某小(1)型水庫(kù)輸水泄洪隧洞除險(xiǎn)加固方案研究

吳小靜

(新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

某小(1)型水庫(kù)控制流域面積42 km2，水庫(kù)主要用于攔蓄清洪來(lái)水，發(fā)展農(nóng)田灌溉，兼之以調(diào)洪及供農(nóng)村安全供水，是一座Ⅳ等小(1)型水利工程。工程于1975年9月基本建成并投入使用，其后主要經(jīng)歷2次大的續(xù)建及維修加固至目前規(guī)模，總庫(kù)容520萬(wàn)m3，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇設(shè)計(jì)，500 a一遇校核。輸水洞是在大壩右岸巖體中開(kāi)鑿的無(wú)壓洞，包括進(jìn)口段、閘室段、洞身段、出口段，總長(zhǎng)約133 m，洞底縱坡1/200，隧洞斷面為直墻半圓拱，直墻高1.2 m，洞寬1.4 m，側(cè)墻及頂拱主要用混凝土預(yù)制塊襯砌，底板現(xiàn)澆，出口段全部現(xiàn)澆襯砌。輸水洞過(guò)流能力為6 m3/s，進(jìn)口設(shè)框架式進(jìn)水塔，塔內(nèi)設(shè)兩孔閘控流，進(jìn)水塔布置于引水洞與隧洞進(jìn)口之間，基礎(chǔ)置于石基上，塔架鋼筋混凝土立柱共兩排，每排3根，高21.7 m，塔架頂部建有啟閉機(jī)室，進(jìn)水塔通過(guò)工作橋右岸山體相連。本次除險(xiǎn)加固中對(duì)輸水隧洞目前運(yùn)行情況和存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出可行的加固方案。

2 輸水隧洞現(xiàn)狀及問(wèn)題分析

2.1 輸水隧洞現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

1981年水庫(kù)第一次除險(xiǎn)加固輸水洞運(yùn)行較好，未進(jìn)行加固處理，2002年對(duì)水庫(kù)進(jìn)行第二次除險(xiǎn)加固，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)輸水洞洞身混凝土開(kāi)裂，閘門(mén)、啟閉設(shè)備老化，輸水洞已不能正常運(yùn)行，除險(xiǎn)加固對(duì)輸水洞頂裂縫鑿除后進(jìn)行修復(fù)，右岸輸水洞進(jìn)口塔架旁擋土墻拆除重建，輸水洞啟閉機(jī)房重建，維修更新了輸水洞鋼閘門(mén)、啟閉設(shè)備。本次除險(xiǎn)加固中，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)復(fù)核，輸水洞進(jìn)水塔架板、梁、柱及工作橋橋墩、橋面混凝土外觀質(zhì)量良好，未見(jiàn)明顯缺陷，無(wú)鋼筋裸露現(xiàn)象。輸水洞洞身混凝土外觀質(zhì)量較好，出口段在距進(jìn)口閘室90 m、110 m和彎道處側(cè)墻存在開(kāi)裂現(xiàn)象，裂縫寬度約為2 mm～3 mm，在距進(jìn)口閘室100 m處頂拱存在開(kāi)裂現(xiàn)象，裂縫長(zhǎng)度2.6 m，寬度約為3 mm，底板局部被水流掏空，深度達(dá)6 cm，輸水洞出口接砌石結(jié)構(gòu)暗渠左側(cè)墻存在一條橫向裂縫。輸水隧洞現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)問(wèn)題分布圖見(jiàn)圖1。

圖1 輸水隧洞現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)問(wèn)題分布圖

輸水洞金屬結(jié)構(gòu)方面：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)了解詢問(wèn)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水口閘門(mén)長(zhǎng)期處于水下，無(wú)法維修，從輸水洞出口進(jìn)至進(jìn)水口閘室下游檢查，發(fā)現(xiàn)右側(cè)工作門(mén)處于長(zhǎng)期閉門(mén)狀態(tài)，無(wú)泄漏，表面存在銹蝕，左側(cè)閘門(mén)經(jīng)常使用，止水不嚴(yán)，水流呈噴射狀，無(wú)法接近觀測(cè)其表面銹蝕情況；檢查進(jìn)水塔架及啟閉機(jī)室，發(fā)現(xiàn)2臺(tái)啟閉機(jī)機(jī)架及連接螺桿存在銹蝕，啟閉機(jī)開(kāi)度指示器損壞，無(wú)過(guò)負(fù)荷保護(hù)裝置，依靠手動(dòng)裝置進(jìn)行啟閉?，F(xiàn)狀閘門(mén)問(wèn)題圖見(jiàn)圖2。

