觀洞水庫(kù)主壩輸水涵管工程頂管設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)分析

谷 明

(惠州市華禹水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 惠州 516000)

1 頂管法在水庫(kù)大壩輸水涵管中的運(yùn)用

1.1 頂管法原理

所謂頂管法，即在大壩一側(cè)或兩側(cè)設(shè)置頂管工作區(qū)域(一般為深坑)與支撐頂墩，綜合應(yīng)用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀對(duì)位置進(jìn)行觀測(cè)，確定目標(biāo)區(qū)域定位，并對(duì)高程進(jìn)行調(diào)整。按照已有設(shè)計(jì)方案中的管線路徑，利用頂進(jìn)設(shè)備將預(yù)管節(jié)依序頂進(jìn)大壩中，形成輸水涵管。如下圖1所示為頂管法施工作業(yè)圖。

圖1 頂管法施工作業(yè)圖

水庫(kù)大壩輸水涵管頂管施工特點(diǎn)可歸納如下：(1)機(jī)械化作業(yè)，工藝簡(jiǎn)單、施工方便；(2)輸水管涵敷設(shè)深度較大，無(wú)需破壩，不會(huì)損壞壩體完整性，施工效果好；(3)對(duì)施工區(qū)域周邊環(huán)境影響小，施工噪音、振動(dòng)小。

1.2 頂管法運(yùn)用要點(diǎn)

頂管法是一種使用較早的工法，國(guó)外甚至可追溯到羅馬時(shí)期，19世紀(jì)末美國(guó)鐵路公司率先成功運(yùn)用頂管技術(shù)下穿鐵路，直至20世紀(jì)中葉此項(xiàng)技術(shù)的市政管敷設(shè)中得到了廣泛運(yùn)用。國(guó)內(nèi)直至20世紀(jì)50年代開(kāi)始運(yùn)用頂管法，最早集中在市政領(lǐng)域，后逐漸推廣至公路、鐵路、水利等領(lǐng)域，將此技術(shù)運(yùn)用于水庫(kù)大壩輸水涵管施工中具有諸多優(yōu)勢(shì)，對(duì)原壩體不產(chǎn)生擾動(dòng)，施工機(jī)械化程度高、工藝簡(jiǎn)單、速度快，水庫(kù)大壩輸水涵管工程中頂管法運(yùn)用要點(diǎn)如下：

1)頂管設(shè)計(jì)：水庫(kù)大壩輸水涵管工程，需根據(jù)大壩地質(zhì)情況、場(chǎng)地環(huán)境、施工技術(shù)條件等諸多因素合理開(kāi)展頂管設(shè)計(jì)，合理確定頂力等參數(shù)，科學(xué)布置后墩、工作坑。

2)準(zhǔn)備措施：在實(shí)施頂管法前，需按照設(shè)計(jì)方案開(kāi)挖一定深度的工作坑，在工作坑底部澆筑混凝土進(jìn)行穩(wěn)固，將底座與后座相連接。需注意的是，底座位置需預(yù)留2根工字鋼，其作用為導(dǎo)軌，以保證涵管的順利頂進(jìn)；施工后座，因其需承受千斤頂?shù)膲毫?，需確認(rèn)其負(fù)荷能力；安裝測(cè)量架，將其埋設(shè)在地基中。

3)涵管就位：完成涵管制作后，應(yīng)對(duì)其外觀與質(zhì)量進(jìn)行檢查，符合設(shè)計(jì)要求后方可將其運(yùn)輸至工作坑指定位置。輸水涵管頂進(jìn)施工過(guò)程中，要將管段頂進(jìn)工作坑導(dǎo)軌位置。工作順序?yàn)椋汉茼斶M(jìn)一節(jié)，吊裝另一節(jié)，循環(huán)該步驟。

4)挖棄土：在涵管頂進(jìn)2-3 m深度時(shí)，拆分橫梁與頂梁，安排施工人員將棄土挖除，運(yùn)輸至管外。

5)測(cè)量：人工進(jìn)管，需將土置于涵管末端，對(duì)管段的中心線、管底高程進(jìn)行觀測(cè)與確定，嚴(yán)格控制偏差，標(biāo)準(zhǔn)為偏斜>15mm，則必須對(duì)偏差進(jìn)行糾正。

