浅谈小型水库输水设施除险加固

（邵阳市水利水电勘测设计院邵阳市422000）

浅谈小型水库输水设施除险加固

吕南

（邵阳市水利水电勘测设计院邵阳市422000）

文章分析了输水涵洞各种除险加固方案适应的工程条件，总结了邵阳市在小水库除险加固工作中对输水设施改造的经验，论述了放水卧管的水力学计算方法，对同类工程除险加固改造具有一定的借鉴意义。

小型水库输水设施卧管涵洞除险加固

邵阳市位于湖南省中部偏西南，全市共有1210余座小型水库，其中小（Ⅰ）型230余座，小（Ⅱ）型980余座，大多修建于20世纪50～70年代，其中土石坝占90%以上。受修建年代技术水平、管理水平及资金的限制，小型水库的输水设施多为圬工结构的放水卧管与坝下涵管。经多年运行，这些小水库一直病险不断，近年来，国家投入大量资金对邵阳市境内的病险水库进行了全面的除险加固，而输水设施的改造则为其中的关键工程。

1 输水设施存在的主要问题

邵阳地区早年修建的小型水库，以土石坝居多，而其输水设施则多为圬工结构的露天卧管与坝下涵管，经多年运行，这些输水设施主要存在以下问题：

（1）结构强度低，老化破损严重，部分卧管与涵洞因不均匀沉陷而发生断裂。

（2）卧管与涵管渗漏普遍，且坝内涵管一般都未设置截水环，涵管渗漏导致涵管外壁与大坝之间发生接触性冲刷，形成渗漏通道，直接威胁大坝的安全运行。

（3）卧管放水大多采用木塞和石塞控制，没有启闭设备，靠当地农民人工下水插、拔塞子来关水与放水，对当地百姓的人身安全造成威胁，邵阳地区也曾多次发生因水库放水而引发的惨剧。另外，木塞和石塞止水效果差，大量的水源因此流失浪费。

（4）部分涵管与卧管尺寸不匹配，涵管管径偏小，而卧管孔径偏大，导致放水时涵管内形成压力流或者明满流交替的状况，使坝内涵管病险情况加剧。

2 输水涵洞除险加固方案

（1）坝体大开挖新建涵洞：这种方法是在原涵洞的位置对坝体进行大开挖，将原有涵洞挖除之后，再在开挖位置新建钢筋混凝土涵洞。这个方案的优点是可以一次性挖除原有涵洞，彻底消除原有涵洞的安全隐患，缺点是该方案开挖断面大，对土坝扰动较大，施工工期较长，坝体回填质量控制不到位容易造成新的安全隐患，只适合涵管埋深较浅的大坝，一般开挖深度以不超过（6～8）m为宜。邵阳地区多为山丘地形，小水库大多坝短而高，适合本方案的小水库并不多，所以在邵阳的小水库除险加固中，采用本方案的工程较少。

（2）岸坡新开输水隧洞：在大坝两岸坝肩，选择地形地质条件较好的位置新开输水隧洞，待新开隧洞具备过水条件之后封堵原有老涵管。这个方案的优点是能从根本上消除坝下涵管给大坝带来的种种安全隐患，缺点是工程投资较大，工期较长，且部分水库因为无法放空，导致工程施工难度较大。近年来，国家对病险水库的治理力度加大，邵阳市境内的大部分具备条件的小水库的输水设施改造均采用此方案。

（3）原涵管内套管：本方案是在现有老涵管内部插钢管或者pvc管，然后对新插管道和原有涵管之间的空隙进行充填灌浆，水库利用新插的管道连接放水卧管输水，只利用原涵洞的坝内空间，原涵洞不再过水。该方案的优点是可彻底解决原涵洞的结构老化与渗漏问题，施工简单，工程投资小，工期短，其缺点是适用的水库较少，适用此方案的水库必须是涵管短（一般30m以内）而直，涵管内不能有较大的阻碍插管的障碍物。由于本方案的适用条件较为苛刻，在邵阳的小水库除险加固中，采用本方案的工程较少。

