水库除险加固隧洞的设计探究

卢治元，吕丽芬

（云南水利水电职业学院，昆明650499）

1 引言

考虑到水库隧洞存在的安全隐患，当务之急是对其进行除险加固。在实际工作中，对大坝实施加固整形，合理加高溢洪道，针对存在的问题修缮输水涵管，重新建筑专门的水库管理房，配备所需的安全监测设备等，以此实现预设目标，充分发挥水库的原有效益。

2 工程概述

以云南地区某水库为例，位于新平县桂山街道，水库总库容为 1.25×106m2，径流面积本区为 6.2km2，外区为 5.1km2，是一座以供应生活用水为主，兼有农业灌溉、防洪等效益的水利工程。通过了解相关文献得知，水库正常情况下的蓄水位是1823m，校核洪水位为1825m。受到资金不足的影响，一直没能得到全面修复，运行几十年来，坝体严重老化，加之水库没有建设规范性的溢洪道，导致水库很难正常运行，给当地居民的人身安全带来极大威胁[1]。经当地水利局决定，并批准要对水库实施除险加固，预计耗损资金为120万元，水库洪水频率：正常时期为十几年一遇即：P=3.33%，特殊时期按洪水为百年一遇：即P=0.33%。

3 输水隧洞设计

3.1 输水设施设计

3.1.1设施设计

在实际施工过程中，将新的输水隧道设计在副坝左侧，总长85.368m，进口底板高程为74.60m，底陂比降约等于0.003 68，预设灌溉范围为130.56hm2，流量为0.39m3/s，城门段隧道的水深为0.27m。由于上游有8.6m的引水渠道及12.6m的涵洞，通过计算得知隧洞过水断面为1.8m×1.2m[2]。施工人员利用专业工具测量隧洞两侧壁厚后，依据所求结果，设计切实可行的钢筋混凝土衬砌方案。因为壁厚不超过0.5m，所以在衬砌过程中需要将钢筋混凝土的厚度设计成0.3m。放水塔下游有长为3m的渐变段及长为63.23m的洞形隧洞。考虑到这一情况，将隧洞壁厚设置成0.4m，内侧为0.3m厚的钢筋混凝土衬砌，外侧则进行2次喷射混凝土，由钢筋作为支撑。除此之外，在洞顶部沿着隧洞建设方向设计间隔为3m的回填灌浆口，角度调整到45°，另外，加设团结灌浆孔，间隔距离为1.5m，必须要保证其能深入到岩土层。完成上述工作后，实施团结灌浆。一般情况下多以纯水泥浆为主，其中，回填灌浆压力初设成150kPa，而团结灌浆的压力值则控制在100～150kPa。需要注意的是，施工人员在隧道洞口设计接消力池与出水渠，长度要依据工程实际情况进行调整[3]。

3.1.2 过流能力复核

通过计算得知主坝新建隧洞为洞形无压隧洞，具体计算过程如下：

式中，Q为流量，m3/s；C为谢才系数；A为过水面积，m2；R为水力半径，m；n为糙率，具体计算结果如表1所示。

表1 隧洞水力计算结果

由表1可知，利用平板闸门管控，隧洞能够形成无压流，经检测获知其过流能力符合工作需求。需要注意的是，当隧道内水深超过0.25m时，过水量为0.42m3/s，与预估的流量十分相似，其流速为1.54m/s，通过测量发现此刻水面距离洞顶有1.5m的安全空间，净空高度及面积都符合国家提出标准[4]。

3.1.3 隧洞衬砌设计

依据SL 279—2016《水工隧洞设计规范》：在建筑施工过程中若是选用支护或是加固围岩，施工人员需要依据其稳定情况计算结果，通常情况下不需要考虑围岩压力。由于本次隧洞围岩隶属于V类，设计方案中明确指出开挖后需要进行喷混凝土，厚度约为10cm，同时选用钢材料做临时支撑[5]。完成上述工作后可以初步认定围岩处于稳固状态，设计人员不再需要考虑围岩压力的问题。

本次隧洞衬砌设计计算选用的是：北京理正隧道衬砌计算软件，并结合实际情况，取中间的均值，旨在保证供水位工况信息的安全性与准确性。经过大量的计算，工作人员得出如下结论：各点设定抗力条件与方向位大体一致[6]。

隧洞进口两侧的墙体属于浆砌石翼，翼墙进口宽度为3.4m，墙尾增设了一道拦截污水的栅栏。经测量得知放水塔外半径为2.6m，内半径是2.3m，放水塔设置了多扇闸门与检修口，闸门主要选择平板钢，尺寸多为1.2m×1.8m。在实际运行中，工作人员需要定期进行检修，查看手电两用启闭机的工作状态，是否存在潜在风险，尤其要检查拦污栅的运行情况。当前比较常见的拦污栅是5t电动葫芦。启闭机运行过程中高程是83m，闸门检修为80.43m，拦污栅则为82m，计算得出其高出校核水位，符合建设要求。

3.2 输水管道设计

当前，大多数旧输水管道设在一幅坝最高的位置，贯穿整个坝体，进口高程高达76.2m，出口高层为73.4m，总长为52m。与副坝相比，就输水涵管硬性条件基本一致，在坝体内设置涵管可能会不同程度影响到工程地质，基于此问题，施工人员必须将埋在坝体的输水涵堵封[7]。与此同时，重新建设一个隧洞进行输水。本次引水隧洞的最大高程为87m，总长107m，设计进口高程74m，出口高程则为73.6m，隧洞总高度1.8m，宽度则为1.2m，隧洞埋深不超过10m。

