田村水库放水涵洞设计研究

2022-12-12王周奇

河南水利与南水北调 2022年9期

王周奇

（泰安市水利勘测设计研究院有限公司，山东泰安 271000）

1 工程概述

田村水库位于新泰市禹村镇境内柴汶河支流禹村河上游，控制流域面积15 km2，是一座防洪、农业灌溉、渔业养殖等综合运用的中型水库。大坝原设计为壤土均质土坝，坝顶长784 m，最大坝高16.50 m。田村水库防洪标准：100年一遇设计洪水位为184.65 m，相应库容为983.50 万m3，1000 年一遇校核洪水位185.27 m，相应库容为1 084 万m3。田村水库枢纽建筑物由大坝、溢洪道及放水洞组成。2016年12月5日，受新泰市田村水库除险加固工程建设管理处委托，泰安市水利勘测设计研究院承担新泰市田村水库除险加固工程勘察设计工作。

2 放水涵洞加固方案的选择

2.1 拆除重建放水涵洞

此方案适用于各种尺寸、各种结构形式的断裂漏水等；可以彻底解决漏水问题，防渗效果较好；不足之处是开挖断面大，投资较大，工期较长，施工难度较大，对涵洞回填作业要求程度高，回填不密实容易出现漏水现象。泰安市彩山水库、胜利水库都采用了此方案，取得了一劳永逸的效果。

2.2 放水涵洞内衬砌处理

此方案分为内衬和套管两种，适用于较大尺寸、各种材料的破损坏性漏水。内衬是在原涵管内壁衬砌浆砌混凝土加气块或预制水泥混凝土管。套管是将预制管道分节嵌在原涵洞内，然后在新旧涵管之间进行填充水泥砂浆和填充灌浆。特点是防渗效果好；不足是施工难度大，工期长，投资大。最大问题是放水涵洞断面变小，导致过流量减小，对下游有较大的用水需求和防汛抢险非常不利。泰安市黄前水库、东周水库采用的是此种方案，由此造成的不足也已显现。

2.3 放水涵洞充填灌浆处理

此方案适用于较大尺寸的涵洞且建筑材料破坏性漏水严重；优点是投资较大，但工期较长，施工难度低；缺点是防渗工程量大，质量控制难度大，但效果较好。对放水涵洞的破损部位采用混凝土加气块进行回填处理时，往往要有施工人员在围堰保护下进入到放水涵洞中进行砌筑作业，施工难度较大，特别是当放水涵洞较长时，还要有相应的材料、操作工具及通风、照明等安全配套设施到位后才能开始实施。皮山县波斯干水库的实际经验证明，灌浆处理的效果和强度上均达到设计要求。

根据《关于山东省新泰市田村水库除险加固工程初步设计的批复》中确定：放水洞位于大坝桩号0+565 处。放水洞竖井拆除重建，拆除原拱涵，新建钢筋混凝土箱涵。在施工图设计时综合考虑，同时与批复相一致，拆除原拱涵，新建钢筋混凝土放水涵洞方案。

3 放水涵洞结构型式的选择

放水涵洞设计时，一般要求将涵洞放在岩基上。由于当时的生产力发展水平和技术条件,水库放水涵洞可能设置在了软基上，宜在基础、结构上进行加强，校核涵洞的纵向强度和加厚涵管底板的局部或整体工作没有进行，以致基础结构等设计质量较差,更多的是因结构型式的不当而出现问题。受当时建筑材料和施工的限制，采用了桨砌石结构的,运行多年后,由于冰冻或基础不均匀沉降等原因,洞体断裂,洞身与翼墙脱节,结构损坏严重,渗径短路；使用了预制水泥混凝土管结构,也因冰冻或基础沉降出现接头断裂、错位、深漏现象严重等形成隐患。以上两种结构型式均以其整体性差、抗渗抗冻能力低及强度达不到要求而不适用于现代化水库放水涵洞建设。同时由于放水涵洞的功能重要且深埋于大坝底下，一旦出现问题，维修会比较困难，从结构上分析,应以钢筋混凝结构为宜。其结构特点是受力比较明确，抗变形能力较强、整体性好、防渗抗冻能力强、安全性能高，使用寿命较长，并且施工技术成熟，质量高。尽管一次性投资较大,但运行维护抢险费用低廉，经济合理可行。

