楊 武，譚劍波(.貴州黔水工程監(jiān)理有限責任公司，貴州 貴陽 55000；.楊凌職業(yè)技術學院，陜西 楊凌 700)

天生橋水庫輸水隧洞安全復核及除險加固設計

楊 武1，譚劍波2
(1.貴州黔水工程監(jiān)理有限責任公司，貴州 貴陽 550002；2.楊凌職業(yè)技術學院，陜西 楊凌 712100)

針對天生橋水庫輸水隧洞存在的建設質量差，邊坡穩(wěn)定性差、易形成高陡邊坡等安全質量問題，經(jīng)現(xiàn)場踏勘結合原設計資料及現(xiàn)行規(guī)范標準，對進水口和隧洞體結構強度進行了安全復核.經(jīng)水力計算、襯砌支護結構配筋及裂縫開展寬度計算等論證分析，結果表明隧洞過流能力和結構強度能夠滿足規(guī)范要求.設計采用邊坡錨固支護、拆除重建、回填固結灌漿等方案，輸水隧洞整體性、完善性得到有效加固修復.

天生橋水庫；輸水隧洞；安全復核；除險加固

1 工程概況

天生橋水利水電樞紐工程位于貴州省安龍縣珠江流域西江水系上游，是一座以城市防洪和農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖和生態(tài)旅游等功能的綜合性水利工程，其壩址以上控制流域面積211.7 km2，正常蓄水位675.50 m，死水位651.50，水庫總庫容為1.25×108m3，壩頂高程682.50 m，灌溉面積3 100 ha，總裝機12 MW.根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252—2000)及《防洪標準》(GB50201—2014)[1],水庫庫容鑒于1.0×108～10×108m3之間，為大(2)型水庫，工程等別為Ⅲ等.

2 水庫輸水方案及運行現(xiàn)狀

根據(jù)天生橋水庫樞紐布置，輸水系統(tǒng)布置在右岸山體中，設計方案為：岸塔式進水口+輸水隧洞+發(fā)電引水岔管等組成.其中：岸塔式進水口總長15 m，底板高程為638.20 m，設置攔污柵、工作門和檢修門等金屬結構.工作門和檢修門其孔口尺寸均為3.0 m(寬)×4.0 m(高)，檢修門采用疊梁門，工作門采用雙吊點鋼閘門.進水口處設通氣孔兼檢修進人孔，斷面尺寸為4.0 m×1.2 m.進水塔塔頂高程為678.80 m，塔頂設置啟閉機排架，操控平臺高程為684.30 m.

天生橋水庫輸水隧洞采用鉆爆法開挖，全長656.50 m，進口中心高程640.50 m，出口中心線高程622.25 m，隧洞引水高差18.25 m.主洞開挖洞徑為3.4 m，襯砌支護后凈洞徑為2.8 m.隧洞出口段與發(fā)電引水岔管相連，三臺機共設置三條發(fā)電引水岔管，管徑1.50 m.整個輸水系統(tǒng)均采用鋼筋混凝土進行襯砌支護，部分地質條件較差洞段還采取回填及固結灌漿加固處理.工程于2002年投入運行，投運初期整體運行狀況良好，經(jīng)過10余年運行，輸水系統(tǒng)暴露出較多安全質量問題，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

(1)在閘門啟閉過程中，進水口塔頂上方排架柱振動較大、變形較為嚴重.經(jīng)結構安全復核，進水口排架柱結構強度達不到規(guī)范允許安全系數(shù)，不能滿足安全運行要求.進水口邊坡加固性能不佳，巖體較破碎，整體穩(wěn)定性較差.進水口八字墻鋼筋混凝土外觀存在嚴重的蜂窩麻面、孔洞及露筋等問題.進人孔爬梯、啟閉機操控平臺護欄等結構銹蝕嚴重.輸水隧洞主體襯砌支護混凝土局部質量較差，蜂窩、裂隙、空洞及滲水等部位較多，雖經(jīng)多次PCC砂漿修補處理，但整體防護效果不佳.