6)再頂進(jìn)：在減小誤差后繼續(xù)頂進(jìn)，當(dāng)涵管外端到達(dá)工作槽指定位置后，有序拆除橫梁與頂梁，完成以上步驟后方可開(kāi)展下一管節(jié)的頂進(jìn)作業(yè)。

2 觀洞水庫(kù)主壩輸水涵管工程中頂管設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)

2.1 工程概況

觀洞水庫(kù)加固后水庫(kù)總庫(kù)容6225萬(wàn)m3，現(xiàn)狀控制灌溉面積1493hm2，基于最新《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2017)、《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-2014)中的規(guī)定，本水庫(kù)工程等級(jí)為Ⅲ等，主要建筑物為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)。按照《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-2014)，觀洞水庫(kù)為中型水庫(kù)，水庫(kù)樞紐永久性主要水工建筑物大壩、溢洪道、輸水涵管等采用洪水標(biāo)準(zhǔn)為：按50a一遇洪水設(shè)計(jì)，其相應(yīng)水位為22.06m，按1000a一遇洪水校核，其相應(yīng)水位為23.37m，水庫(kù)正常蓄水位為20.00m。溢洪道下游消能防沖標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為30a一遇。施工導(dǎo)流按照5a一遇10月-次年3月洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

工程除險(xiǎn)加固工程樞紐總布置涉及到大壩、溢洪道、輸水涵管、管養(yǎng)區(qū)、上壩公路以及防汛公路等，因壩區(qū)場(chǎng)地較狹窄，而且水庫(kù)屬于加固工程，故水庫(kù)樞紐建筑物基本在原址進(jìn)行加固。

2.2 主壩輸水涵管現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

1)主壩輸水涵管現(xiàn)狀

觀洞水庫(kù)主壩輸水涵管原設(shè)計(jì)為單筋混凝土圓涵，內(nèi)徑為φ80cm，管壁厚度為20cm，進(jìn)口高程為11.5m，出口高程為11.13m，坡降為1/200，涵管位于主壩右側(cè)，采用斜拉式混凝土平板閘門(mén)，靠拉動(dòng)門(mén)蓋放水。啟閉機(jī)房座落在主壩上游右側(cè)管養(yǎng)區(qū)內(nèi)，采用地下啟閉室，啟閉設(shè)備為手動(dòng)搖柄啟閉機(jī)。

2)存在主要問(wèn)題

根據(jù)《仲愷高新區(qū)觀洞水庫(kù)大壩安全鑒定專(zhuān)題報(bào)告集》對(duì)主壩輸水涵管進(jìn)行的安全分析評(píng)價(jià)，主要結(jié)論如下：①結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，抗裂不符合規(guī)定；②輸水涵管出口消力池坡度為1∶1，非常陡，不便于進(jìn)人檢修，不滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范要求；③斜拉桿啟閉房設(shè)置在地下，啟閉室通風(fēng)透氣條件很差，啟閉房?jī)?nèi)較潮濕；另外，斜拉桿表面銹蝕，啟閉設(shè)備為手搖螺桿啟閉機(jī)，啟閉較為費(fèi)力；④主壩輸水涵管內(nèi)壁混凝土表面凹凸不平，麻面、蜂窩等現(xiàn)象非常嚴(yán)重。

2.3 主壩輸水涵管移位重建選址設(shè)計(jì)

觀洞水庫(kù)現(xiàn)有輸水涵為鋼管圓涵，管徑φ80cm，全長(zhǎng)73.3m，進(jìn)口高程為11.50m，出口高程為11.13m。該工程采用加固方式為對(duì)原有涵管進(jìn)行封堵，并在新址修建輸水涵管。

根據(jù)觀洞水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)地形條件，初步擬定新建主壩涵管位置，本次設(shè)計(jì)擬定兩處，分別位于現(xiàn)有溢洪道左側(cè)與主壩之間山體內(nèi)和溢洪道右側(cè)的山體內(nèi)。具體位置如圖2所示。

圖2 主壩涵管方案圖

方案一：溢洪道左側(cè)涵管。涵管進(jìn)出口段巖層為強(qiáng)、中風(fēng)化砂巖，涵管進(jìn)口地勢(shì)與死水位接近，進(jìn)口無(wú)需大開(kāi)挖；涵管出口地勢(shì)較平坦，比較適合新建工作井進(jìn)行頂管。

