宋靈根

(樟樹(shù)市水利局水政監(jiān)察大隊(duì)，江西 宜春 331200)

1 工程概況

返步橋水庫(kù)始建于1966年11月，1967年9月停建，1980年5月續(xù)建，1983年12月基本建成受益。水庫(kù)樞紐工程主要建筑物有：大壩(含溢流壩)、輸水涵、放空涵及電站等。

大壩為漿砌塊石重力壩，最大壩高60.0m,壩頂長(zhǎng)137.0m,壩頂高程348.00m，壩頂寬9.0m，輸水涵位于左壩段壩體內(nèi)，原為鋼筋混凝土圓管，長(zhǎng)24.0m，內(nèi)徑2.0m，原鋼筋混凝土襯砌厚度為0.2m，進(jìn)口底高程318.65m。進(jìn)口設(shè)一平面鋼閘門，由一臺(tái)30t手搖、電動(dòng)兩用啟閉機(jī)啟閉。1987年，輸水涵內(nèi)襯厚8mm鋼管，長(zhǎng)36.0m，內(nèi)徑1.8m，在涵管出口修建壩后電站。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口段內(nèi)套鋼管因起翹而割除。輸水涵閘門及啟閉設(shè)施陳舊老化，銹蝕嚴(yán)重，不能正常使用。

根據(jù)水庫(kù)大壩安全鑒定報(bào)告，輸水涵進(jìn)口段內(nèi)襯鋼管曾發(fā)生失穩(wěn)、變形，管壁混凝土蜂窩麻面、孔洞較多，鋼襯段銹蝕嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)不安全，且發(fā)電岔管漏水嚴(yán)重[1]。

水庫(kù)在現(xiàn)狀帶病運(yùn)行條件下，灌溉和發(fā)電效益達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。除險(xiǎn)加固可改善灌溉田畝數(shù)和增加發(fā)電量，促進(jìn)灌區(qū)的耕地復(fù)種面積指數(shù)，群眾經(jīng)濟(jì)收入逐年增加，獲得明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 現(xiàn)狀輸水涵復(fù)核計(jì)算

2.1 過(guò)流能力復(fù)核

考慮到輸水涵為有壓運(yùn)行，可按管流中自由出流情況計(jì)算涵管的過(guò)水能力。經(jīng)計(jì)算，輸水涵過(guò)水能力見(jiàn)表1。

表1 輸水涵過(guò)流能力一庫(kù)水位關(guān)系表

返步橋水庫(kù)設(shè)計(jì)灌溉面積3133hm2，壩后電站裝機(jī)2×400kW，水輪機(jī)最大過(guò)流量為9.3m3/s,由此可知，輸水涵過(guò)流能力滿足下游溉溉和發(fā)電引水要求。

2.2 內(nèi)襯鋼結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口段內(nèi)套鋼管因起翹而割除，因此有必要對(duì)輸水涵的抗外壓穩(wěn)定進(jìn)行分析。

規(guī)范計(jì)算方法及其成果

1)理論公式：

首先不考慮因灌漿施工引起的初始屈曲破壞所帶來(lái)的鋼襯抗外壓能力降低問(wèn)題。采用規(guī)范SL281—2003《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦的阿姆斯圖茲公式對(duì)鋼管按照光面管進(jìn)行抗外壓穩(wěn)定計(jì)算。該公式認(rèn)為鋼管在外壓作用下，管周先發(fā)生壓縮，管殼與混凝土間形成間隙，當(dāng)外壓達(dá)到臨界值后，首先在鋼管某處產(chǎn)生皺波，并發(fā)生微小變位，而其余部位則與外壁貼合，失穩(wěn)部位管壁的變形曲線呈三個(gè)半波形狀，由此導(dǎo)出阿姆斯圖茲公式如下：

(1)

式中：Pcr為臨界外壓；△為縫隙，包括施工縫隙△0、鋼管冷縮縫隙△s、圍巖冷縮縫隙△P及圍巖塑性壓縮縫隙△R，本次計(jì)算取△=0.70mm；E為鋼管材料的彈性模量，取2.06×105MPa；μ為鋼管材料的泊松比，取0.3；σs為鋼材屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，為269.9MPa；r1為鋼管內(nèi)半徑，為900mm；t為鋼管計(jì)算厚度，為8mm；σN為管壁屈曲部分由外壓引起的平均應(yīng)力(MPa)，通過(guò)試算求得。