(a)輸水洞右側(cè)工作閘門(mén) (b)輸水洞左側(cè)工作閘門(mén)

2.2 輸水洞洞身過(guò)流能力復(fù)核

輸水洞身屬無(wú)壓洞，以洞內(nèi)水深和其側(cè)墻同高為條件計(jì)算過(guò)流流量，按明渠水面線計(jì)算確定洞身過(guò)流能力[1]，輸水洞洞身特性及水力計(jì)算見(jiàn)表1，洞身下泄流量與水位關(guān)系計(jì)算見(jiàn)圖3。

表1 輸水洞洞身特性及水力計(jì)算表

圖3 輸水洞洞身段水位與下泄流量關(guān)系曲線

經(jīng)計(jì)算，洞身過(guò)流能力為4.9 m3/s。輸水洞設(shè)計(jì)輸水流量6 m3/s，輸水洞凈空面積占15%～25%為宜，本次復(fù)核在滿足凈空面積占15%的要求下計(jì)算輸水洞過(guò)流能力為4.9 m3/s，即最大值，復(fù)核過(guò)流流量小于設(shè)計(jì)流量的原因是由于工程運(yùn)行后沖刷破壞，糙率增大導(dǎo)致，輸水洞過(guò)流能力采用本次復(fù)核值4.9 m3/s。

3 輸水泄洪隧洞設(shè)計(jì)

3.1 方案比選

根據(jù)水庫(kù)輸水泄洪洞現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)以及安全鑒定結(jié)果，針對(duì)影響大壩安全和發(fā)揮效益的主要建筑物進(jìn)行改造，本次對(duì)水庫(kù)輸水泄洪洞采用下述兩種方案進(jìn)行比選。

(1)方案一：加固輸水泄洪洞

拆除現(xiàn)有進(jìn)水口，改建為塔式進(jìn)水口，改建原洞身，改建輸水泄洪洞出口消能設(shè)施，使其泄流能力滿足原設(shè)計(jì)要求。由于輸水洞加固需要水庫(kù)停水周期長(zhǎng)，影響水庫(kù)泄洪和向下游供水，本方案實(shí)施困難。

(2)方案二：新建輸水泄洪洞

新建輸水泄洪洞布置于左岸壩肩，輸水泄洪洞由進(jìn)口段、事故檢修豎井段、輸水洞段、泄水錐形閥室段、泄水消力池段、泄水箱涵段以及泄水渠道段組成。隧洞斷面圓形，成洞洞徑2.0 m。新輸水泄洪洞建設(shè)完成后，對(duì)原輸水泄洪洞進(jìn)行封堵。本方案便于實(shí)施，可保證水庫(kù)正常運(yùn)行，基本不影響水庫(kù)泄洪和向下游供水。

(3)方案比選

方案一、二均能滿足水庫(kù)防洪要求，經(jīng)對(duì)兩方案進(jìn)行比較，方案一水庫(kù)停水周期長(zhǎng)，影響水庫(kù)泄洪和向下游供水，方案二可保證水庫(kù)正常運(yùn)行，基本不影響