（4）坝体顶管新建涵管：本方案是在土坝下游侧开挖一部分坝体，构筑顶管工作坑及支承顶墩，用测量仪器校正方位和高程后，用液压千斤顶将钢管或预制钢筋混凝土管逐节顶进土坝形成新的坝内涵管。本方案的优点是施工速度较快，施工不受天气制约，基本不对原坝体造成扰动和破坏，其缺点是不能从根本上解决坝体埋管的安全隐患，施工技术要求较高，小水库多位于偏僻乡村，单个项目工程量小，很难找到合适的专业队伍来承担项目的施工。鉴于本地缺乏相应的专业施工队伍，在邵阳的小水库除险加固中，采用本方案的工程很少。

（5）定向钻法新建涵管：本方案属于非开挖牵引技术，是传统管线施工方法和油田定向钻井技术的结合，多用于河流和水道的穿越、各种油、气、电、水的管网建设，如西气东输等国家重大工程建设中均应用了该技术。本方案的优点是施工速度较快，施工不受天气制约，精度高，易于调整方向，其缺点是不能从根本上解决坝体埋管的安全隐患，需要专业的施工队伍与设备，邵阳小水库多位于偏僻乡村，单个项目工程量小，很难找到合适的专业队伍来承担项目的施工。鉴于本地缺乏相应的专业队伍和设备，在邵阳的小水库除险加固中，采用本方案的工程很少。

（6）新建虹吸管放水：本方案是在大坝上新建一条虹吸管，利用水流的虹吸原理放水，管材大多采用钢管、预应力混凝土管、pvc管和玻璃钢管，本方案的优点是可彻底解决坝内埋管的安全隐患，施工速度快，工程投资省，工程施工基本不受季节和地形地质条件的制约，可以在工厂内实现批量生产，质量容易控制，缺点是虹吸管理论上可以吸水7m，但工程实践中，5m的吸水高度都不一定能实现，因此只适合坝高在10m以下的小水库，而且虹吸管对管道的密闭性要求很高，使用操作较为麻烦。邵阳市的小水库大多位于山丘地区，库区大多狭长而坝高较高，适用虹吸管的水库并不多，邵阳地区在早期的水库除险加固工程中部分项目采用了此方案，但由于虹吸管操作麻烦，且使用中故障率较高，2011年之后设计的水库除险加固项目较少采用此方案。

经笔者初步统计，邵阳境内的小水库输水涵洞除险加固方案，约60%的项目采用了新开隧洞方案，约10%的项目采用了大开挖方案，约8%的项目采用原涵洞内套管方案，约6%左右的项目采用了虹吸管方案。

3 坝内涵管封堵方案

邵阳市大量的小水库在其除险加固方案中采用了新建输水设施，但其原来的坝内涵管依然是大坝安全运行的重大隐患，必须对其进行有效的封堵以彻底消除这一隐患。邵阳市的小水库坝内涵管封堵主要采用了以下两个方案：

（1）方案一：对涵管的进出口进行局部开挖，浇筑混凝土堵头，在对涵洞轴线进行精准定位之后，在大坝的内外坡用钻机钻孔灌浆，对涵洞内部及涵洞与坝体的接触部位进行回填灌浆，以杜绝坝内涵管渗漏以及涵管与坝体接触部位的渗漏。

（2）方案二：施工人员进入涵洞内部，在涵洞内洞壁造孔，对涵洞与坝体的接触部位进行回填灌浆，之后对涵洞的进出口进行局部开挖，浇筑混凝土堵头，浇筑混凝土堵头的同时预埋灌浆管，待堵头硬化之后，通过预埋的灌浆管对涵洞内部进行回填灌浆。

