山東岸堤水庫(kù)輸水洞除險(xiǎn)加固方案設(shè)計(jì)研究

劉 海

（山東省淮河流域水利管理局規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

我國(guó)在上世紀(jì)建設(shè)了大量的水庫(kù)，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，水庫(kù)病害問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)。水庫(kù)出現(xiàn)病害問(wèn)題不但影響到水庫(kù)發(fā)揮其自身建設(shè)的作用，也會(huì)對(duì)流域居民的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重的威脅[1~2]。因此，對(duì)病害水庫(kù)除險(xiǎn)加固的研究逐漸受到重視。趙微微[3]以九龍水庫(kù)為例，對(duì)水庫(kù)輸水洞滲漏原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的治理措施，取得了較好的工程效果；張建華等[4]對(duì)碳纖維布在輸水隧洞加固中的應(yīng)用進(jìn)行研究，認(rèn)為碳纖維布具有較好的加固效果；劉海青[5]對(duì)小型水庫(kù)輸水洞加固處理中常用的措施進(jìn)行研究，可為類似工程提供參考；歐高明[6]以黃材水庫(kù)為例，對(duì)輸水隧洞加固除險(xiǎn)技術(shù)進(jìn)行分析，采用原地重建閘室的方案對(duì)閘室進(jìn)行處理；蔡軍平[7]以十八里堡水庫(kù)為例對(duì)輸水洞豎井存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出加固措施建議；魏澤等[8]、鄧君承[9]分別以阿庫(kù)木引水樞紐和潦河灌區(qū)解放閘壩為例對(duì)閘室加固措施進(jìn)行設(shè)計(jì)，取得了較好的工程效益；王愛(ài)偉[10]以牙塘水庫(kù)為例，對(duì)輸水洞邊坡加固方案進(jìn)行研究，采用削坡和錨固的方法進(jìn)行加固，取得了較好的工程效益。

1 工程概況

山東岸堤水庫(kù)位于蒙陰縣，核定總庫(kù)容7.49億m3，興利庫(kù)容4.51億m3，興利水位176.0 m，死水位160.3 m，兼具著防洪排澇、灌溉、供水作用。該水庫(kù)輸水洞始建于上世紀(jì)60年代，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行襯砌，輸水洞總長(zhǎng)約159 m，隧洞內(nèi)徑約3.4 m，輸水洞洞壁厚度約0.6 m，閘門尺寸為3 m×3 m，進(jìn)水口的底板高程為160.3 m。目前輸水洞存在的問(wèn)題有：（1）在Ⅷ度地震烈度下，閘室穩(wěn)定性情況較差；（2）閘室結(jié)構(gòu)配筋不滿足規(guī)范要求；（3）輸水洞襯砌結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重，不滿足要求。因此，需要對(duì)輸水洞進(jìn)行除險(xiǎn)加固治理。

2 進(jìn)口段加固方案設(shè)計(jì)

進(jìn)口段根據(jù)工程地質(zhì)情況，可以分為四段。

第一段長(zhǎng)118 m，斷面形式為梯形，底寬4 m，凈高6 m，底坡i=0，邊坡坡比為1∶1。通過(guò)分析，該段穩(wěn)定性情況較好可維持現(xiàn)狀不變。

第二段長(zhǎng)28 m，斷面形式為梯形，底寬4 m，凈高6 m，底坡i=0，邊坡坡比為1∶1。該段加固方案設(shè)計(jì)如下：對(duì)原護(hù)坡和護(hù)底進(jìn)行拆除,，重新用厚40 cm的M10漿砌石進(jìn)行護(hù)砌。

第三段為漸變段，長(zhǎng)10 m，斷面形式為梯形，底寬由4 m逐漸向8 m過(guò)渡，邊坡坡比為1:1，凈高6 m。對(duì)原護(hù)坡和護(hù)底進(jìn)行拆除，重新用厚40 cm的M10漿砌石進(jìn)行護(hù)砌。

第四段為進(jìn)水池段，長(zhǎng)8 m，斷面形式為梯形，底寬8 m，邊坡坡度1∶1，凈高6 m。對(duì)原護(hù)坡和護(hù)底進(jìn)行拆除，重新用厚40 cm的M10漿砌石進(jìn)行護(hù)砌。

3 豎井閘室加固設(shè)計(jì)

3.1 孔口尺寸確定

輸水洞孔口尺寸初擬兩個(gè)方案：（1）輸水洞豎井閘門孔口尺寸采用3 m×3 m，單孔；（2）輸水洞豎井閘門孔口尺寸采用2.5 m×2.5 m，單孔。

通過(guò)計(jì)算，兩種方案孔口的過(guò)流能力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 兩種方案泄水流量對(duì)比

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，方案二在水位低于170.5 m時(shí)，不能滿足電站常年發(fā)電6750 kW需求，因此，孔口尺寸采用方案一。

3.2 過(guò)流能力計(jì)算

輸水洞豎井閘室進(jìn)口底高程為160.3 m，出口底高程159.50 m，興利水位176.0 m。計(jì)算洞身長(zhǎng)度159 m，縱向坡降1/200。

