联和水库除险加固工程检修隧洞方案选择及设计

刘天芬

(惠州市华禹水利水电工程勘测设计有限公司，广东 惠州 516001)

1 工程概况

联和水库位于东江水系一级支流联和水中游，地处博罗县福田镇石巷村，水库枢纽由主副坝、溢洪道、输水隧洞及坝后电站组成，是一宗以灌溉为主，结合供水、防洪、发电等综合利用的中型水库。库区集雨面积为110.8 km2，最大库容为8 094万m3，灌溉面积为11.74万亩，日供水量为4.48万m3/d，负责2个镇5万居民的生活用水。水库大坝原设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为500年一遇，经1989年加固后水库设计和校核洪水标准分别为100年一遇和1 000年一遇。水库正常蓄水位为56.65 m，相应库容为6 115万m3；死水位为31.65 m，相应库容为474万m3；设计洪水位为60.78 m，对应库容为7 573万m3；校核洪水位为62.20 m，对应库容为8 105万m3。

水库于1958年11月动工兴建，1964年完工，由于历史原因，工程一直带病运行，2014年1月经安全鉴定为三类坝，急需对水库主副坝、溢洪道、输水隧洞等进行除险加固。现状输水隧洞主要担负灌溉、泄洪、供水、发电任务，加固后功能保持不变，其控制措施由进口事故闸门及管道末端锥形阀控制，在运行过程中若需对隧洞进行检修，则需停止供水，直接影响对福田镇和石湾镇5万人的生活用水，为减小隧洞检修对居民供水的影响，保证居民用水不会因为水库隧洞检修而中断，本次水库除险加固计划新建检修隧洞以满足福田镇和石湾镇的供水保证率要求。

2 隧洞方案比选

2.1 技术比选

2.1.1选址选线

根据联和水库现场地形条件，初步拟定检修隧洞位置。结合下游供水接驳、运行管理等要求，本次设计拟定洞址有两处，分别位于主坝右岸和左岸，即现状隧洞与主坝右岸之间山体内，洞长约153 m(即方案1)。主坝左岸与副坝之间的山体内，洞长约185 m(即方案2)，具体位置见图1。从选址选线来看，方案1优于方案2。

图1 检修隧洞方案比较平面示意

2.1.2地质条件

方案1为大坝右侧隧洞。隧洞进出口段成洞条件差，应进行开槽施工至稳定洞脸后方可进洞，并采取必要的支护措施；隧洞洞体段岩层为强、弱、微风化花岗岩，属Ⅳ～Ⅱ类围岩，洞体大部分地段Ⅳ、Ⅲ类围岩，稳定性较差，应采取必要的支护措施。

方案2为大坝左侧隧洞。隧洞进口、洞体段岩层为微风化花岗岩，属Ⅱ类围岩，基本稳定，围岩整体稳定，不会产生塑性变形，局部可能产生掉块；出口段岩层为强、弱风化花岗岩，属Ⅳ～Ⅲ类围岩，围岩稳定性较差，应采取必要的支护措施。

从隧洞成洞地质条件来看，方案2优于方案1。

2.1.3结构方案

根据检修隧洞供水需要，结合施工要求，初拟2 条洞线的隧洞均采用城门洞型[4]，成洞直径为2 m，成洞后于围岩间隔0.8 m梅花型布设Φ22锚杆，锚杆长2.5 m，并挂Φ8@200 mm钢筋网，然后喷射0.1 m厚C25砼[11-13]。待砼达到龄期后隧洞内套壁厚14 mmΦ1.6 m钢管，钢管与隧洞之间用自密实细石混凝土回填，并对管壁进行回填灌浆[14]。在隧洞出口处，钢管驳长为灌溉及供水管，并从钢管分出2个Φ800和1个Φ1 000压力钢管，作为临时灌溉和供水管，驳长压力钢管壁厚14 mm，临时灌溉管出口设闸阀控制，供水管与现状供水管连接并设闸阀控制。2 条洞线方案其永久管连接于现状隧洞出口驳长钢管段，由于隧洞长度不同，驳接钢管长度不同。从结构方案来看，2 个方案基本相同。