这两个方案各有优缺点，方案一的缺点是在大坝坝坡造孔对涵洞进行回填灌浆要求对涵洞位置进行精准定位，不然回填灌浆很难达到预期效果，而这种坝内小涵洞要在施工过程中做到精准定位较为困难。方案二的实施效果较好，但是涵洞内要进入施工人员，要求涵洞内净高不小于0.6m，净宽不小于0.5 m，而邵阳境内的小水库其涵洞尺寸很多都不能满足这一尺寸要求。因此，邵阳市的小水库涵洞封堵方案，对于不能进人的涵洞，大多采用方案一封堵，对于可以进人的涵洞大多采用方案二封堵。

4 放水卧管改造

放水卧管为一条露天的放水管道，管身布置有放水孔口，采用塞子或门盖式闸门控制放水，因其管理的便利性及其可以始终取到水库表层温水有利于农作物生长的优势，一直在邵阳地区作为小水库的主要放水设施被采用，本轮小水库除险加固改造亦主要沿用了这一放水设施，只是对原先的卧管型式进行了升级改造，除险加固改造之后的放水卧管管身主要采用现浇钢筋混凝土结构和钢筋混凝土预应力管，放水设施多采用门盖式铸铁闸门，卷扬机启闭。放水卧管多为露天放置的明管，其方案的选择和施工相对输水涵洞较为简单，卧管的水力学计算是其除险加固设计中的重点，主要包括以下三个方面的内容：

（1）放水孔大小的确定按孔口出流计算：

式中Q——孔口出流流量；

μ——孔口流量系数，与孔口形状有关，方形为（0.58～0.63），圆形一般取0.62；

A——放水孔过水断面面积；

h——孔口上作用水头。

（2）卧管过水断面尺寸确定：水流由放水孔口进入卧管之后，以无压流的形式沿卧管流动，跌入卧管末端的消力井，消能之后再进入输水涵洞。卧管内水流形态较为复杂，根据试验，水流由孔口跌入卧管后，水柱跃起高度约为管内正常水深的（2.5～3.5）倍，因此我们在设计过程中，利用明渠均匀流公式

，计算出卧管的正常水深，然后取正常水深的（3～4）倍作为卧管的设计管径。

（3）消力井水力学计算：消力井水力学计算主要包括消力井深度（由涵管底板至消力井底板的高度）分析计算和消力井容积的计算，消力井的深度须确保井底不受射流的直接冲击，消力井深度p一般按下式计算：P=t0-h0+S，式中t0为消力井水深，由公式计算确定，其中k为经验系数，一般取1.25，b为孔口直径，Hmax为孔口以上最大水深，h0为涵管正常水深，δ为安全水垫厚度，一般取（0.3～0.5）m。

消力井容积计算：水流跌入消力井后，形成剧烈的碰撞，使大部分动能转化为热能，根据试验，每立方米容积的水能消杀量在（7.5～8.0）kW，为了达到充分消能的目的，消力井应有足够的尺寸，水流能量N=9.81QH，消力井容积V=BLt0≥1/8×9.8QH，其中B为消力井宽度，L为消力井长度。

5 结语

小型水库的输水设施是整个水利工程的核心构筑物，其质量的好坏直接关系到水库的效益发挥和安全运行,所以小型水库输水涵洞除险加固历来为小型水库除险加固的重中之重。本文对小水库输水涵洞除险加固常用的6种方案及坝内涵管封堵的两种常用方案进行了一一分析，总结了邵阳市在小水库除险加固工作中对输水涵洞改造的经验，提出了输水涵洞各种除险加固方案适应的工程条件，论述了放水卧管的水力学计算方法，建议对具备条件的小型水库，在对其输水设施进行除险加固时优先考虑新建隧洞方案，以彻底解决坝内埋管的工程安全隐患。

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2017-02-06）

吕南（1982-），男，湖南邵阳人，大学本科，土木工程师（水工结构），研究方向为水工结构，手机：13508422121。