(2)進水口處工作閘門卡阻無法正常啟閉到位，檢修門槽銹蝕嚴重，使得整個輸水系統(tǒng)不能進行相應的定期檢查和養(yǎng)護；啟閉設備性能嚴重降低，無法正常啟閉閘門，且控制手段嚴重滯后.經(jīng)金屬結構安全復核，工作閘門面板、主梁、次梁的承載力均不滿足規(guī)范要求.

3 水庫輸水系統(tǒng)安全復核

3.1 隧洞過流能力復核

(1)水頭損失計算

天生橋水庫輸水隧洞全長為656.50 m，進口中心高程640.50 m，引水高差18.25 m.主洞襯砌支護后凈洞徑2.8 m，為鋼筋混凝土圓型結構.不同洞段洞身采用鋼板或鋼筋混凝土襯砌，其糙率分別取n1=0.012，n2=0.014.采用均勻流摩阻及曼寧公式計算隧洞沿程水頭損失，成果為：輸水隧洞沿程水頭損失0.861 2 m，局部水頭損失0.947 1 m，總水頭損失1.808 3 m.

(2)過流能力復核

由于輸水隧洞出口段直接與發(fā)電引水岔管相連，設計引水流量為15.35 m3/s.按有壓簡單管道自由出流進行過流能力計算，流量系數(shù)=0.444.計算得輸水隧洞流量與庫水位間的關系成果(見表1).

表1 輸水隧洞流量與庫水位間的關系成果

庫水位/m640.5645.5650.5655.5660.5665.5670.5675.5677.7流量/(m3/s)9.6811.0212.2313.3314.3615.316.217.0817.43

從表1可知：正常蓄水位(675.5 m)時，輸水隧洞的過流流量為17.08 m3/s，能夠滿足設計流量15.35 m3/s的過流需求.

3.2 輸水隧洞結構安全復核

(1)基本參數(shù)

為了簡化計算，隧洞按全斷面鋼筋混凝土襯砌結構進行分析，襯砌支護后凈洞徑2.8 m，洞身不同部位襯砌混凝土強度等級對應現(xiàn)在混凝土標號為C15或C20，襯砌厚0.4 m.根據(jù)《水工混凝土鋼筋施工規(guī)范》(DL/T5169—2002)[2]和《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010—2010)，I級HPB300鋼筋彈性模量Es=2.1×105N/mm2，抗拉強度設計值fy=210 N/mm2；根據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》(SL677—2014)和《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010—2010)[3]，C15混凝土彈性模量Ec=2.2×104N/mm2，C20混凝土彈性模量Ec=2.55×104N/mm2，泊松比Vc=0.167.隧洞以Ⅰ類和Ⅱ類圍巖為主，局部存在條件較差Ⅲ類圍巖.

(2)計算工況及荷載基本組合

隧洞已建成投運，按正常運行工況(正常蓄水位675.50 m)和檢修養(yǎng)護工況進行計算，即：①正常運行工況，其荷載基本組合為：山巖壓力+襯砌自重+內水壓力+外水壓力+彈性抗力[4].②檢修養(yǎng)護工況，其荷載基本組合為：山巖壓力+襯砌自重+外水壓力+彈性抗力.

(3)洞身斷面參數(shù)

輸水隧洞其圍巖以花崗巖為主，根據(jù)斷面圍巖情況分為甲～戊共5種典型斷面，按正常運行工況和檢修養(yǎng)護工況進行結構安全穩(wěn)定性復核計算，5種典型斷面基本參數(shù)(見表2).

(4)隧洞配筋及支護襯砌參數(shù)

根據(jù)原設計文件和竣工圖等資料，輸水隧洞采用內外雙層鋼筋混凝土支護結構，襯砌支護后凈洞徑為2.8 m，其隧洞典型橫斷面配筋(見圖1).5種典型斷面配筋均采用Φ16鋼筋，其襯砌厚度及鋼筋間距(見表3).