水庫(kù)泄洪和向下游供水，相比較方案一實(shí)施難度小，投資節(jié)省，從運(yùn)行角度分析，

方案二較方案一運(yùn)行管理方便，因此，泄洪方案推薦方案二。

3.2 新建輸水泄洪洞布置

新建輸水泄洪洞段基本位于弱～微風(fēng)化基巖中，基巖巖性為古近系(E)砂礫巖，棕紅色，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，其組成顆粒粒徑大小不均，分選性及磨圓度較差，一般粒徑2 cm～5 cm，最大8 cm，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖性相對(duì)較軟弱，遇水易軟化，含水量對(duì)巖體強(qiáng)度影響極大。圍巖受構(gòu)造影響輕微，斷層不發(fā)育，圍巖地下水活動(dòng)微弱，巖體潮濕局部滲水。圍巖類(lèi)型為Ⅲ～Ⅳ類(lèi)，弱風(fēng)化砂礫巖的泊松比為0.29～0.35，變形模量為0.5 GPa～5.0 GPa，彈抗力系數(shù)為5 MPa/cm～20 MPa/cm，微風(fēng)化砂礫巖的泊松比為0.23～0.29，變形模量為5.0 GPa～10.0 GPa，彈抗力系數(shù)為20 MPa/cm～50 MPa/cm。

根據(jù)地形地質(zhì)特點(diǎn)，可選擇岸邊式隧洞形式，布置如下：

輸水泄洪洞方案線路總長(zhǎng)300 m，由進(jìn)水口、隧洞洞身、出水口、消能設(shè)施、泄水段等組成。改建輸水泄洪洞進(jìn)口布置在大壩軸線上游約75 m左岸的巖體處，底板高程2214.50 m，出口布置于大壩軸線下游約105 m左岸的巖體處，底高程2208.52 m。洞長(zhǎng)約176 m，坡度為3.3%，設(shè)置兩個(gè)轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎半徑均為100 m，轉(zhuǎn)彎角度分別為144°和134°。隧洞最大理深度為30 m，隧洞圍巖類(lèi)別為IV類(lèi)，巖石條件較差，根據(jù)輸水和泄水及隧洞施工要求確定隧洞直徑2.0 m，隧洞斷面為圓型，輸水泄洪洞最大過(guò)流能力20.0 m3/s，對(duì)應(yīng)最大流速8.9 m/s。

在壩肩左岸山體輸水洞軸線樁號(hào)0+113.1～0+120.3處布置事故檢修閘室豎井，閘室豎井底板高程為2213.56 m，檢修閘孔口尺寸寬×高為2.0 m×2.0 m。輸水洞采用鋼筋砼襯砌結(jié)構(gòu)，砼襯砌厚40 cm，閘室段長(zhǎng)6.8 m，閘室豎井總高25 m，采用鋼筋砼結(jié)構(gòu)，閘室底板厚1.2 m，豎井邊墻厚0.6 m。輸水洞出口樁號(hào)0+261.0接連接管道，采用DN2000的鋼管，管道外包砼厚40 cm，樁號(hào)0+264.5連接鋼管處設(shè)分岔管，樁號(hào)0+271.0連接管處接消能錐形閥和消能系統(tǒng)，經(jīng)消能后進(jìn)入漸變段接公路矩形泄水箱涵，后經(jīng)漸變段接梯形泄水渠，最終匯入溢洪道尾水渠，岔管后接輸水管線，管線后接閘閥室并分水至灌區(qū)和安全人飲，供水設(shè)計(jì)流量2.07 m3/s。

對(duì)現(xiàn)狀輸水泄洪洞進(jìn)行封堵處理，采用C20混凝土進(jìn)行封堵，進(jìn)口段封堵6 m，出口段封堵4 m，封堵后進(jìn)行接縫灌漿。

3.3 新建輸水泄洪洞設(shè)計(jì)

(1)輸水泄洪洞進(jìn)水口結(jié)構(gòu)布置

新建輸水泄洪隧洞設(shè)計(jì)供水流量2.07 m3/s，最大泄流量20.0 m3/s，隧洞為有壓引水洞，隧洞進(jìn)口布置在左岸壩腳上游側(cè)，庫(kù)內(nèi)地面高程2215.00 m，在壩腳上游有多個(gè)小岔溝，靠壩體側(cè)溝道小且地面較高，進(jìn)水口位于該溝道下游5 m處，為了便于引水，將山梁的頭部開(kāi)挖疏浚，將進(jìn)水口區(qū)域地面下挖0.5 m～1 m，高程降為2214.50 m。確定隧洞進(jìn)口高程2214.50 m。

