恢复方案是可行的。考虑到工作闸室与于泄洪隧洞的连接及闸门承受的水头较高，可采用两座小闸室(即增加一工作闸室)代替原大闸室方案进行比选。

因此工作闸室2个位置布置方案与1座大闸室方案、2座小闸室方案进行组合，可产生布置4个方案进行比较，同时原址恢复出口弧门闸室方案根据上游隧洞修复方案不同，闸室尺寸也有所差异，因此共列出如下5个方案进行比选[1-2]。

方案一：原址恢复出口弧门闸室(隧洞补强采用聚脲喷涂)。

方案二：原址复建平门闸室+新增支洞出口弧门闸室。

方案三：隧洞下平段山体内新建弧门闸室。

方案四：隧洞下平段新建平门闸室+新增支洞出口弧门闸室。

方案五：原址恢复出口弧门闸室(隧洞补强采用内衬钢筋混凝土)。

因现有隧洞衬砌质量较差，特别是局部衬砌厚度不到设计厚度值的60%。为满足衬砌强度和耐久性等要求，衬砌修复方案主要有两种：一是对衬砌外侧脱空部分进行回填灌浆后，在现有衬砌内增设30cm厚C35钢筋混凝土，以满足强度、抗冲和防渗要求；二是对衬砌外侧脱空部分进行回填灌浆后，再对围岩进行强化固结灌浆，在衬砌内表面进行平整度修复，然后进行新型防渗材料喷混凝土，如聚脲[3-4]。

经投资比选，内衬修复方案每米洞段投资6185元，聚脲喷涂方案每米洞段投资6855元，内衬修复方案投资较省。从结构可靠度角度分析，设计也推荐采用内衬30 cm厚C35钢筋混凝土衬砌进行补强，但内衬钢筋混凝土将缩小隧洞过水断面，使得水库校核洪水位升高0.25 m。经复核，枢纽建筑物均能满足水库水位上升要求。但水库特征水位变化属重大设计变更，因此洞身段修复最终推荐采用聚脲喷涂，鉴于喷涂应用较少，因此，建议水库运行期每年对泄洪隧洞进行放空检查，发现异常，及时修复。

根据各方案隧洞洞顶压力水头计算控制，各方案闸门布置见表1。对各方案进行工程布置设计后综合对比见表2。

表1 各方案比较闸门孔口尺寸

表2 修复方案综合比选

续表2

经上述多因素综合对比，原址恢复方案优于设支洞双闸门方案(方案二、方案四)和山体内设闸方案(方案三)。

3.2 闸室修复设计

泄洪洞出口工作闸室布置于原有闸室基础上，平面布置位置位于隧洞出口下游4 m。原闸室下部未滑动的混凝土全部拆除。受洞内修复衬砌和出口段钢管的束窄影响，工作闸门孔口尺寸由原施工图的4.0 m×4.0 m缩小为3.7 m×4.0 m(宽×高)，闸室结构尺寸略有减小。闸室总长42.607 m，由上游涵管段、闸室段和下游阻滑板段组成。

相对滑移前的闸室设计，修复设计主要变化内容和考虑因素有：(1)隧洞出口设压力钢管段，减少洞内渗水，同时钢管伸入闸室上游侧，增加闸室稳定性。(2)闸室不再与上游侧山体紧靠，而是留出4 m的间隙，设置涵管段，在涵管段下部岩体设置竖向排水孔，上游山体设置水平排水孔，有效减少闸室基础扬压力。(3)闸室混凝土采用三级配混凝土，强度采用C30，提高结构抗冲能力和混凝土抗剪能力。(4)闸室与右侧山体之间间隙不再回填，减少山体渗水影响，同时预应力锚索施力方向改为向下，并在闸室两侧边墙布置基础渗水压力观察孔，便于随时了解基础扬压力情况。(5)明确闸室混凝土分仓要求，采用下游高上游低的台阶状分仓，避免出现贯通的水平面施工缝，同时对施工缝处理严格按照混凝土施工规范进行要求。

泄洪洞出口闸室于2013年底开始实施，2015年6月完工，2015年底水库开始蓄水，至今已正常运行5年多，运行正常。

4 结论及建议

(1)采用龙抬头方式改造导流洞后作为泄洪或取水隧洞是一种常见的结构布置形式，隧洞为有压运行，流态较好，且隧洞断面较小，但往往造成出口闸室稳定运行条件不利，因此需重点注意出口闸室抗滑稳定设计和现场实施保障。

(2)对于工期较长的施工项目，在后期结构实施前，需对前期结构进行全面检查复核，对现场工程缺陷进行有效处理。

(3)水工结构混凝土受力条件较为复杂，受力边界易受到外界因素产生较大变化，因此需严格做好混凝土浇筑质量把控，同时浇筑分仓应结合受力特点科学布置，此外，对于体积较大的结构，宜采用高级配混凝土，可以减小水泥用量，减少结构温升开裂的风险，同时也有利于结构的抗剪和抗冲磨。