腰堡水库除险加固工程设计

刘宇

（辽宁省大伙房水库管理局抚顺市113007）

腰堡水库除险加固工程设计

刘宇

（辽宁省大伙房水库管理局抚顺市113007）

结合腰堡水库运行现状及存在问题，对水库输水洞进行除险加固的总体工程方案设计，计算分析了衬砌钢管壁厚、输水洞设计流量、输水洞泄流能力，并开展回填灌浆与固结灌浆设计，通过除险加固设计与计算分析，得出的工程设计符合相关规范要求，满足水库的安全运行与管理。

除险和加固工程设计腰堡水库

腰堡水库位于社河支流腰堡河，1958年兴建，1979年竣工。水库总库容为2 047.89万m3，枢纽等别为三等工程，永久性建筑物为三级。原设计中，设计洪水标准为50年一遇洪水，校核洪水标准为500年一遇洪水，保坝标准为5 000年一遇洪水。除险加固设计洪水标准为50年一遇洪水，校核洪水标准采用1 000年一遇洪水。由于工程规模已几次变更，输水洞在设计上和施工中存在很多问题，腰堡水库输水洞为坝下埋管，存在洞身混凝土剥蚀严重、接缝多处开裂漏水、启闭机室工作桥刚度不足。竖井检修闸门、启闭机锈蚀、老化，启闭机滚筒不对称，不能平稳启闭，且起门力不足。输水洞工程存在的问题为设备老化，输水洞曾出现过5条裂缝，用环氧树脂进行加固，但漏水仍很严重。

鉴于腰堡水库输水洞各部出现多处安全隐患，水库处于十分危险的运行状态，若水库一旦失事将影响到下游村镇全体人民的生命财产安全，因此腰堡水库除险加固工程是十分迫切和必要的。

1 除险加固设计方案

输水洞位于左岸坡地上，洞中心线位于大坝桩号0+284.64 m处。输水洞是坝下埋管式，为1.2 m×1.2 m方形有压洞。洞全长124.10 m，由进口段、洞身、分岔段和出口消力池组成。洞进口高程102.00 m，出口底高程96.20 m，洞底平均比降为4.67%。本次加固后进口段、分岔段和出口消力池均保持不变，洞身段由原来1.2 m×1.2 m的方形涵洞变为直径1.0 m的钢管。

地下埋管是钢衬与岩体之间用混凝土进行回填后共同受力组合结构。钢管与围岩之间回填的混凝土仅起传递径向内压力而不必承受环向拉力，因此混凝土标号不必太高，但也不宜低于150号。更重要的是采用合适的原材料和级配，合理的输送、浇注和振捣工艺，以保证回填灌浆混凝土密实、均匀并和围岩及钢衬密切结合。