选定一个合适的位置放水塔，计算求出最佳的剖面距离，将角度控制在120°。在经过山包时，地势渐渐平缓，周边植被生长状态良好，没有发现严重塌陷、滑坡等不良问题。分析出露地层得知，其隶属于亭子单元，条纹状构造，多为岩性花岗岩。从出露情况来看，较浅，受到恶劣天气的影响，全洞都处于风化带。按照隧洞围岩的划分标准计算得出，隧洞属于V类，不稳定。隧洞埋深不符合标准，进出段洞顶较单薄，因此，施工人员在实际施工中应尤其注意洞口安全，保证围岩坚固系数不超过0.5这一标准值，单位弹性抗力系数不超出预设值。

4 输水隧洞的施工

隧洞开挖施工效果在很大程度上取决于岩体质量、断面积等影响因素，围岩类型的不同、断面积的大小都会影响开挖进度与方法。一些断面积小的洞室，经检查得知围岩较好，施工人员则可以选用全断面法合理开挖；若是遇到围岩不理想，断面积小的洞室，施工人员需要选用短台阶法；若围岩比较理想但断面大，工作人员此时则需要选用分层开挖法，按照台阶实际需求设计开挖方案；若围岩质量不理想且断面大，则可以选择超前导洞法开挖，此外预留核心法也比较常用[8]。一般情况下，短隧洞经过事先的地质探测后，工作人员可以全面掌握地质信息，若是存在问题，也可以早发现早解决。但对于长隧洞而言，工作人员就算勘测再怎么仔细），也难免会突发性出现地质变化问题，具体分为以下几个方面：（1）岩体松动或破碎，甚至出现断层，地下水位会短时间内迅速上涨，渗漏与涌水问题严重；（2）页岩层理倾角不断提高，甚至渐渐接近90°，层理间还存在不同程度的页泥夹层。

基于上述问题，施工人员可以选用“新奥法”开挖，具体如下：

1）加大施工监测力度，事先掌握地质方面的信息，依据存在的问题制定解决方案，尽可能对比因开挖不合理而引发的一系列问题。

2）选用光面爆破，尽可能少超填或超挖。在施工过程中，施工人员选用喷锚支护发现岩层出破损时，则需要立即换材料，比较常见的替代物是钢衔架及钢拱架。若是遇到地下水位突然上涨或涌水量不断上升的问题，必须要立即加大排水工作力度。在隧洞的底部增设积水坑，必要情况可以利用排水沟进行抽排，同时工作人员要在隧洞侧壁及洞顶部分打几个孔，整理好排水管。若是地下水位超出隧洞输水量，那么将不会出现内水外渗的问题，不可大意，要妥善保管排水管。

3）渐变段作为施工的重难点，关键在于保证垂直加固效果，降低出现问题的概率。在挖隧洞过程中，施工人员需要严格按照“新奥法”工艺要求，紧紧围绕先支护、慢推进、弱爆破、降噪声、速封闭、勤量测等施工原则，以此保证围岩成洞的效果与施工过程中的安全。在施工环节，应依照相关规范及设计图纸的要求实施质量检测，定期向有关部门反馈结果，综合解析洞身结构的安全性与稳定情况，为更好调整支护数据、二次衬砌奠定数据基础。砂浆锚杆主要选用螺纹钢筋，施工现场便可制作，长度约为4m。工作人员在钻孔前需按照设计原则准确定位出孔位置，保持平行状态，保证注浆的充实度。

4）钢架主要是由型钢弯制而成的，加工厂商借助台架按照需求将材料加工成型，在喷过混凝土后在洞内对其实施安装，保证钢筋间的无缝衔接。需要注意的是，钢架拱脚需要放置好，保证其稳定性，随后由专门的技术人员测量中线、高程、垂直度。完成上述工作后，工作人员需要将锚杆与钢架焊接起来，合理控制保护层厚度。

5）防渗施工，具体从以下2方面分析：（1）凹槽和截水环。在实际施工过程中，工作人员需要依据施工地址情况、防渗需求及施工进度，分三次对隧洞的底板、侧墙及拱顶进行浇筑，并选用紫铜片“凹槽”保证防渗效果。在此基础上，施工人员按照钢筋定型的尺寸，合理调整间距，增设多个截水环，将拱顶设计成“T”形缺口，从而保障泵送软管出口有摆放空间。（2）回填灌浆。主要是采取钻孔注浆法，在确定各项数据后，计算压力值，分阶段进行测试，以此得出均值。同时，以闸室为出发点，慢慢向隧洞出口方向回填灌浆，侧墙、洞顶混凝土没有出现明显的渗漏和潮湿现象，这也进一步证明了截水环的作用。

5 结语

综上所述，水库隧洞设计需要以加固围岩为重点，构建固结圈，工作人员应重视围岩、衬砌及锚杆的施工作用，以此解决水压大、隧洞高等问题；设计多种排水设施，不断减少外水压力，在支洞设计上需要做到一洞多用，严格按照“新奥法”工艺进行施工，以此保证施工质量，实现预设目标。