當(dāng)正常運(yùn)行情況：水庫(kù)在最低水2214.50 m時(shí)，管項(xiàng)埋深水頭2.0 m，可保證有壓引水的進(jìn)口最小淹沒(méi)深度。

當(dāng)水庫(kù)放空泄水特殊情況：水庫(kù)在最低水位2214.50 m時(shí)，管頂埋深水頭0.7 m，不能保證有壓引水的進(jìn)口最小淹沒(méi)深度，但考慮該工況運(yùn)行幾率和時(shí)段較少，泄水流量較小，在較短時(shí)間內(nèi)隧洞滿流運(yùn)行，為此對(duì)隧洞加強(qiáng)襯砌后可滿足要求。

由于隧洞進(jìn)口岸坡地形較緩，無(wú)合適地形條件布置清污平臺(tái)及清污設(shè)備，同時(shí)該水庫(kù)是攔蓄清洪來(lái)水式水庫(kù)，污物較多，水庫(kù)污物主要為枯木草等漂浮物。其次水庫(kù)庫(kù)周設(shè)置護(hù)欄，牛羊等牲畜墜庫(kù)溺水死亡的概率很小。為防止水庫(kù)污物進(jìn)入輸水洞及輸水管道，在輸水洞進(jìn)水口設(shè)置1孔固定式攔污柵，不設(shè)清污設(shè)備，只在水庫(kù)水位降至輸水洞底板高程以下時(shí)，對(duì)攔污柵進(jìn)行清污。為防止平時(shí)污物堵塞攔污柵，因此將攔污柵做成正向、上部可同時(shí)進(jìn)水結(jié)構(gòu)。

為改善水流條件，進(jìn)口頂部輪廓、兩邊側(cè)墻均采用折線，進(jìn)水口采用C25鋼筋砼結(jié)構(gòu)，進(jìn)口寬3.4 m，末端口寬2.0 m。

(2)輸水泄洪洞洞身設(shè)計(jì)

隧洞長(zhǎng)度176 m，隧洞最大埋深30 m，圍巖工程地質(zhì)條件較差，開(kāi)挖后不能自穩(wěn)，隧洞開(kāi)挖采用短進(jìn)尺、快循環(huán)施工，圍巖及時(shí)噴錨、鋼拱架加超前管棚支護(hù)，加強(qiáng)圍巖變形觀測(cè)[2]。隧洞的橫斷面形狀應(yīng)根據(jù)隧洞的用途、水力學(xué)、工程地質(zhì)條件襯砌工作條件施工方法等因素通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析確定，規(guī)范規(guī)定，有壓隧洞宜采用圓形隧洞，該工程為長(zhǎng)度較短的有壓流隧洞，巖石條件較差，經(jīng)比較確定為圓形斷面，成洞洞徑2.0 m。

隧洞的襯砌形式：輸水泄洪洞圍巖為Ⅳ類(lèi)，采用一次支護(hù)全斷面掛鋼筋網(wǎng)φ6 mm，間距20 cm，噴砼厚度8 cm；布置直徑25 mm的系統(tǒng)錨桿，間排距1.5 m，梅花形布置，錨桿長(zhǎng)2 m，并進(jìn)行固結(jié)灌漿。二次支護(hù)采用鋼筋砼襯砌，厚度40 cm。隧洞斷面設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖4。

圖4 隧洞斷面設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)論及建議

該輸水隧洞建成運(yùn)行至今已有45年之久，初期建設(shè)時(shí)受技術(shù)、資金條件的限制以及方案的選擇，以及后來(lái)不同時(shí)期改造、加固處理方案、方法，在其特定歷史時(shí)期具有其合理性與適用性。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展、人口及供水需求的增長(zhǎng)，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)范的不斷更新完善，賦予老水庫(kù)及其單體工程以新的、更高的要求，除險(xiǎn)加固使得運(yùn)行方式更趨合理，工程安全更有保證。因此，水利工程在運(yùn)行中不斷調(diào)整、適應(yīng)和完善是必要的。