(5)安全復核成果

采用水工隧洞混凝土軟件包中的“混凝土襯砌計算模塊”，將工程特性參數(shù)輸入后，獲得輸水隧洞安全復核成果(見表4).

表2 洞身典型斷面計算參數(shù)

地質巖性花崗巖樁號0～5050～135135～305305～365365～400400～550550～656斷面類型甲乙乙、丙戊丙丁戊內水壓力/m37.5837.5855.5155.5155.5155.8655.86fk3～44～56～83～46～85～63～4k0/(MPa/cm)15～2020～3040～5015～2540～5030～4015～25

注：fk為巖石的堅固系數(shù)；k0為巖石彈性抗力系數(shù)

圖1 輸水隧洞典型斷面配筋

斷面類型襯砌厚度t/mm鋼筋間距(A)甲350@150乙350@125丙450@110丁450@110戊450@90

表4 輸水隧洞計算成果表

工況襯砌類型襯砌厚度/mm配筋計算鋼筋實配鋼筋裂縫寬度/mm計算值規(guī)范值正常運行期檢修養(yǎng)護期甲350?16@150?16@1500.190.25350?10@200?16@15000.25正常運行期檢修養(yǎng)護期乙350?16@131?16@1250.110.25350?10@131?16@12500.25正常運行期檢修養(yǎng)護期丙450?16@115?16@1100.170.25450?10@123?16@11000.25正常運行期檢修養(yǎng)護期丁450?16@115?16@1100.210.25450?10@123?16@11000.25正常運行期檢修養(yǎng)護期戊450?16@96?16@900.200.25450?10@123?16@9000.25

從表4可知，隧洞雙層配筋結構中的實際配筋密度比計算配筋大，滿足鋼筋混凝土襯砌支護結構的強度要求，且裂縫開展寬度計算值均在規(guī)范允許指標范圍內.

3.3 進水口排架結構安全復核

(1)基本參數(shù)

引水發(fā)電進水口原設計采用岸塔式進水口，總長15 m，底板高程為638.20 m.閘門啟閉排架柱，其斷面尺寸為0.3 m(寬)×0.3 m(深)×5.5 m(高)，C20鋼筋混凝土，對稱均勻配筋，2Φ16受力鋼筋.排架上主梁斷面尺寸為0.3 m(寬)×0.55 m(高)×5 m(長)，C20鋼筋混凝土，1Φ16+2Φ22對稱均勻配筋.

(2)結構計算及成果分析

從現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)可知，排架柱尺寸由于當時施工放樣、質量監(jiān)控不到位等導致尺寸偏小，現(xiàn)狀斷面尺寸為0.27 m(寬)×0.27 m(深)×5.5 m(高).配筋依據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010—2010)、《水工混凝土結構設計規(guī)范》(SL191—2008)[5-6]等推薦公式進行計算,得排架柱所受彎矩M=82.26 kN·m，相應其軸力N=142.80 kN.經(jīng)計算梁的縱向受拉鋼筋As=595 mm2，而排架柱現(xiàn)狀實際受力鋼筋為2Φ16(As=402 mm2)，鋼筋橫截面積達不到規(guī)范指標要求，結構強度不滿足設計要求.

4 輸水隧洞除險加固設計

天生橋水庫輸水隧洞進水口排架柱，由于其現(xiàn)狀尺寸比原設計尺寸小，結構強度不能滿足規(guī)范要求.雖然隧洞整體結構強度滿足要求，但由于進水口邊坡和局部洞段存在混凝土質量問題，不能保障正常引水發(fā)電需求，需采取相應的除險加固措施，提高水庫防洪標準和引水效率，確保水庫高效穩(wěn)定運行.

(1)進水口邊坡除險加固設計方案：針對進水口邊坡存在塊體塌滑，上部邊坡出現(xiàn)蠕變及裂縫問題，設計采用錨噴措施進行加固處理，即：首先在進水口邊坡坡面噴一層厚15 cm的C20混凝土，然后鋪設一層φ8@200鋼筋防護網(wǎng)，用φ25錨桿錨入巖石進行加固.錨桿入巖深4 m，間距2.5 m，梅花型均布；在死水位651.50 m高程以上水位變幅區(qū)布設PVC花管作為排水孔，孔深4 m，孔徑80 mm，孔距2 m，梅花型均布.