2.1.4施工条件

方案1和方案2均采用钻爆法[7-10]并用锚杆+挂网喷射C25砼[11-13]施工方案，但方案1隧洞长153.41 m，方案2隧洞长185.49 m，方案2施工工期更长。

方案1和方案2均需设置施工围堰，经计算施工洪水位为42.20 m，方案1进口围堰采用均质土石围堰，围堰长57.8 m，顶宽3.5 m，迎水坡坡比为1∶2.0，背水坡坡比为1∶1.5，围堰基础底高程为37.0 m。顶部高程为43.0 m，为保留足够的库容，围堰顶加设500 mm高砂包围堰。围堰迎水侧设置500 mm厚黏土防渗。方案2进口围堰采用均质土石围堰，围堰长105.1 m，顶宽3.5 m，迎水坡坡比为1∶2.5，背水坡坡比为1∶1.5，围堰基础底高程为30 m。顶部高程为43.0 m，为保留足够的库容，围堰顶加设500 mm高砂包围堰。围堰迎水侧设置500 mm厚黏土防渗。方案1围堰平均高约5 m，方案2围堰平均高13 m，围堰填筑为水中填土，方案2围堰填筑高度较大，难以保证施工质量，可能存在安全隐患，因此从围堰施工角度来看，方案1比方案2更优。

2.1.5运行管理

方案1隧洞后驳接管长40.57 m，位于山体后平地上，管线较短便于管道巡查、检修。方案2隧洞后驳接管长458.03 m，需沿水库进库公路埋设，对建成后的巡查、检修不利，且管道经过主坝坝脚，如出现爆管将直接影响水库主坝的安全。因此从运行管理上来看，方案1更优。

2.2 生态比选

生态比选主要是对两个隧洞工程方案的节能减排情况进行比较。对2个隧洞设计方案的水泥用量和钢材用量进行统计，根据2个方案中水泥、钢材用量，折算成对应所需消耗的标准煤，再根据每燃烧1 t标准煤产生的CO2排放量，分别计算出2 个方案的CO2排放量，从而就可以比较2个方案的节能减排情况，即可判断2个隧洞方案的生态性。

据查相关资料，我国目前生产每1 t水泥需消耗约235 kg标准煤，而燃烧1 kg标准煤产生约2.5 kg 二氧化碳[15]。即1 t水泥消耗0.235 t标准煤，而燃烧1 t标准煤产生2.5 t CO2。则1 t水泥产生的CO2为：0.235×2.5=0.587 5 t。

根据2020年中国钢铁工业协会统计数据，我国2020年每吨钢的平均能耗约为0.55 t标准煤，折算1 t标准煤约排放为2.66～2.72 t CO2。则生产1 t钢产生的CO2：0.55×2.69=1.48 t。详细比较见表1(水泥用量比较)及表2(钢材用量比较)。

表1 检修隧洞2个设计方案水泥用量(节能减排)比较

表2 检修隧洞2个设计方案钢材用量(节能减排)比较

从表1 、表2可知，方案1与方案2的CO2排放量分别为：261.64+357.41=619.05 t，264.36+678.00 =942.36 t。即方案2比方案1多排放CO2量323.31 t，因此，从节能减排(生态)方面比较，方案1优于方案2。

2.3 经济比较

根据2个隧洞方案的结构设计成果，比较2个方案的工程造价(见表3)。由表3可知，方案1比方案2节省投资518.71万元，方案1经济上更合理。

表3 2个检修隧洞方案造价比较

2.4 方案最终确定

从技术、节能减排(生态)和经济3方面比较可知，方案1不仅技术可行，节能减排，而且经济更合理，节约投资，因此本次设计采用方案1新建检修隧洞。根据上述论述，对2 个隧洞方案进行最终综合比较(见表4)。

表4 联和水库检修隧洞方案综合比较

3 隧洞设计计算

3.1 过流能力计算

新建隧洞进口高程为31.65 m，出口高程为22.92 m，总长为379 m，根据《水力计算手册》[5]水工隧洞的水力计算部分，有压隧洞过流能力按非淹没有压流计算，检修隧洞过流能力计算成果见表5。