通過(guò)計(jì)算得到該鋼管的臨界外壓：

Pcr=0.675MPa

(2)

2)經(jīng)驗(yàn)公式：

其次采用規(guī)范SL281—2003《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦的經(jīng)驗(yàn)公式按照光面管進(jìn)行抗外壓穩(wěn)定計(jì)算：

Pcr=620(t/r1)1.7σS0.25

(3)

通過(guò)計(jì)算得到該鋼管的臨界外壓：

Pcr=0.819MPa

(4)

經(jīng)鋼襯抗外壓穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算，該鋼襯可承擔(dān)67.5m以上水壓力，而在校核洪水位346.17m情況下的水頭也僅為27.52m，以規(guī)范要求的最小安全系數(shù)2.0計(jì)，其抗外壓能力可滿足要求。但現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口段內(nèi)襯鋼管因起翹而割除，故鋼管的結(jié)構(gòu)安全仍不滿足要求，且主要與鋼管的材質(zhì)、焊接質(zhì)量以及施工質(zhì)量等有直接天系(可基本排除抗外壓穩(wěn)定不足的因素)，應(yīng)盡快進(jìn)行修復(fù)和處理[2]。

3 輸水涵加固設(shè)計(jì)

3.1 加固設(shè)計(jì)方案比選

考慮到輸水涵內(nèi)襯鋼管后已使用近20余年了,進(jìn)口段內(nèi)套鋼板因起翹而割除，管壁混凝土蜂窩麻面、孔洞較多；保留的鋼襯段銹蝕嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)不安全，且發(fā)電岔管漏水嚴(yán)重。,因此需要對(duì)輸水涵進(jìn)行加固處理[3]。

本階段加固擬定二種方案進(jìn)行比較。

方案一：對(duì)輸水涵進(jìn)行重新內(nèi)襯鋼板加固，并進(jìn)行接觸灌漿。

方案二：將輸水涵原內(nèi)襯鋼管及鋼筋混凝土襯砌拆除，重新澆筑30cm厚的C25鋼筋混凝土。兩方案主要工程量及投資比較見(jiàn)表2。

表2 輸水涵加固方案主要工程量及投資比較表

兩方案優(yōu)缺點(diǎn)如下：

方案一(重套鋼管方案)：

優(yōu)點(diǎn)：①施工期較短；②由于壩體內(nèi)漿砌石澆筑質(zhì)量差，涵管采用鋼襯后，解決了內(nèi)水外滲所帶來(lái)的一系列安全問(wèn)題。

缺點(diǎn)：①投資稍大；②鋼襯易受外壓失穩(wěn)，不過(guò)這種情況可以在設(shè)計(jì)該方案時(shí)，采取措施加以消除。

方案二(鋼筋混凝土襯砌方案)：

優(yōu)點(diǎn)：投資較少。

缺點(diǎn)：①施工期較長(zhǎng)；②由于壩體內(nèi)漿砌石澆筑質(zhì)量差，涵管采用鋼筋混凝土襯砌后，一旦襯砌出現(xiàn)蜂窩麻面或產(chǎn)生裂縫，輸水涵長(zhǎng)期運(yùn)行所產(chǎn)生的內(nèi)水外滲將引發(fā)一系列安全問(wèn)題[4]。

故經(jīng)綜合分析，本次加固處理采用方案一(重套鋼管方案)。

3.2 輸水涵加固設(shè)計(jì)

3.2.1 輸水涵加固結(jié)構(gòu)布置

結(jié)合大壩防滲面板加固方案，考慮在輸水涵進(jìn)口設(shè)置啟閉豎井，拆除原啟閉排架，重建啟閉機(jī)房。

3.2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

內(nèi)襯鋼管計(jì)算：

1)鋼管設(shè)計(jì)的最大內(nèi)、外壓力：

輸水涵內(nèi)襯鋼管加固設(shè)計(jì)考慮其單獨(dú)承擔(dān)內(nèi)、外壓力。鋼管設(shè)計(jì)的最大內(nèi)壓力以校核洪水位工況下的管頂靜水壓力控制，經(jīng)計(jì)算，管頂最大的靜水頭H0=25.62m。

2)鋼管厚度計(jì)算：

原輸水涵內(nèi)襯鋼管內(nèi)徑為1.8m，現(xiàn)仍取內(nèi)襯鋼管內(nèi)徑1.8m。內(nèi)襯鋼管承擔(dān)內(nèi)壓時(shí)，鋼管壁厚按下式計(jì)算：