4 放水涵洞的总体设计

水库放水涵洞功能非常重要，在放水涵洞的设计过程中，尤其要注意与所在位置处的水库大坝断面协调一致。涵洞的长度不但决定涵洞自身的工期和工程量，而且还关系到大坝的工程量及工期。故而涵洞长度对工程造价有着重要的影响，设计人员需要不断验算、比较，找到合理且有效可行的方案。若涵洞洞身长度较小，则洞身工程量较小，但此处与大坝的衔接会受到影响，此处上、下游翼墙就会很高，同时对大坝稳定安全不利；相反涵洞洞身长度较大，则洞身工程量较大，则堤防上、下游翼墙高度相对较小。

同时还必须考虑到涵闸的渗径长度是否可以达到抗渗的要求，如果无法达到抗渗的要求，就必须考虑延长渗径或者是采取截渗的防护措施。一般而言，涵洞洞身的截面较小的涵闸，洞身的长度在设计时还是适当大点的为好，而涵洞洞身断面较大的涵闸，则洞身的长度可能稍微小一些。

放水涵洞的轴线应当与坝轴线垂直，防止弯曲，可使水流顺畅且保证涵洞线路短，纵向坡度宜为1/100～1/200。进、出口高程需根据不同用水户的要求等因素综合确定，一般情况下，进口高程应不低于原河床2.00 m。涵洞出口的消力池应当设置在坝脚外侧，而不可以将消力池设置在坝体范围内。

一般把闸门井设置在坝体内的形式称为竖井式，把闸门井设置在上游坝坡附近的形式称为塔式。塔式布置往往受冰冻的影响，容易遭受破坏，不如竖井式简单可靠且竖井式不要修建较长的工作桥。田村水库放水涵洞选择了竖井式。

钢筋混凝土矩形结构竖井上部有启闭机房，启闭房四周的临空面设置有安全防护栏杆。竖井顶部高度必须高于设计的校核洪水位，才利于闸门的启闭和检修。竖井内应同时设置平板检修闸门和工作闸门，闸门下游应设有通气孔，防止形成真空或负压产生气蚀。通气孔出口应设置在启闭机房外，可防止通气孔产生的巨大气压损坏启闭机房或产生安全事故。有的水库只设有工作闸门，无检修闸门。实践证明如无检修闸门，在管理运用上极不方便。

田村水库放水涵洞位于大坝桩号0+565 处，设计流量1.50 m3/s。采用了竖井式，轴线与大坝轴线垂直，纵坡为1%。主要由进口段、竖井段、洞身段和消能段组成，全长91.58 m。进水口采用八字墙式C30钢筋混凝土矩形槽结构，长度8 m，底宽由4.60 m渐变为2.70 m。C30钢筋混凝土箱涵结构的洞身截面尺寸为1.50 N 2.00 m，壁厚0.50 m。底板高程为174.80 m，洞身长度为62.50 m，分为7 节。闸室段长8.50 m，竖井塔身为C30钢筋混凝土结构，闸底板尺寸为8.50 N 5.10 m，底板和侧墙厚度均为0.80 m。底板顶高程为174.80 m。闸室内同时设置了检修闸门和工作闸门，工作闸门和检修闸门净间距2.50 m，采用1.50 N 2.00 m潜孔式平面钢闸门，均为后止水，竖井与进出水口之间通过钢筋混凝土箱涵连接。放水洞下游出口段设平坡段、陡坡段和消力池，长度分别为4 m，4 m 和5 m，出口段总长23.00 m（包括与渠道连接段），其中平坡段与陡坡段采用1：4的陡坡与消力池连，消力池深度0.50 m，与下游灌溉渠道连接。

