新建灌溉发电隧洞设计分析

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摘要：塘湾水库坝下涵管结构强度低，内衬钢板锈蚀，存在接缝漏水问题；竖井混凝土老化，木闸门腐烂磨损，螺杆启闭机操作困难等问题。文章对坝下涵管原址拆除重建与新建灌溉发电隧洞两种方案进行比选，从工程投资、施工安全以及大坝防渗等安全角度综合考虑，最终选定新建灌溉发电隧洞方案，对原坝下灌溉发电涵管进行封堵。文章简要介绍了新建灌溉发电隧洞的工程布置，并对其进行了结构复核计算，计算结果满足相关规范规定。

关键词：水库除险加固工程；坝下输水涵管；新建灌溉发电隧洞

１工程概况

塘湾水库位于江西省贵溪市塘湾镇赛前村，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、养殖、发电等综合利用的中型水库。枢纽工程主要建筑物包括：大坝、溢洪道、坝下涵管、电站及水库灌区渠系建筑物等。塘湾水库坝下输水涵管位于右端坝下，原涵管为钢筋混凝土圆形压力管，管径１．２ｍ，管壁厚０．２５ｍ，进口底板高程为９４．５ｍ，出口底板高程为９３．０ｍ，全长１７２．５ｍ。１９７５年塘湾水库坝后电站建成，发电试机时，发现涵管严重漏水，并带有大坝土料，即停止发电。１９７６年冬竖井后坝下涵管竖井后至尾部弯头处钢筋混凝土圆形压力管内以８～１０ｍｍ厚钢板内衬加固长８３．８ｍ，作为发电、灌溉取水用涵管，由竖井控制取水。钢管与原钢筋混凝土管之间采用回填灌浆，内衬后管道短时间运行较好，但１９９１年涵管再次出现漏水，经检查衬砌钢管的接缝处有４条裂缝，且钢管与原涵管之间有空洞现象，同年冬，对涵管已开裂的焊缝重新焊接，并采用ＰＣＣ材料拌水泥进行灌浆处理，施工时将与涵管连接的发电管道拆除１０ｍ重新浇注。１９９９年冬又发现涵管漏水，至今未再做任何处理［１－４］。

２坝下涵管存在主要问题

２．１安全鉴定结论

坝下涵管竖井前段为钢筋混凝土圆形压力管；竖井后段为钢筋混凝土圆形压力管内衬钢板，混凝土圆形压力管老化、裂缝漏水，后段内衬钢管回填灌浆不密实，钢板锈蚀，接缝漏水。竖井混凝土老化，木闸门腐烂磨损，漏水严重，螺杆启闭机人工操作困难。通过对坝下涵管的结构强度复核计算，坝下涵管结构强度不能满足要求，坝下涵管结构安全性为Ｃ级。

２．２现场检查及地勘发现问题

现场检查时由于库水位较高，水库正供水发电，无法放空水库，控制闸门为木闸门，木闸门陈旧磨损，闸门无法紧密关闭，漏水严重，出口闸阀无进人孔，人员无法入内检查，根据管委会工作人员介绍与查阅相关资料，发现混凝土圆形压力管老化、裂缝漏水，后段内衬钢管回填灌浆不密实，钢板锈蚀，接缝漏水。竖井混凝土老化，螺杆启闭机人工操作困难。经勘察发现，涵管基础均坐落于全风化花岗岩上，承载力满足要求，基本不存在变形稳定问题。但由于使用年限已达５０年之久，存在混凝土圆形压力管老化、裂缝漏水，后段内衬钢管回填灌浆不密实，钢板锈蚀，接缝漏水问题及安全隐患：还存在竖井混凝土老化，木闸门腐烂磨损，漏水严重，螺杆启闭机人工操作困难问题及安全隐患：经前期勘察检测竖井混凝土强度推定值为１１．４ＭＰａ，强度值偏低，出现混凝土老化现象，建议对其进行处理。