(2)進水口除險加固設計方案：對不滿足結構強度要求的排架柱及啟閉機室進行拆除重建，新排架柱斷面尺寸為0.35 m(寬)×0.60 m(高)×5 m(長)；更換進人口爬梯及各類安全防護欄；對進水口八字墻等部位存在外觀弊病的混凝土，通過鑿除質量缺陷表面混凝土，并采用環(huán)氧砂漿抹面進行加固修補，恢復進水口的完整性.

(3)輸水隧洞除險加固設計方案.對洞身存在外觀弊病的混凝土，其修復同進水口缺陷混凝土處理方案.對局部由于地質條件相對較差的Ⅲ類圍巖洞段，先采用回填灌漿將圍巖頂拱150°空洞填實，孔深0.2 m，孔距2.5 m，每排6孔均布.同時，為增強洞身防滲性能，提高輸水效率，采用固結灌漿[7]，灌漿孔深5 m，采用風鉆鉆孔，孔距4.0 m，每排12孔均布.

5 結 論

天生橋水庫輸水系統(tǒng)由于地形地質條件較復雜、施工質量監(jiān)控不到位等原因，加上10余年運行，出現(xiàn)進水口邊坡塊體塌滑、進水口排架柱振動變形、表面混凝土質量缺陷等問題，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性和結構強度均較差.為確保水庫具有較高安全性，提高輸水效率，對進水口排架柱、輸水隧洞的結構強度進行了安全復核，并提出相應的除險加固方案.

(1)安全復核成果表明，隧洞過流能力、隧洞結構強度和裂縫開展寬度均能滿足設計引流能力和規(guī)范技術指標要求.進水口排架柱受力鋼筋橫截面積達不到規(guī)范指標要求.

(2)結合安全復核結果，針對不同質量安全問題，采取不同的加固修復措施，即：進水口邊坡塌滑采用錨噴措施進行加固處理；進水口排架采取拆除重建加固處理；進水口及洞身現(xiàn)存的外觀弊病表面混凝土，采取表面鑿除，環(huán)氧砂漿抹面的加固修補方案.

(3)采取合理的邊坡錨固支護、深挖回填、固結灌漿等除險加固修復處理，輸水隧洞整體性、完善性均得到大大提高.從2013年修復竣工后，歷經(jīng)兩年大流量洪水考驗，工程整體運行狀況良好.

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On Security Review and Reinforcement of Water Conveyance Tunnel in Tianshengqiao Reservoir

YANG Wu1, TAN Jian-bo2
(1.Guizhou Qianshui Engineering Supervision Co., Ltd, Guiyang 550002, China;
2.Yangling Vocational and Technical College, Yangling 712100, China)

The safety and quality problems in water conveyance tunnel of Tianshengqiao Reservoir are introduced, including the poor construction quality, the poor slope stability which is easy to form a high and steep slope. Based on the site reconnaissance, the design data, the current specifications and standards, the structural strength safety review for the water inlet and tunnel has been done. From the hydraulic calculation, the reinforcing bars and crack width calculation for the tunnel lining supporting structure, and others analysis, the results show that: the flow capacity and structural strength of the water conveyance tunnel can meet the specification requirements. The practical and feasible reinforcement with slope anchor supporting, demolition and reconstruction, backfill consolidation grouting and other design scheme has been proposed, the integrity and reliability of water conveyance tunnel is effectively reinforced and repaired.

Tianshengqiao Reservoir; water conveyance tunnel; safety review; reinforcement

TV672

B

1008-536X(2016)08-0036-04

2016-02-13

楊 武(1960-)，男，貴州貴陽人，高級工程師，主要從事水利水電工程建設與管理工作.