跋山水库放水洞除险加固工程方案分析

孙 浩

(临沂市兰山区行政审批服务局，山东 临沂 276000)

0 引 言

水库工程在长期使用过程中会出现不同程度的损毁现象[1-2]。这一现象在我国早期修建的水库工程中最为常见，受限于当时的经济、发展水平，水库建设往往质量较为低下。针对早期修建的水库，亟需复核其安全状况，必要时需采取除险加固措施[3-5]。结合跋山水库放水洞工程，对其工程现状复核和除险加固方案进行论证分析。

跋山水库位于淮河流域沂河干流中上游，是一座以防洪为主，兼顾灌溉、发电、养殖等功能的大(2)型水库。水库控制流域面积1782 km2，现状总库容5.28亿m3。放水洞位于大坝东端，洞长187.10m，为钢筋混凝土圆形隧洞，洞身直径3.5m，最大泄量116m3/s。洞进口处高程155.50m，上游闸门为3.5×4.0m，平面轮钢闸门，下游设出口闸及电站，电站总装机5640kW。

1 放水洞工程现状复核

1.1 洞身过流能力复核

1.1.1 流态判别

式中：H为进口底以上水深，m；a为洞高，m。

跋山水库放水洞洞高a=3.5m，进口底高程156.0m，当水位低于160.2m时为无压流；当水位在160.2m-171.0m时为半有压流；当水位高于171.0m时为有压流。

1.1.2 公式的选取

放水洞洞身长187.0m，纵坡1/400；进口局部水头损失系数ζ1=0.25，截面变化处ζ2=0.08，拦污栅ζ3=0.08，闸门槽ζ4=0.15，转弯ζ5=0.13，出口渐变ζ6=0.1；洞身混凝土糙率n=0.014。

1.1.3 计算结果

不同水位下，放水洞洞身泄量见表1。放水洞实际过流能力满足设计最大泄量要求。

表1 放水洞洞身过流能力

1.2 洞身强度复核

放水洞洞身为围岩内衬环形钢筋混凝土结构。地质勘察发现：洞身位于中等风化花岗片麻岩内，岩石较完整，但采用爆破开挖，造成洞壁裂隙发育。岩芯采取率52%-95%，围岩自稳条件好，洞身结构计算时不考虑围岩压力。

1.2.1 荷载和荷载组合

基本荷载：衬砌自重、设计条件下内水压力及外水压力。

特殊荷载：校核水位时的内、外水压力、地震力等。

1.2.2 计算工况

结构计算中选取最不利组合进行控制。

正常运行条件选取进口闸门关闭，外水压力混凝土设计水位，洞内无水。

非常运用条件选取进口闸门敞泄，内水压力同校核水位，外水压力地下水位。

1.2.3 荷载计算

洞身衬砌混凝土内径3.5m，厚度0.35m，标号150#(近似于C15)。洞身外水压力折减系数按3级“沿裂隙或软弱结构面有大量滴水、现状流水或喷水”考虑，βc=0.4。建筑物自重不利时取1.05，有利时取0.95；静水压力取1.00。洞身承受荷载计算值见表2。

表2 洞身承受荷载情况

1.2.4 结构强度复核

洞身内衬混凝土厚度h=0.35m，洞身平均半径rc=1.925，h/rc=1/5.5>1/8，按厚壁管计算。选取单宽米核算洞身横向结构强度，根据受力情况分别核算承受内压为主时的结构配筋及承受外压为主时的结构稳定。为简化计算，忽略衬砌自重的影响，仅考虑均匀内(外)水压力的作用，衬砌混凝土截面应力分量按弹性力学的轴对称平面应力考虑，切向和径向内力采用《水工混凝土结构设计手册》中的公式计算。

(1)

(2)

式中：σγ、σθ径r处的切向及径向应力；PH、PB为内、外水压力；γH、γB外半径；γ为计算至洞壁中点的距离。

衬砌混凝土截面弯矩及轴力为：

(3)

N=PHγH-PBγB

(4)

