漳泽水库泄水洞洞身结构安全分析

冯文涛

（山西省漳泽水库管理局，山西 长治 046021）

1 工程概况

漳泽水库位于山西省长治市北郊浊漳河南源干流上，为浊漳河南源的控制性枢纽工程，为均质土坝，控制流域面积3176.0 km2，大（二）型水库，总库容4.27 亿m3，兴利库容1.1 亿m3，调洪库容3.3 亿m3。1959 年11 月，大坝动工兴建，1989 年10 月～1995 年6 月，大坝进行全面加固，设计防洪标准达到100 年一遇，校核洪水标准达到2000 年一遇。枢纽工程包括主坝、副坝、溢洪道、泄水洞和输水洞等。

泄水洞位于主河槽左岸黄土台地上，坝轴桩号0+800 处。泄水洞全长97.0 m，由进水塔、洞身、陡槽段、消力池等组成。泄水洞为二级建筑物，洞身桩号0+010.6～0+097，长86.4 m，纵坡1.28‰，进口底高程891.30m，断面为3.2 m×3.575 m 的马蹄型，采用钢筋混凝土衬砌，衬砌顶厚70 cm，底厚95 cm。每8 m设一道沉降缝。泄水洞洞身纵剖面见图1。

图1 泄水洞洞身纵剖面图

2 结构复核计算分析方法

泄水洞建于黄土台地上，为坝下涵洞，地基为第四系上更新统洪冲积低液限粘土，上覆坝体厚度（低液限粘土）为0～15.7 m。目前，路基和堤坝工程中对填埋式隧洞的竖向土压力计算不够准确。本次复核采用回弹法检测混凝土抗压强度；有限单元法来计算隧洞衬砌受力，然后根据有限元计算结果计算衬砌所需配筋，进而校核原设计配筋能否满足要求，计算衬砌裂缝宽度是否超出限值。

3 混凝土抗压强度检测

泄水洞洞身段因存在高浓度的H2S 有毒气体，为保障安全，故选取泄水洞出口侧墙混凝土构件进行检测，因出口侧墙与洞身段混凝土各项设计指标相同，故认定抗压强度检测结果可以取用。对泄水洞出口侧墙混凝土构件采用回弹法检测混凝土抗压强度，试验过程按照《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T 23-2011）进行。抽检结果见表1。

表1 泄水洞洞身混凝土回弹法强度检测结果

检测结果表明：泄水洞出口侧墙混凝土抗压强度推定值为26.3 MPa，高于侧墙混凝土设计标号200#（相当于C18），满足设计要求。故可认定为泄水洞洞身衬砌混凝土抗压强度推定值高于原设计强度值。

4 洞身衬砌配筋计算分析

4.1 有限元计算模型与计算参数

原设计泄水洞洞身衬砌采用200#钢筋混凝土，Ⅰ级钢筋，截面型式为马蹄形，衬砌顶厚70 cm，底厚95 cm。本次复核计算断面取泄0+050，泄水洞截面结构尺寸见图2，计算模型见图3。

模型X 轴（水平距离）垂直于泄水洞轴线，X 轴方向模型长约20 m（两侧土体厚度约为两倍洞径）；Y 轴铅垂于泄水洞轴线，向上至坝顶，向下取隧洞下8 m（约为两倍洞径厚度），模型高约32 m。共有节点2622 个，单元2522 个。计算截面处在校核洪水位907.6 m，闸门关闭，洞中无水且考虑外水压力情况下，浸润线位置见模型图3 中虚线。隧洞壁采用梁单元进行模拟。计算模型采用线弹性模型。

图2 泄水洞截面尺寸图（cm）

图3 计算模型图（m）

计算选取最不利工况：校核洪水位907.6 m，闸门关闭，洞中无水且考虑外水压力情况。外水压力根据校核洪水位工况下渗流计算成果确定，浸润线高程取902.7 m。覆土参数根据2015 年地质勘探报告资料确定。计算参数选取见表2。

