漳澤水庫泄水洞洞身結(jié)構(gòu)安全分析

馮文濤

（山西省漳澤水庫管理局，山西 長(zhǎng)治 046021）

1 工程概況

漳澤水庫位于山西省長(zhǎng)治市北郊濁漳河南源干流上，為濁漳河南源的控制性樞紐工程，為均質(zhì)土壩，控制流域面積3176.0 km2，大（二）型水庫，總庫容4.27 億m3，興利庫容1.1 億m3，調(diào)洪庫容3.3 億m3。1959 年11 月，大壩動(dòng)工興建，1989 年10 月～1995 年6 月，大壩進(jìn)行全面加固，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到100 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到2000 年一遇。樞紐工程包括主壩、副壩、溢洪道、泄水洞和輸水洞等。

泄水洞位于主河槽左岸黃土臺(tái)地上，壩軸樁號(hào)0+800 處。泄水洞全長(zhǎng)97.0 m，由進(jìn)水塔、洞身、陡槽段、消力池等組成。泄水洞為二級(jí)建筑物，洞身樁號(hào)0+010.6～0+097，長(zhǎng)86.4 m，縱坡1.28‰，進(jìn)口底高程891.30m，斷面為3.2 m×3.575 m 的馬蹄型，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌頂厚70 cm，底厚95 cm。每8 m設(shè)一道沉降縫。泄水洞洞身縱剖面見圖1。

圖1 泄水洞洞身縱剖面圖

2 結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算分析方法

泄水洞建于黃土臺(tái)地上，為壩下涵洞，地基為第四系上更新統(tǒng)洪沖積低液限粘土，上覆壩體厚度（低液限粘土）為0～15.7 m。目前，路基和堤壩工程中對(duì)填埋式隧洞的豎向土壓力計(jì)算不夠準(zhǔn)確。本次復(fù)核采用回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度；有限單元法來計(jì)算隧洞襯砌受力，然后根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果計(jì)算襯砌所需配筋，進(jìn)而校核原設(shè)計(jì)配筋能否滿足要求，計(jì)算襯砌裂縫寬度是否超出限值。

3 混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)

泄水洞洞身段因存在高濃度的H2S 有毒氣體，為保障安全，故選取泄水洞出口側(cè)墻混凝土構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，因出口側(cè)墻與洞身段混凝土各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)相同，故認(rèn)定抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果可以取用。對(duì)泄水洞出口側(cè)墻混凝土構(gòu)件采用回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)過程按照《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 23-2011）進(jìn)行。抽檢結(jié)果見表1。

表1 泄水洞洞身混凝土回彈法強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)結(jié)果表明：泄水洞出口側(cè)墻混凝土抗壓強(qiáng)度推定值為26.3 MPa，高于側(cè)墻混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)200#（相當(dāng)于C18），滿足設(shè)計(jì)要求。故可認(rèn)定為泄水洞洞身襯砌混凝土抗壓強(qiáng)度推定值高于原設(shè)計(jì)強(qiáng)度值。

4 洞身襯砌配筋計(jì)算分析

4.1 有限元計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

原設(shè)計(jì)泄水洞洞身襯砌采用200#鋼筋混凝土，Ⅰ級(jí)鋼筋，截面型式為馬蹄形，襯砌頂厚70 cm，底厚95 cm。本次復(fù)核計(jì)算斷面取泄0+050，泄水洞截面結(jié)構(gòu)尺寸見圖2，計(jì)算模型見圖3。

模型X 軸（水平距離）垂直于泄水洞軸線，X 軸方向模型長(zhǎng)約20 m（兩側(cè)土體厚度約為兩倍洞徑）；Y 軸鉛垂于泄水洞軸線，向上至壩頂，向下取隧洞下8 m（約為兩倍洞徑厚度），模型高約32 m。共有節(jié)點(diǎn)2622 個(gè)，單元2522 個(gè)。計(jì)算截面處在校核洪水位907.6 m，閘門關(guān)閉，洞中無水且考慮外水壓力情況下，浸潤(rùn)線位置見模型圖3 中虛線。隧洞壁采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。計(jì)算模型采用線彈性模型。

圖2 泄水洞截面尺寸圖（cm）

圖3 計(jì)算模型圖（m）

計(jì)算選取最不利工況：校核洪水位907.6 m，閘門關(guān)閉，洞中無水且考慮外水壓力情況。外水壓力根據(jù)校核洪水位工況下滲流計(jì)算成果確定，浸潤(rùn)線高程取902.7 m。覆土參數(shù)根據(jù)2015 年地質(zhì)勘探報(bào)告資料確定。計(jì)算參數(shù)選取見表2。

表2 計(jì)算參數(shù)表

4.2 有限元計(jì)算成果

采用geostudio 軟件進(jìn)行有限單元計(jì)算，邊界條件的選?。耗Ｐ蚗 軸（水平距離）垂直于泄水洞軸線，X 軸方向模型長(zhǎng)約20 m（兩側(cè)土體厚度約為兩倍洞徑）；Y 軸鉛垂于泄水洞軸線，向上至壩頂，向下取隧洞下8 m（約為兩倍洞徑厚度），模型高約32 m。圖4 為主壓應(yīng)力分布云圖；圖5～圖7 為襯砌彎矩圖、軸力圖和剪力圖，圖中橫軸原點(diǎn)為底板中間點(diǎn)，最大值為頂拱中間點(diǎn)，中間各點(diǎn)為襯砌梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)至原點(diǎn)的長(zhǎng)度。襯砌彎矩圖中彎矩正值為逆時(shí)針方向，負(fù)值為順時(shí)針方向。