式中：a=rH/rB为现洞身混凝土采用内外层对称配筋，单层配筋面积为628mm2/m，钢筋允许应力=210MPa，围岩弹性抗力系数1.0GPa，混凝土弹性模量22GPa。

1)非常运行条件：

非常运行条件下，洞身衬砌混凝土=-340.4kPa，=208.1kPa(受压为正，受拉为负)；截面弯矩M=1.43kN.m，轴力N=-202.48kN。

混凝土按轴心受拉近似计算：洞身混凝土环向受拉时配筋所能承受荷载设计值为263.76kPa，小于切向拉应力340.4kPa；此时，洞身混凝土受拉，拉应力为0.21MPa。内外层反向推算，混凝土不出现拉应力破坏校核水位下洞身所能承担的最大内、外水头为14.5m。

按弹性力学方法偏心受拉计算，公式如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：ri、r0为隧洞衬砌内、外半径，m；p为均匀内水压力，kPa；k0为围岩弹性抗力系数，kN/m3；Eg为钢筋弹性模量，kPa；[σg]为钢筋允许应力，kPa；fi、f0为内、外圈钢筋截面积，m2；σgi、σg0为内、外圈钢筋应力，kPa；Eh为混凝土弹性模量，kPa。

隧洞衬砌内径1.75m，外径2.10m；内、外水压力叠加后静内水压力101.4kPa；钢筋弹性模量2.1×108kPa；实配内、外圈钢筋截面积各为6.28×10-4m2；围岩弹性康力系数，与衬砌混凝土完全接触时为1000 kN/m3，不接触时为0；混凝土弹性模量2.2×107kPa；钢筋允许应力按抗拉强度设计值2.1×105kPa。

按式5.8-5计算，衬砌混凝土与围岩完全接触和不接触时所需配筋面积分别为0和4.61×10-4m2。按式5.8-6计算，衬砌混凝土与围岩完全接触和不接触时内圈钢筋应力分别别为-1.64kPa和8.31kPa。按式5.8-7计算，衬砌混凝土与围岩完全接触和不接触时外圈钢筋应力分别别为1.56×104kPa和1.28×105kPa。按5.8-6、7公式，围岩与衬砌间填充不密实存有空隙时，反算外圈钢筋达到允许应力时所能承担的最大静内水压力为16.8m。

非常运行条件，静内水压力≤165kPa时衬砌混凝土结构强度满足要求。

2)正常运行条件：

正常运行条件下，洞身衬砌混凝土=532.6kPa，=50.6kPa；截面弯矩M=-0.9kN.m，轴力N=187.11kN(受压为正，受拉为负)。

正常运行控制工况下，衬砌混凝土受压为主，压应力满足混凝土受压强度要求，抗弯承载力满足要求。

根据上述计算情况，分析认为围岩与混凝土间结合不紧密，尤其是衬砌层回填灌浆不密实存有空隙，库内高水位运行时衬砌混凝土易产生环向受拉坡坏。

2 除险加固方案分析

放水洞洞身衬砌后回填灌浆不充分，围岩无法发挥应有的抗力，致使衬砌混凝土产生大量环向裂缝直接影响结构强度。欲解决目前存在的问题，一方面要对衬砌和围岩间进行充填，另一方面要提高衬砌混凝土强度。

2.1 隧洞帷幕灌浆

隧洞围岩灌浆的目的：一方面充填隧洞爆破开挖时围岩产生的裂隙，另一方面通过灌浆填充衬砌层间的空隙使围岩与衬砌共同受力，保证隧洞在正常发挥其功能的条件下长期安全运行。隧洞围岩灌浆以回填和固结灌浆相结合，回填和固结灌浆孔交错布置，排(环)距3.0m。

回填灌浆区域为正拱120°范围，正顶1孔，左右两侧60°各1孔，正顶孔充填，两边孔辅助。回填灌浆分两序进行，1序孔间距12.0m，2序孔间距6.0m。灌浆材料采用水灰比不稀于0.6的水泥浆，压力控制在0.2-0.4MPa，达到此压力20min不再吃浆即可结束。