表2 计算参数表

4.2 有限元计算成果

采用geostudio 软件进行有限单元计算，边界条件的选取：模型X 轴（水平距离）垂直于泄水洞轴线，X 轴方向模型长约20 m（两侧土体厚度约为两倍洞径）；Y 轴铅垂于泄水洞轴线，向上至坝顶，向下取隧洞下8 m（约为两倍洞径厚度），模型高约32 m。图4 为主压应力分布云图；图5～图7 为衬砌弯矩图、轴力图和剪力图，图中横轴原点为底板中间点，最大值为顶拱中间点，中间各点为衬砌梁单元节点至原点的长度。衬砌弯矩图中弯矩正值为逆时针方向，负值为顺时针方向。

图4 主压应力分布云图（KPa）

图5 衬砌单元节点弯矩图

图6 衬砌单元节点轴力图

图7 衬砌单元节点剪力图

4.3 配筋计算成果

根据有限元衬砌计算结果，选取底板中心、底板端点和侧壁底部节点所计算出的应力结果、选取结构尺寸参数，采用理正软件进行配筋计算，输出配筋结果，与设计配筋进行对比。泄水洞衬砌混凝土抗压强度检测结果表明，强度推定值高于原设计强度值，本次配筋计算复核时采用原设计强度值。钢筋设计强度采用原设计标号钢筋强度设计值。依据《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008）有关规定进行，计算结果见表3。

表3 配筋计算结果

由配筋计算成果可知，泄水洞衬砌配筋满足现行规范要求。

5 裂缝宽度计算分析

根据泄水洞的使用功能，其衬砌的防渗设计要求为一般情况，裂缝开展宽度不应超过允许值。由《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008），泄水洞所处环境类别为三类，裂缝宽度限值为0.25 mm。采用理正软件输入结构荷载及设计配筋参数，计算裂缝宽度，复核衬砌裂缝是否超过裂缝宽度限制，计算结果见表4。

表4 裂缝计算结果

由裂缝计算成果可知，底板中间位置裂缝宽度大于规范限值，其他部位裂缝宽度满足现行规范要求。参考1990 年，由于大坝加高，泄水洞第二次改建验收资料，泄水洞第二次改建时将发生沉陷的洞身进行修补，修补范围为桩号0+10.8～0+073。修补具体方法：洞底凿焊钢筋网，用300#混凝土填平，表面再铺一层高标号的水泥砂浆，最大填补高度为45.0 cm。经处理后泄水洞底板比原底板加强加厚，实际裂缝宽度要比计算值小。综合判断，底板裂缝不影响结构使用，结构安全没有问题，但建议对底板加强观测。

6 泄水洞沉降变形分析

《漳泽水库观测资料整编》记录了1991 年～2015 年泄水洞竖向位移观测资料。从观测资料可知，截止2015 年4 月，累计竖向位移最大值为404 mm，位于泄水洞桩号0+058.6 m 处，测点为X08 号；累计竖向位移最小为32 mm，位移泄水洞桩号0+018.6 m，测点编号为X18 号。X08 号测点沉降过程线见图8。

根据观测资料，大坝竣工初期沉降速度较快，以后逐渐趋于平缓。分析原因为：1991 年～1992 年为大坝施工高峰期，1991 年大坝已加到910.0 m 高程，原坝体及基础突然被加荷，必然会使基础大幅度下沉；再者，同期库水位较低，坝体内孔隙水压力小，作用于坝体土的有效应力增大，土体固结速度加快，造成这一时期内基础快速下沉。

图8 泄水洞X8 测点沉降过程线

泄水洞累计沉降分布图见图9，从图9 可以看出，洞子两端竖向位移较小，累计竖向位移量较大值发生在0+058.6～0+066.6 区段，而该段正是大坝改建新培土最大厚度下，符合一般变形规律。

图9 泄水洞累计沉降分布图

总体来看，泄水洞竖向位移已基本稳定，可以保证在今后一段时间正常运行。在今后的运行中，应注意加强观测，发现问题，及时分析处理。

7 结语

泄水洞洞身衬砌结构整体运行状态良好，混凝土强度高于设计值，衬砌配筋满足现行规范要求；底板部位裂缝宽度略大于现行规范限值，但不影响结构安全；从泄水洞沉降观测资料分析结果来看，泄水洞竖向位移已基本稳定；泄水洞前三节洞身接缝处有渗水，建议应加强监测密度，发现问题及时处理。