（1）流態(tài)判別

根據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)上游水深小于4.08 m時(shí)屬于無(wú)壓水；上游水深大于4.08 m，小于6.87 m時(shí)屬于半有壓水；當(dāng)上游水深大于6.87 m時(shí)屬于有壓水。

（2）過(guò)流能力計(jì)算

式中：μ 為流量系數(shù)，半有壓流 μ=0.576、η=0.715，有壓流；A表示隧洞斷面面積；a表示洞高；i表示縱坡降；L表示洞長(zhǎng)；R表示水力半徑；C表示謝才系數(shù)；β表示勢(shì)能修正系數(shù)；∑ξ表示水頭損失之和。

通過(guò)式（1），可求得水位與泄量的關(guān)系，見(jiàn)圖2。

圖2 水位與泄量之間關(guān)系曲線

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在庫(kù)水位175.4 m時(shí)，輸水洞的過(guò)流量85.1 m3/s；在庫(kù)水位為172.4 m時(shí)，輸水洞過(guò)流量為75.1 m3/s，均大于運(yùn)行最大流量47 m3/s，輸水洞輸水能力滿足發(fā)電、灌溉等運(yùn)行要求。

3.3 加固方案及穩(wěn)定性分析

對(duì)原豎井和漸變段進(jìn)行拆除。在原豎井下游8.0 m處進(jìn)行豎井閘室重建。建設(shè)總長(zhǎng)12.0 m，采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行砌筑，檢修平臺(tái)設(shè)計(jì)位于176.5 m高程處，機(jī)房位于181.5 m高程處，機(jī)房?jī)?nèi)按照要求進(jìn)行機(jī)械布置。通過(guò)寬為1.5 m的工作橋?qū)C(jī)房與下游斜坡進(jìn)行連接。在閘室兩側(cè)，采用漿砌石擋墻將閘室與斜坡進(jìn)行連接。在豎井閘室與斜坡之間采用混凝土進(jìn)行回填，表面采用M10漿砌塊石進(jìn)行護(hù)砌，厚度為40 cm。

根據(jù)工程建設(shè)、運(yùn)行期可能遇到的工況進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算工況設(shè)計(jì)如下：

工況1為施工完建期，閘室上下游均無(wú)水，地下水位與底板頂部一致；工況2為正常運(yùn)行期，豎井事故工作門開(kāi)啟，豎井周圍水位為正常蓄水位，洞內(nèi)有水；工況3為設(shè)計(jì)洪水期，豎井閘門開(kāi)啟，豎井周圍水位177.51 m（100年一遇水位）；工況4為隧洞檢修期，豎井事故工作門關(guān)閉，豎井周圍水位176.00 m，洞內(nèi)無(wú)水；工況5為校核洪水期，豎井閘門開(kāi)啟，豎井周圍水位180.33 m（10000年一遇水位）；工況6為地震期，正常運(yùn)行期遇Ⅷ度地震（垂直水流）。

閘室抗滑安全系數(shù)K計(jì)算公式如下：

式中：f表示摩擦系數(shù)；∑G、∑H分別表示豎向和水平荷載。閘室基底應(yīng)力計(jì)算公式如下：

式中：Pminmax表示基底最大和最小應(yīng)力；A表示閘室基礎(chǔ)底面面積；W表示基礎(chǔ)底面垂直水流形心軸截面矩；∑M表示對(duì)于基礎(chǔ)底面垂直水流形心軸的力矩。

通過(guò)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，各種工況下，閘室和豎井穩(wěn)定性均滿足要求。

表2 輸水洞豎井抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

表3 洞身加固各方案對(duì)比

4 輸水洞洞身加固方案設(shè)計(jì)

根據(jù)工程選擇3種方案進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。通過(guò)表3的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，選用方案一對(duì)輸水洞進(jìn)行加固處理。進(jìn)行施工前，首先需要將輸水洞內(nèi)的積水排干排凈，保持輸水洞洞壁處于干燥狀態(tài)，同時(shí)對(duì)于洞壁結(jié)構(gòu)疏松等情況較差的混凝土進(jìn)行清除，使用修復(fù)材料進(jìn)行修復(fù)治理。使用碳纖維布與浸漬膠配置符合材料，進(jìn)行加固，表面采用新型環(huán)保材料進(jìn)行封填。

在碳纖維布表面均勻涂抹浸漬樹(shù)脂。碳纖維布物理力學(xué)特性指標(biāo)表4。

表4 碳纖維布性質(zhì)

5 結(jié)論

對(duì)山東岸堤水庫(kù)輸水洞的進(jìn)口段加固、豎井閘室加固、洞身加固進(jìn)行研究。進(jìn)口段采用分段治理的措施，可以降低工程投資；使用C30鋼混結(jié)構(gòu)對(duì)豎井、閘室進(jìn)行加固可以有效提高其穩(wěn)定性；通過(guò)方案比選采用3 m×3 m的隧洞尺寸以及碳纖維布加固處理，可以滿足輸水洞輸水和穩(wěn)定要求，同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，可為類似工程提供參考。