固结灌浆孔与回填灌浆孔交错，排(环)间分三序进行，终孔排距6.0m。每排沿洞身环向均布5孔，相邻固结灌浆孔交错布置，灌浆范围为围岩内5.0m。灌浆材料为普通硅酸盐水泥浆液。浆液配比根据灌浆试验确定。根据类似工程经验按围岩吸水率初步确定，5-10Lu时水灰比4∶1，1-5Lu时水灰比5∶1，0.1-1Lu时水灰比6∶1。灌浆压力与围岩的裂隙宽度、强度、初始应力状态、浆液稠度及布孔有关，宜通过试验确定。根据以往工程经验，初步确定为≤2MPa。灌浆前应先进行压水试验，围岩单位吸水率<0.1Lu可不再灌浆。灌浆采用自外向内孔口封闭灌浆法。

2.2 洞身加固设计

现隧洞衬砌混凝土已产生众多环向裂缝，内、外水沿缝贯通，已引起衬砌层钢筋锈蚀已影响洞身衬砌的完整性及强度。为保证隧洞在正常发挥其功能的条件下长期安全运行，需对隧洞衬砌层进行结构加强。

2.2.1 洞身加固方案比选

根据复核计算结果结合现有工程加固手段，重点比选以下3个加固方案。

方案一:新增衬砌层：原衬砌混凝土表层处理后重新浇筑混凝土，衬砌层厚0.2m；混凝土强度C25，主筋按单层配置，规格为φ20@200mm，分布筋φ14。

方案二:喷锚混凝土层：原衬砌混凝土表层处理后挂钢筋网喷射C25细石混凝土，面层厚8cm；锚杆间距2.0×2.0m，梅花型布置，锚杆锚固深1.5m，钢筋网纵、横向间距20cm，钢筋型号φ8，混凝土喷射后钢丝刷清洁表面。

方案三:内衬钢板：原衬砌混凝土表层处理后内衬8mm的Q235钢板，钢材结构胶黏结，钢板与洞身间锚杆连接，钢板与洞身间接触灌浆。

各加固方案优缺点对比见表3。

表3 放水洞洞身加固方案论证

方案一衬砌后，洞身内径3.1m，糙率n取0.013；方案二喷锚后，洞身内径3.34m，糙率n取0.016；方案三钢板内衬后洞身内径3.44m，糙率n取0.012。以上各方案下洞身过流与现状对比见表4，水位-泄量关系如图1所示。

表4 放水洞各加固方案洞身过流能力

图1 不同方案水位-泄量关系曲线

就过流能力影响而言，方案一减少最大，方案三略有提高，方案二减少量居中。方案一对洞身过流能力减小较多，影响放水洞的泄流和发电，通过初步计算，方案三工程投资约为250万元，方案二为50万元，综合考虑采用方案二作为推荐方案。

2.2.2 加固设计

在原有洞身混凝土面瓜钢筋网喷射厚度8cm的C25细石混凝土，混凝土喷射层与原衬砌及围岩间采用锚杆连接。锚杆直径22mm，锚固深度1.5m，间距2.0×2.0m，梅花型布置；钢筋网纵、横向间距200mm，钢筋直径8mm。

施工工艺为现有混凝土面清理→第一次喷射混凝土→锚杆钻孔、注浆→钢筋网制作、挂网→第二次喷射混凝土→养护→喷射层清洁。

水泥选用42.5普通硅酸盐水泥，砂采用中砂，粗骨料采用粒径≤15mm的碎石。

3 结 论

跋山水库在长期使用过程中出现了不同程度的破损，以放水洞工程为例，通过计算复核，放水洞现状满足过水需求，但在高水位工况下易出现受拉破坏。因此，放水洞需采取加固处理，采用帷幕灌浆对隧洞围岩裂隙进行充填，以改善隧洞受力状况；通过方案比选采用喷锚原混凝土层的方案可在低投资的条件下，满足过水需求。