5 放水涵洞的创新设计

5.1 涵洞的分节设计

施工图设计时对放水涵洞初步设计阶段的分缝长度进行了调整，由初步设计阶段8.00 m调整到了施工图阶段的9.00 m，可以减小因分缝较多而带来漏水的风险；结合山东黄河水利勘测设计研究院在涵洞设计方面多年取得的成功经验，在涵洞分缝处采用了1.00 N 0.50 m 的垫梁设计，可有效防止涵洞节间的不均匀沉降，因变形较大而撕裂分缝止水；此次在结构分缝处，共设计了2道止水，一道为埋设于混凝土结构中的铜止水，另一道为安装在放水洞内壁混凝土表层且易于更换的洞内橡胶明止水，在橡胶明止水安装时，预埋螺栓、止水压板均要求采用不锈钢制作。

5.2 涵洞绕渗问题设计

田村水库放水涵洞根据总体布置，在竖井后第一节和第二节涵洞管节上均设置了2.00 N 0.50 m的钢筋混凝凝土截渗环，在两处截渗环之间，为此次大坝塑性混凝土防渗板墙，充分利用了犬牙交错的方式延长了渗径，有效解决了洞顶渗与侧渗问题。

5.3 涵洞的金属结构设计

已建成放水涵洞，尤其是在闸门设计时,普遍存在问题。一是没有考虑水中浮砂的影响,多数是采用以滚轮减小摩擦的形式，由于浮砂的存在，可能导致滚轮卡死，闸门启闭困难；二是有的闸门槽施工粗糙精度不够,导致应处于同一垂直面的胸墙和门槽橡胶止水支承面不在同一垂直面上；三是有些橡胶止水质量较差，弹性度不够,加上安装质量差；四是水库放水涵洞一般都较深，加上螺杆能满足要求，但螺杆可能是计算启门力吨位上一吨位级别的螺杆粗细程度，也就是说启闭机吨位的装置比计算的高了一个级别，不仅导致能耗大不经济而且因为固定螺杆防止螺杆变形的支座给闸门启闭带来麻烦。这也是所有总闸门安装完成后漏水及使用不方便的主要原因。

在金属结构设计过程中，闸门移动装置采用的滑块设计而不是滚轮，可有效防止闸门采用滚轮因浮砂而使滚轮不滚动造成闸门启闭困难，螺杆式启闭机采用标准螺杆，螺杆与闸门吊耳之间采用的是型钢桁架，可有效解决螺杆启闭机因启闭而使加长螺杆弯曲的问题。

在检修闸门设计建议根据不同的闸门形式，选择合适有利的止水型式。采用后止水的设计形式，在闸门关闭挡水时，可以充分利用上游水产生的水压力，将水封推向水封座伸变形贴紧座板、利用水压，将水封压紧，防止止水渗漏的风险。

5.4 涵洞回填土的设计

①坡度陡于1：3 时，必须开登回填。涵洞完成后，当混凝土强度达到设计强度的90%时，方可进行回填土。②涵洞填土从涵身两侧不小于2 倍孔径范围内，同时水平分层、对称地填筑、夯（压）实。用机械填土时，涵洞顶上填土厚度必须大于2 m。③回填前应先用红油漆画出分层填筑线，而后按填筑线分层碾压，以确保墙体稳定。填筑时，先将建筑物表面湿润，边涂泥浆，边铺土，边夯实，涂浆高度与铺土厚度一致，涂层厚宜为3～5 mm。④建筑物两侧回填土，须保持均衡上升；对于靠近闸室，消力池以及齿墙等机械无法操作的部位由人工用木/铁榔头或小型快速冲击夯夯实，回填土的压实值必须达到设计要求。