2 输水洞除险加固工程设计

2.1 衬砌钢管壁厚计算

（1）钢管单独承受内压力。

钢管结构的抗力限值计算：

式中σR——钢管结构的抗力限值；

r0——结构重要性系数，r0=1.0；

Ψ——设计状况系数，Ψ=1.0；

rd——结构系数，rd=103（地下埋深）；

f——钢材强度设计值，f=215（Q235）。

经计算，σR=165.3 N/mm2

衬砌钢管壁厚计算：

式中p——内水压力设计值，p=2 N/mm2；

r——钢管内半径，r=500 mm；

σR——钢管结构的抗力限值，σR=165.3 N/mm2。

经计算，δ=6 mm

（2）钢管抗外压稳定分析。

经验公式：

式中pcr——抗外压稳定临界压力计算值（N/mm2）；

σs——钢材屈服点，σs=235 N/mm2。

经计算，pcr=1.3 N/mm2

因为KcPok≤pcr，Kc=2.0，Pok=0.3 MPa，则KcPok=2× 0.3=0.6≤pcr=1.3 MPa，因此满足要求。

2.2 输水洞设计流量计算

输水洞承担农业灌溉和发电两项任务，设计流量为农业灌溉和发电供水流量用水流量之和。

2.3 输水洞泄流能力计算

2.3.1 泄流能力计算

因输水洞兼做施工导流用，洞径为1.2×1.2 m，泄流能力按下式计算：

式中μ——流量系数；

ω——出口断面面积；

H0——包括行进流速水头的上游水位与出口底高程差值；

hp——出口断面水的平均单位势能。

2.3.2 基本参数计算

（1）流量系数μ。

①各种局部能量损失之和计算

∑ζ=ζ进口+ζ门槽+ζ弯+ζ出口+ζ拦

式中ζ进口——进口损失系数；

ζ门槽——门槽损失系数；

ζ弯——弯处损失系数；

ζ出口——出口损失系数；

ζ拦——拦污栅损失系。

经计算，∑ζ=0.01+0.1+0.3+0.3+0.04=0.75

②流量系数μ计算。

式中g——重力加速度；

R——水力半径；

L——洞身长度；

C——谢才系数。

经计算，流量系数μ=0.439

（2）出口断面面积ω计算。

农业灌溉管Φ 1 000 mm，面积ω=0.785 m2；发电管Φ 900 mm，面积ω=0.636 m2。

（3）出口断面势能hp计算。

式中β——势能修正系数；

d——管直径。

经计算：农业灌溉管hp2=β2×d2=0.5×1=0.5 m；

发电管hp3=β3×d3=0.5×0.9=0.45 m。

2.3.3 水洞水位～流量关系曲线计算

（1）库水位在103.44 m以下进口按无压流公式计算。

式中Q——泄流量（m3/s）；

m——流量系数，对八字形进口取m=0.34；

ε——侧收缩系数，ε=1-0.2 KH0/b=0.95；

b——隧洞过水断面宽度，b=1.2。

经计算：Q农=1.431 H03/2；Q电=1.431 H03/2。

（2）库水位在103.44 m以上时出口压力流控制。

2.3.4 回填灌浆及固结灌浆设计

（1）回填灌浆设计。

回填灌浆的设计项目主要是布置灌浆孔，确定孔距和排距，提出灌浆标准和灌浆压力等。回填灌浆孔的布置初步设计:①灌浆范围：洞顶120°范围内；②排距和孔距：排距4.0 m，孔距4.45 m，每断面6孔，与固结灌浆孔分排间隔布置；③灌浆孔深入围岩10 cm；④灌浆压力为（0.3～0.5）MPa。

（2）固结灌浆设计。

固结灌浆的目的在于加固围岩，提高围岩的整体性，减少围岩压力，保证岩石的弹性抗力，减小地下水对衬砌的压力和减小渗漏。固结灌浆孔的布置初步设计为:①灌浆范围：整个洞圈；②排距和孔距：应通过现场灌浆实验确定，拟订排距4.0 m，孔距4.45 m，每断面6孔，梅花形布置，每排错开且与回填灌浆孔分排间隔布置；③灌浆孔深入围岩10 m；④灌浆压力为(1.0～3.5)MPa。

3 结论

腰堡水库输水洞除险加固设计的衬砌钢管壁厚计算与钢管抗外压稳定分析、输水洞设计流量计算、输水洞泄流能力计算、水洞水位流量关系计算、公式选择、参数选取等符合规范要求。水库输水洞除险加固后，能够延长水库的运行时间，提高水库自身的防洪效益，同时水库正常运行为灌溉和综合利用发挥其工程社会效益和经济效益提供了保障。

表1 水洞水位与流量计算成果表

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表6 原方案及优化方案的成本系数

固设计方案的选择。同时，考虑到工程经验的价值，结合帕累托分析法的原理，可适当的参考专家的意见来确定价值评定的对象和水库出现加固功能分析。

（2）运用价值工程理论优化了阴坡水库除险加固的设计方案。确定研究对象，定量计算原方案的价值系数，对原方案进行优化和调整，确定出优化方案，同时为投资决策提供依据。

（3）价值工程的目的是在帮助人们对工程项目进行可靠地技术经济分析，是一种促使资源最优利用的系统分析方法。在现阶段来看，我国工程界对价值工程的理论和技术重视程度不够，尤其是水库除险加固项目未能充分理解资源优化配置的概念，但是作为一线的技术人员，可以通过实际的项目来推进价值工程在工程项目上的应用，使资源得到优化配置，让价值工程充分发挥其价值。

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（收稿日期：2016-11-17）

2016-09-19）

刘宇（1983-），男，工程师，主要从事水利工程管理工作。