(5)

式中：δ為內(nèi)襯鋼管管壁厚度；γ為水的容重，10kN/m3；HP為鋼管的內(nèi)水壓力256.2KN/m2；D為隧洞內(nèi)襯鋼管內(nèi)徑,1.8m；[σ]為鋼管容許應(yīng)力，內(nèi)襯板采用A3鋼材，按規(guī)范將[σ]值適當(dāng)降低取0.85[σ]。2100×103(kN/m2)

根據(jù)上式得內(nèi)襯鋼管管壁厚為1.3mm。

內(nèi)襯鋼管承擔(dān)外壓時(shí),鋼管管壁厚按下式計(jì)算:

(6)

式中：Pcr為外壓力，N/mm2，以灌漿壓力0.3N/mm2控制；t為內(nèi)襯鋼管壁厚度；γ1為內(nèi)襯鋼管半徑,(γ1=900mm)；σs為鋼材的屈服應(yīng)力；內(nèi)襯鋼板采用A3；

根據(jù)上式計(jì)算得的內(nèi)襯鋼管管壁厚為4.5mm。

根據(jù)以上計(jì)算，內(nèi)襯鋼板厚度以承擔(dān)外壓時(shí)控制，考慮到鋼管運(yùn)行中的銹蝕和磨損及構(gòu)造要求等，取內(nèi)套鋼管直徑為1.8m，內(nèi)襯鋼壁厚為10mm，并應(yīng)對(duì)其進(jìn)行防腐處理，為了使內(nèi)襯鋼管和鋼筋混凝土襯砌間接合緊密，在內(nèi)襯鋼管與鋼筋混凝土襯砌間采用接觸灌漿[5]。

經(jīng)加固處理后,輸水涵進(jìn)口底板高程仍為318.65m。

3.3 輸水涵啟閉塔豎井加固設(shè)計(jì)

結(jié)合大壩采用混凝土面板防滲方案，拆除原進(jìn)口啟閉排架，設(shè)計(jì)采用啟閉豎井加固方案，從啟閉豎井與啟閉排架兩種運(yùn)行方式比較，前者更具安全性。故本工程進(jìn)口改建為啟閉豎井，啟閉豎井?dāng)嗝娉叽鐬?.8m×3.8m；并重建啟閉機(jī)房。

3.4 輸水涵進(jìn)口事故檢修閘門及啟閉設(shè)備更換設(shè)計(jì)

輸水涵進(jìn)口順?biāo)鞣较蛟O(shè)攔污柵、事故檢修閘門各一扇及相應(yīng)的啟閉設(shè)備。

攔污柵孔口尺寸2.8m×4.0m(寬×高)，采用平面滑動(dòng)鋼柵，啟閉設(shè)備采用MD1—10t電動(dòng)葫蘆。在低水位時(shí)，采用人工對(duì)攔污柵進(jìn)行清污。

事故檢修閘門采用平面滑動(dòng)鋼閘門，孔口尺寸1.8m×1.8m，為潛孔式；進(jìn)口底檻高程為318.65m，設(shè)計(jì)水頭25.55 m。事故檢修閘門設(shè)計(jì)為動(dòng)水中閉門，靜水啟門。

經(jīng)計(jì)算，閘門自重3.5t，攔污柵自重1.5t；閘門啟門力FQ=26.8t,閉門力FW=-1.5t。

閉門力為負(fù)值，所以閘門在動(dòng)水時(shí)利用自重可以自行關(guān)閉，采用卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)關(guān)閉。根據(jù)閘門啟閉力的計(jì)算，選擇卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，單吊點(diǎn)，啟閉機(jī)型號(hào)為QP1×320kN。

4 結(jié) 語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)返步橋水庫(kù)輸水涵進(jìn)行泄流能力以及內(nèi)襯鋼結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算，得到結(jié)論：現(xiàn)狀輸水涵過(guò)流能力滿足要求，現(xiàn)狀鋼襯抗外壓能力亦滿足要求。但現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口段內(nèi)襯鋼管因起翹而割除，故鋼管的結(jié)構(gòu)安全仍不滿足要求，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)方案比選，采用重套鋼管方案對(duì)其進(jìn)行加固。經(jīng)過(guò)加固后，解決了輸水涵結(jié)構(gòu)安全、漏水等問(wèn)題，消除了返步橋水庫(kù)的安全隱患，確保水庫(kù)能正常運(yùn)行。