３坝下涵管加固设计方案比选

由于坝下涵管管身结构强度不满足要求，采用高强砂浆修补提高不了结构强度，且难以保证效果；对涵管进行内衬钢筋混凝土虽能满足强度要求，但大大缩小了隧洞洞径，改变了原有过流规模，且影响涵管检修和发电站的正常使用，故本阶段加固设计拟定以下两种方案进行比较：方案一：原址拆除重建加固方案。对原涵管进行挖除重建，涵管总长１７２．５ｍ，断面型式为钢筋混凝土衬砌圆形涵管，内径１．８ｍ，衬砌厚度０．４ｍ。拆除重建进口闸室及出水口，新设闸门及其启闭设备。方案二：新开洞线方案。在坝肩新开一条洞线，隧洞总长１９５．６ｍ，断面型式为钢筋混凝土衬砌圆形隧洞，内径１．８ｍ，衬砌厚度０．４ｍ。新建进口闸室及出水口，新设闸门及其启闭设备，对原坝下灌溉发电涵管进行封堵处理，并进行回填灌浆。两种方案比较情况见表１。从表１比较结果可知，方案二较方案一投资较小，同时方案一无施工导流设施，围堰工程量较大，且涵管开挖边坡高度达３０ｍ，不利于安全施工。另外坝下设涵管对大坝渗流安全留有隐患，因此本次加固处理采用方案二（新开隧洞方案）。由于右岸的溢洪道进口紧邻大坝，大坝和溢洪道之间的山体较单薄，顶部及大坝侧围岩厚度受限制，成洞条件较差；如在溢洪道远离大坝一侧新建隧洞，洞线较长且需要穿越溢洪道，顶部围岩厚度受限制；另新建隧洞布置在右岸对溢洪道行洪及以后运行管理都有影响。综合以上因素，本次新建隧洞洞线布置于左岸坝肩山体。

４新建灌溉发电隧洞设计

新建发电灌溉隧洞由进水闸、进口渐变段、洞身段、出口渐变段、出口阀房组成。进水闸闸室长１０．８ｍ，闸墩厚１．５ｍ，闸墩顶高程为１２３．３ｍ，底板高程为９３．８ｍ。闸室布置检修闸门、工作闸门各一道，工作闸门后设通气进人孔。闸墩上部布置启闭机房，闸墩顶设２．６ｍ宽的交通桥与大坝坝顶路面相接。隧洞采用钢筋混凝土衬砌，内径１．８ｍ，衬砌厚０．４ｍ，隧洞总长１９５．６ｍ，隧洞纵坡０．４２％。隧洞０＋０００．０～隧洞０＋００６．０ｍ为进口渐变段，隧洞０＋００６．０～隧洞０＋０５２．７ｍ为直线段，隧洞０＋０５２．７ｍ～隧洞０＋１１９．３ｍ为平弯段，转弯半径６０．３ｍ，转角６３．２９°，弧长６６．６ｍ；隧洞０＋１１９．３～０＋１８９．６ｍ段为直线段，隧洞０＋１８９．６～隧洞０＋１９５．６ｍ为出口渐变段。隧洞全线进行回填及固结灌浆，回填灌浆为全线布置于隧洞顶拱１２０°范围内，固结灌浆沿轴线方向间距为３ｍ，每个断面设６个固结灌浆孔，夹角为６０°，孔深３．０ｍ。考虑到库水的侵蚀性，隧洞各部位混凝土采用低碱性水泥或掺粉煤灰拌制，混凝土强度等级为Ｃ２５。考虑到隧洞进、出口明挖段边坡较高且陡，本次设计对隧洞进出口开挖边坡进行适当衬护，衬护采用１０ｃｍ厚挂网喷Ｃ２０混凝土，坡面设排水孔，顶部和侧边设置排水沟。由于隧洞洞线改线，隧洞出口在大坝左岸，为不影响发电厂房的发电效率，将发电厂房挪至左岸坝脚，新建长１３．０ｍ，宽１１．０ｍ的集水池和净宽３．６ｍ、长６０．０ｍ的渡槽（共６节，每节１０．０ｍ）将发电尾水和灌溉用水引入原集水池。为控制和调配流量，拆除重建干渠渠首分水闸及放空分水闸。干渠渠首分水闸底板高程９２．２５ｍ，孔宽２．５ｍ；东干渠渠首分水闸底板高程９２．２５ｍ，孔宽２．２ｍ。灌溉干渠一条，长０．７５ｋｍ，引用流量２．７ｍ３／ｓ，现状为衬砌，渠底宽２．５～４．０ｍ，渠高１．５～４．８ｍ，本次设计采用梯形断面，边坡１∶２，采用Ｃ２５混凝土护底和护坡，护底厚０．３０ｍ，护坡厚０．１５ｍ，每１０ｍ分缝，并设止水铜片止水，聚乙烯闭孔泡沫板填缝，渠底宽度不小于４ｍ。