表5 检修隧洞水位～流量

灌区设计流量与城镇供水流量合计为11.58 m3/s，根据以上计算结果，水库在正常水位41 m高程以上时，过流能力满足灌溉及供水要求。

3.2 隧洞压力钢管结构计算

钢管材料为Q235钢，设计容许应力[σ]=145 MPa，弹性模量E=2.0×105MPa。按遭遇校核洪水工况计算钢管结构。

1)钢管壁厚计算

根据《水电站建筑物》[4]清华大学出版社的“锅炉”公式，钢管壁厚按下式计算：

(1)

式中：

γ——水容重，9.8 kN/m3；

H——校核洪水位作用水头，27.16 m；

D——钢管内径，1.6 m；

[σ]——钢材容许应力，145 MPa；

Φ——焊接系数，0.9；

d——裕度，2mm；

δ——钢管壁厚，mm。

计算得，δ=3.63 mm。

根据《水工设计手册》[2]第七卷，构造要求的钢管壁厚按下式计算：

(2)

计算得，δ≥6 mm，因隧洞出口下游钢管存在部分架空管段，根据《05s506—1自承式平直形架空钢管》[6]及架空管段钢管跨度，钢管设计壁厚采用14 mm。

2)钢管应力计算

计算内容为钢管的膜应力计算及抵抗外力稳定计算。

① 应力复核

内水压力：

P=γwHp=9.8×103×27.16=2.66×105N/m2。

径向力：

N=PR内=2.66×105×0.8=2.13×105N/m。

膜应力：

σ=N/δ=2.13×105/(14×10-3)=15.2 MPa<[σ]。

② 抵抗外力稳定分析

管壁的临界外压：

Pcr=2E(δ/D0)3=2×2.0×105×(0.014/1.6)3=0.27 MPa>0.1 MPa。

③ 结论

钢管膜应力小于钢材允许值，钢管抵抗外压力大于0.1 MPa，应力满足要求。

3.3 进水口稳定计算

检修隧洞进水口为塔式进水口，建基面为新开挖弱风化花岗岩，基面高程为34.00 m，闸室底板高程为35.00 m，启闭机室底板高程为63.50 m。进水口需进行稳定计算，计算内容包括基底应力计算、抗滑稳定、抗倾覆稳定和抗浮稳定计算。

3.3.1计算工况

工况①：水库水位为正常蓄水位56.65 m；

工况②：完建未挡水；

工况③：水库水位为校核洪水位62.16 m。

3.3.2荷载组合(见表6)

表6 稳定计算荷载组合

1)主要荷载

① 自重G1：进水口(底板+边墙)；自重G2：进水口(顶板)；自重G3：排架柱、启闭机室、闸门及启闭机。

② 水重G4。

③ 静水压力P。

④ 扬压力U。

⑤ 风压力Wk。

经过计算，进水口抗滑、抗倾、抗浮及基底应力计算结果见表7～表10。

表7 隧洞进水口抗滑稳定计算成果 kN

表8 隧洞进水口抗倾覆稳定计算成果 kN·m

表9 隧洞进水口抗浮稳定计算成果 kN

表10 隧洞进水口基底应力计算成果 kPa

根据计算，进水口在各计算工况下抗滑、抗倾覆、抗浮稳定系数大于规范允许值；进水口在各计算工况下基底最大压应力小于地基允许承载力，且未出现拉应力，满足规范要求。

4 结语

本文根据联和水库现场地形条件，并结合下游供水接驳、运行管理等要求，对检修隧洞的位置进行多方面的对比后，选择了技术可靠、节能生态、经济合理、切实可行的设计方案。同时对隧洞的过流能力和主要结构设计进行验算，完全满足设计目的和安全要求。检修隧洞建成以来运行实践表明，隧洞运行情况良好，达到了设计目的。新建检修隧洞的设计思路和计算方法可为类似工程提供参考。