方案二：溢洪道右側(cè)涵管。涵管進(jìn)口、洞體段巖層為中風(fēng)化砂巖，涵管進(jìn)口地勢(shì)較高(高程 16.40m)，進(jìn)口需進(jìn)行大量開(kāi)挖；涵管出口右岸地勢(shì)相差懸殊，左側(cè)高程為 12m，右側(cè)為山體，高程在 19m 以上，開(kāi)挖較大，且需對(duì)開(kāi)挖山體進(jìn)行護(hù)坡。

從涵管地質(zhì)條件來(lái)說(shuō)，方案一比方案二更具有優(yōu)越性；主壩輸水涵管方案一和方案二管身均采用頂管方式，方案一比方案二節(jié)省投資約 87.65 萬(wàn)元，方案一經(jīng)濟(jì)上更加可行；從圍堰施工角度來(lái)說(shuō)，方案二比方案一更優(yōu)越；方案二輸水涵管及其支管、控制蝶閥位于溢洪道右側(cè)山體旁，建成后對(duì)巡查、檢修不夠方便，從運(yùn)行管理上來(lái)說(shuō)方案一更具有優(yōu)越性[1]。

綜合考慮以上情況，本次移位重建采用方案一，即主壩輸水涵管新建于主壩右壩頭山體內(nèi)(溢洪道左側(cè))。

2.4 主壩輸水涵管頂管方案設(shè)計(jì)

2.4.1 涵管材料

本次頂管施工采用鋼管頂進(jìn)。鋼管內(nèi)徑采用1200mm，壁厚18mm。鋼管總長(zhǎng)107.9m，鋼管采用Q235B鋼材。

2.4.2 鋼管生產(chǎn)

鋼管單節(jié)長(zhǎng)2.5m，由廠家在工廠制作好后再運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)定位安裝，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)接焊接。鋼管出廠時(shí)按規(guī)范進(jìn)行防腐處理，內(nèi)壁采用環(huán)氧瀝青防銹底漆(涂層厚度≥125μm)、環(huán)氧瀝青面漆(涂層厚度≥125μm)；外壁因與水泥漿接觸，涂刷含苛性鈉的水泥漿一層。

2.4.3 頂力、后墩及工作坑設(shè)計(jì)

頂管部分大壩土體為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，天然密度為2.1t/m3，頂管管材采用Q235B，DN1200鋼管，管壁厚18mm。

1)頂力計(jì)算

根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》12.4，頂管的頂力可按下式計(jì)算：

Fo=πD1Lfk+NF

(1)

式中：Fo為總頂力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；D1為管道的外徑，m；L為管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度，m；fk為管道外壁與土的平均摩阻力，kN /m2，根據(jù)規(guī)范取7 kN /m2；NF為頂管機(jī)的迎面阻力。kN。

NF=π(Dg-t)tR

(2)

已知： D1=1.236m、L=86.9m、fk=7kN /m2、Dg=1.340m、t=0.018m、R=500 kN /m2，計(jì)算得總頂力：

Fo=πD1Lfk+NF=2360.84+41.45=2402.29kN

(3)

2)管道允許頂力驗(yàn)算

(4)

式中：Fds為鋼管管道允許頂力設(shè)計(jì)值，N；φ1為鋼材受壓強(qiáng)度折減系數(shù)，可取1.00；φ3為鋼材脆性系數(shù)，可取1.00；φ4為鋼材頂管穩(wěn)定系數(shù)，可取0.36；當(dāng)頂進(jìn)長(zhǎng)度<300m時(shí)，穿越土層又均勻時(shí)，可取0.45；fs為鋼材受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2，取205 N/mm2；γQd為頂管分項(xiàng)系數(shù)，可取1.3；Ap為管道的最小有效傳力面積，mm2。

(5)

3)工作井后座的受力分析

在頂管時(shí)，為保證用力均衡，需分散各油缸推力的反力，使其可均衡發(fā)力至工作井后方的土體。為此，需用混凝土澆筑一后座墻，在后座墻、主頂油缸末端中間放置一后靠背(材料為鋼)，對(duì)該后座的受力要求為其可承受油缸總推力P的反力。計(jì)算時(shí)，可忽略后靠背應(yīng)力，假設(shè)主頂油缸推力是通過(guò)后座墻作用于工作井后方土體，基于此情景可推算出土體的反應(yīng)力為總推力的1.2-1.6倍，

以確保安全，反力R計(jì)算式如下：

(6)

已知：α=1.5；B=3.8m；γ=21 kN/m3；H=4m；Kp=1.76；c=20Kpa；因工作井背后均為斜坡，實(shí)際土體高度沒(méi)有那么高，折算h=4.8m。