５隧洞结构计算

灌溉隧洞内径１．８ｍ，壁厚０．４０ｍ，总长１９５．６ｍ，进水口底板高程９３．８ｍ。根据地勘资料，桩号０＋０００～０＋０１４段为强～弱上风化花岗岩，地质构造较简单，上部有效围岩较薄，洞顶稳定性较差，洞室围岩属Ⅴ类围岩，施工开挖需考虑必要的刚性支护措施，桩号０＋０１４～０＋０３１及桩号段为加里东期（ｒ３３）花岗岩，部分为变质砂岩捕俘体，桩号０＋０５３～０＋０７０ｍ及桩号０＋１４９～０＋１８９．６０洞室围岩呈弱下风化状，洞顶稳定性较差，洞室围岩属Ⅲ～Ⅳ围岩，不稳定；桩号０＋０７０～０＋１４９洞室围岩呈微风化状，围岩较坚硬完整，围岩工程地质分类属Ⅱ～Ⅲ类，以Ⅲ类为主，边坡稳定性较好，受ＮＷ／ＳＷ（ＮＥ）节理切割影响，局部稳定性较差。衬砌混凝土强度等级采用Ｃ２５混凝土，隧洞衬砌混凝土厚度４０ｃｍ，采用双层配筋，保护层厚度５ｃｍ。本次对隧洞结构强度及限裂进行计算，荷载计算主要考虑围岩压力、衬砌自重、静水压力及灌浆压力等。根据灌溉隧洞不同运行条件，结构计算考虑施工期，校核洪水位及空管检修等不同荷载组合情况，荷载组合见表2.经计算，各工况下隧洞洞壁内力值见表３。通过计算，隧洞内侧最大配筋值为６４２ｍｍ２，外侧配筋值为４７１ｍｍ２；拟采用内外侧对称配筋为Φ１４＠２００（Ａｇ′＝７７０ｍｍ２）。根据《水工混凝土结构设计规范》（ＳＬ／Ｔ１９１—２００８）对隧洞衬砌结构进行抗裂计算。经计算，混凝土最大拉应力Ｎｌ＝８６．１ｋＮ＜（ａｃｔγｍｆｔｋＡ０Ｗ０）／（ｅ０Ａ０＋γｍＷ０）＝３６３．５ｋＮ，钢筋混凝土衬砌抗裂已满足规范要求。

６结语

水库除险加固工程中对坝下涵管的加固设计一直是类似工程中需要解决的重点难点，尤其是运行多年的坝下涵管，存在诸多隐患，如若对其进行原址拆除重建，将会引发高边坡稳定以及大坝渗流稳定等安全隐患，在易址新建隧洞投资不是很大的情况，选择新建隧洞方案则不会有上述安全隐患。塘湾水库坝下涵管加固选择封堵原坝下涵管，易址新建灌溉发电隧洞设计方案，该方案成功地解决了水库除险加固工程中坝下涵管加固设计的难题，具有一定的参考借鉴价值。

参考文献：

［１］任佳．紫云山水库灌溉发电隧洞加固设计方案探析［Ｊ］．黑龙江水利科技，２０２１，４９（１０）：１３０－１３２．

［２］范春雷．水库除险加固工程中新建输水隧洞设计综述［Ｊ］．黑龙江水利科技，２０２１，４９（１２）：６５－６８．

［３］易松德．飞剑潭水库泄洪隧洞除险整治方案研究［Ｊ］．水利科学与寒区工程，２０２１，４（５）：１３７－１４０．

［４］邱海娟．梁河水库泄洪洞模型试验及设计优化［Ｊ］．陕西水利，２０２１（５）：７－９.

作者：曾小波 熊一民 单位：鹰潭市河湖管理保护综合行政执法支队