圖4 主壓應(yīng)力分布云圖（KPa）

圖5 襯砌單元節(jié)點(diǎn)彎矩圖

圖6 襯砌單元節(jié)點(diǎn)軸力圖

圖7 襯砌單元節(jié)點(diǎn)剪力圖

4.3 配筋計(jì)算成果

根據(jù)有限元襯砌計(jì)算結(jié)果，選取底板中心、底板端點(diǎn)和側(cè)壁底部節(jié)點(diǎn)所計(jì)算出的應(yīng)力結(jié)果、選取結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，采用理正軟件進(jìn)行配筋計(jì)算，輸出配筋結(jié)果，與設(shè)計(jì)配筋進(jìn)行對(duì)比。泄水洞襯砌混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果表明，強(qiáng)度推定值高于原設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，本次配筋計(jì)算復(fù)核時(shí)采用原設(shè)計(jì)強(qiáng)度值。鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度采用原設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191-2008）有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 配筋計(jì)算結(jié)果

由配筋計(jì)算成果可知，泄水洞襯砌配筋滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

5 裂縫寬度計(jì)算分析

根據(jù)泄水洞的使用功能，其襯砌的防滲設(shè)計(jì)要求為一般情況，裂縫開展寬度不應(yīng)超過允許值。由《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191-2008），泄水洞所處環(huán)境類別為三類，裂縫寬度限值為0.25 mm。采用理正軟件輸入結(jié)構(gòu)荷載及設(shè)計(jì)配筋參數(shù)，計(jì)算裂縫寬度，復(fù)核襯砌裂縫是否超過裂縫寬度限制，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 裂縫計(jì)算結(jié)果

由裂縫計(jì)算成果可知，底板中間位置裂縫寬度大于規(guī)范限值，其他部位裂縫寬度滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。參考1990 年，由于大壩加高，泄水洞第二次改建驗(yàn)收資料，泄水洞第二次改建時(shí)將發(fā)生沉陷的洞身進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)范圍為樁號(hào)0+10.8～0+073。修補(bǔ)具體方法：洞底鑿焊鋼筋網(wǎng)，用300#混凝土填平，表面再鋪一層高標(biāo)號(hào)的水泥砂漿，最大填補(bǔ)高度為45.0 cm。經(jīng)處理后泄水洞底板比原底板加強(qiáng)加厚，實(shí)際裂縫寬度要比計(jì)算值小。綜合判斷，底板裂縫不影響結(jié)構(gòu)使用，結(jié)構(gòu)安全沒有問題，但建議對(duì)底板加強(qiáng)觀測(cè)。

6 泄水洞沉降變形分析

《漳澤水庫觀測(cè)資料整編》記錄了1991 年～2015 年泄水洞豎向位移觀測(cè)資料。從觀測(cè)資料可知，截止2015 年4 月，累計(jì)豎向位移最大值為404 mm，位于泄水洞樁號(hào)0+058.6 m 處，測(cè)點(diǎn)為X08 號(hào)；累計(jì)豎向位移最小為32 mm，位移泄水洞樁號(hào)0+018.6 m，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為X18 號(hào)。X08 號(hào)測(cè)點(diǎn)沉降過程線見圖8。

根據(jù)觀測(cè)資料，大壩竣工初期沉降速度較快，以后逐漸趨于平緩。分析原因?yàn)椋?991 年～1992 年為大壩施工高峰期，1991 年大壩已加到910.0 m 高程，原壩體及基礎(chǔ)突然被加荷，必然會(huì)使基礎(chǔ)大幅度下沉；再者，同期庫水位較低，壩體內(nèi)孔隙水壓力小，作用于壩體土的有效應(yīng)力增大，土體固結(jié)速度加快，造成這一時(shí)期內(nèi)基礎(chǔ)快速下沉。

圖8 泄水洞X8 測(cè)點(diǎn)沉降過程線

泄水洞累計(jì)沉降分布圖見圖9，從圖9 可以看出，洞子兩端豎向位移較小，累計(jì)豎向位移量較大值發(fā)生在0+058.6～0+066.6 區(qū)段，而該段正是大壩改建新培土最大厚度下，符合一般變形規(guī)律。

圖9 泄水洞累計(jì)沉降分布圖

總體來看，泄水洞豎向位移已基本穩(wěn)定，可以保證在今后一段時(shí)間正常運(yùn)行。在今后的運(yùn)行中，應(yīng)注意加強(qiáng)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)分析處理。

7 結(jié)語

泄水洞洞身襯砌結(jié)構(gòu)整體運(yùn)行狀態(tài)良好，混凝土強(qiáng)度高于設(shè)計(jì)值，襯砌配筋滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；底板部位裂縫寬度略大于現(xiàn)行規(guī)范限值，但不影響結(jié)構(gòu)安全；從泄水洞沉降觀測(cè)資料分析結(jié)果來看，泄水洞豎向位移已基本穩(wěn)定；泄水洞前三節(jié)洞身接縫處有滲水，建議應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)密度，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。