計(jì)算得總推力之反力：R=6940kN

反力R為總推力P的2.89倍，可以保證頂管安全。

4)工作井最小長(zhǎng)度確定

根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程CECS246:2008》，以下計(jì)算中涉及的工作井最小內(nèi)凈長(zhǎng)度最終取值為兩種計(jì)算結(jié)果中的最大值：

①若頂管機(jī)長(zhǎng)度確定，則工作井最小內(nèi)凈長(zhǎng)度計(jì)算如下：

L≥L1+L3+k

(7)

式中：L為工作井的最小內(nèi)凈長(zhǎng)度，m；L1為頂管機(jī)下井時(shí)最小長(zhǎng)度，如采用刃口頂管機(jī)應(yīng)包括接管長(zhǎng)度，m；L3為千斤頂長(zhǎng)度，m，一般可取2.5m；k為后座和頂鐵的厚度及安裝富余量，可取1.6m。工作井的最小內(nèi)凈長(zhǎng)度L≥L1+L3+k=5.5+2.5+1.6=9.6m

②若下井管節(jié)長(zhǎng)度確定，則工作井的內(nèi)凈寬度計(jì)算如下：

L≥L2+L3+L4+k

(8)

式中：L2為下井管節(jié)長(zhǎng)度，m；鋼管一般可取2.5m；L4為留在境內(nèi)的管道最小長(zhǎng)度，可取0.5m；工作井的最小內(nèi)凈長(zhǎng)度L≥L2+L3+L4+k=2.5+2.5+0.5+1.6=7.1m

綜上，工作井的最小內(nèi)凈長(zhǎng)度為9.6m，本工程工作井采用圓形井，工作井直徑取9.6m。

5)工作井最小寬度確定

根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程CECS246:2008》，工作井內(nèi)凈寬度計(jì)算方法如下：

B=3D1+(2.0-2.4)

(9)

式中：B為工作井的內(nèi)凈寬度，m；D1為管道的外徑，m；工作井內(nèi)凈寬度B=3D1+(2.0-2.4)=3*1.2+2.0=5.6m；本工程工作井采用圓形井，工作井直徑取9.6m，滿(mǎn)足要求。

6)工作井深度確定

根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程CECS246:2008》，工作井底板面深度應(yīng)按下列公式計(jì)算：

H=Hs+D1+h

(10)

式中：H為工作井底板面最小深度；m；Hs為管頂覆土層厚度，m；h為管底操作空間，m。鋼管可取h=0.7-0.8m

工作井深度H=Hs+D1+h=4.97+1.2+0.8=6.97m

2.4.4 頂管工程布置

新建輸水涵管位于加固后壩體樁號(hào)0+032.86，與壩軸線正交，夾角90°。主壩輸水涵管加固后全長(zhǎng)105.5m，其中管身段長(zhǎng)90.5m，為了減少開(kāi)挖，主壩輸水涵管穿過(guò)舊壩體部分及山體部分采用頂管施工，在壩后坡布置頂管工作井，將頂管部分分為兩段，分別向上下游頂進(jìn)鋼管施工，鋼管直徑1.2m、壁厚18mm，頂管完畢后沿管壁接觸灌漿。涵管進(jìn)口底高程根據(jù)死水位確定為11.50m，管線全長(zhǎng)105.5m，縱坡0.005，出口底高程為11.07m[2]。

主壩輸水涵管進(jìn)水口采用塔式進(jìn)水口，在輸水涵管出口處，新建工作井，采用圓形井逆作法結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁直徑9.6m，井頂高程17.22m，井底高程10.27m。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，水庫(kù)大壩運(yùn)行中，輸水管涵承擔(dān)著水資源輸送重任，對(duì)管涵設(shè)計(jì)、施工要求均較高，不得出現(xiàn)滲漏問(wèn)題，否則將對(duì)大壩安全產(chǎn)生巨大的威脅。觀洞水庫(kù)主壩輸水涵管經(jīng)由多年運(yùn)行后，出現(xiàn)了諸多問(wèn)題，必須進(jìn)行除險(xiǎn)加固，科學(xué)落實(shí)選址設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)與工程布置，采用涵管移位重建工程投資較小且工期短，工程投入運(yùn)行后未發(fā)現(xiàn)滲漏水情況，大壩運(yùn)行安全可靠。