吳小靜
(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局,新疆 烏魯木齊 830000)
某小(1)型水庫控制流域面積42 km2,水庫主要用于攔蓄清洪來水,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,總庫容520萬m3,防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇設(shè)計,500 a一遇校核。輸水洞是在大壩右岸巖體中開鑿的無壓洞,包括進(jìn)口段、閘室段、洞身段、出口段,總長約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)水塔通過工作橋右岸山體相連。本次除險加固中對輸水隧洞目前運(yùn)行情況和存在的問題進(jìn)行分析,并提出可行的加固方案。
1981年水庫第一次除險加固輸水洞運(yùn)行較好,未進(jìn)行加固處理,2002年對水庫進(jìn)行第二次除險加固,現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)輸水洞洞身混凝土開裂,閘門、啟閉設(shè)備老化,輸水洞已不能正常運(yùn)行,除險加固對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、啟閉設(shè)備。本次除險加固中,通過現(xiàn)場檢測復(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,未見明顯缺陷,無鋼筋裸露現(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處頂拱存在開裂現(xiàn)象,裂縫長度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)場檢測問題分布圖見圖1。
圖1 輸水隧洞現(xiàn)場檢測問題分布圖
輸水洞金屬結(jié)構(gòu)方面:經(jīng)現(xiàn)場了解詢問,發(fā)現(xiàn)進(jìn)水口閘門長期處于水下,無法維修,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)工作門處于長期閉門狀態(tài),無泄漏,表面存在銹蝕,左側(cè)閘門經(jīng)常使用,止水不嚴(yán),水流呈噴射狀,無法接近觀測其表面銹蝕情況;檢查進(jìn)水塔架及啟閉機(jī)室,發(fā)現(xiàn)2臺啟閉機(jī)機(jī)架及連接螺桿存在銹蝕,啟閉機(jī)開度指示器損壞,無過負(fù)荷保護(hù)裝置,依靠手動裝置進(jìn)行啟閉?,F(xiàn)狀閘門問題圖見圖2。
(a)輸水洞右側(cè)工作閘門 (b)輸水洞左側(cè)工作閘門
輸水洞身屬無壓洞,以洞內(nèi)水深和其側(cè)墻同高為條件計算過流流量,按明渠水面線計算確定洞身過流能力[1],輸水洞洞身特性及水力計算見表1,洞身下泄流量與水位關(guān)系計算見圖3。
表1 輸水洞洞身特性及水力計算表
圖3 輸水洞洞身段水位與下泄流量關(guān)系曲線
經(jīng)計算,洞身過流能力為4.9 m3/s。輸水洞設(shè)計輸水流量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%的要求下計算輸水洞過流能力為4.9 m3/s,即最大值,復(fù)核過流流量小于設(shè)計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,輸水洞過流能力采用本次復(fù)核值4.9 m3/s。
根據(jù)水庫輸水泄洪洞現(xiàn)場檢測以及安全鑒定結(jié)果,針對影響大壩安全和發(fā)揮效益的主要建筑物進(jìn)行改造,本次對水庫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)計要求。由于輸水洞加固需要水庫停水周期長,影響水庫泄洪和向下游供水,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,對原輸水泄洪洞進(jìn)行封堵。本方案便于實(shí)施,可保證水庫正常運(yùn)行,基本不影響水庫泄洪和向下游供水。
(3)方案比選
方案一、二均能滿足水庫防洪要求,經(jīng)對兩方案進(jìn)行比較,方案一水庫停水周期長,影響水庫泄洪和向下游供水,方案二可保證水庫正常運(yùn)行,基本不影響
水庫泄洪和向下游供水,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。
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,巖性相對較軟弱,遇水易軟化,含水量對巖體強(qiáng)度影響極大。圍巖受構(gòu)造影響輕微,斷層不發(fā)育,圍巖地下水活動微弱,巖體潮濕局部滲水。圍巖類型為Ⅲ~Ⅳ類,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。洞長約176 m,坡度為3.3%,設(shè)置兩個轉(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,隧洞圍巖類別為IV類,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,輸水泄洪洞最大過流能力20.0 m3/s,對應(yīng)最大流速8.9 m/s。
在壩肩左岸山體輸水洞軸線樁號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0+261.0接連接管道,采用DN2000的鋼管,管道外包砼厚40 cm,樁號0+264.5連接鋼管處設(shè)分岔管,樁號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)計流量2.07 m3/s。
對現(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。
(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),庫內(nèi)地面高程2215.00 m,在壩腳上游有多個小岔溝,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:水庫在最低水2214.50 m時,管項(xiàng)埋深水頭2.0 m,可保證有壓引水的進(jìn)口最小淹沒深度。
當(dāng)水庫放空泄水特殊情況:水庫在最低水位2214.50 m時,管頂埋深水頭0.7 m,不能保證有壓引水的進(jìn)口最小淹沒深度,但考慮該工況運(yùn)行幾率和時段較少,泄水流量較小,在較短時間內(nèi)隧洞滿流運(yùn)行,為此對隧洞加強(qiáng)襯砌后可滿足要求。
由于隧洞進(jìn)口岸坡地形較緩,無合適地形條件布置清污平臺及清污設(shè)備,同時該水庫是攔蓄清洪來水式水庫,污物較多,水庫污物主要為枯木草等漂浮物。其次水庫庫周設(shè)置護(hù)欄,牛羊等牲畜墜庫溺水死亡的概率很小。為防止水庫污物進(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,只在水庫水位降至輸水洞底板高程以下時,對攔污柵進(jìn)行清污。為防止平時污物堵塞攔污柵,因此將攔污柵做成正向、上部可同時進(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
隧洞長度176 m,隧洞最大埋深30 m,圍巖工程地質(zhì)條件較差,開挖后不能自穩(wěn),隧洞開挖采用短進(jìn)尺、快循環(huán)施工,圍巖及時噴錨、鋼拱架加超前管棚支護(hù),加強(qiáng)圍巖變形觀測[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,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)計圖見圖4。
圖4 隧洞斷面設(shè)計圖
該輸水隧洞建成運(yùn)行至今已有45年之久,初期建設(shè)時受技術(shù)、資金條件的限制以及方案的選擇,以及后來不同時期改造、加固處理方案、方法,在其特定歷史時期具有其合理性與適用性。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展、人口及供水需求的增長,科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及設(shè)計規(guī)程規(guī)范的不斷更新完善,賦予老水庫及其單體工程以新的、更高的要求,除險加固使得運(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。