某小(1)型水库输水泄洪隧洞除险加固方案研究

吴小静

(新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

某小(1)型水库控制流域面积42 km2，水库主要用于拦蓄清洪来水，发展农田灌溉，兼之以调洪及供农村安全供水，是一座Ⅳ等小(1)型水利工程。工程于1975年9月基本建成并投入使用，其后主要经历2次大的续建及维修加固至目前规模，总库容520万m3，防洪标准为50 a一遇设计，500 a一遇校核。输水洞是在大坝右岸岩体中开凿的无压洞，包括进口段、闸室段、洞身段、出口段，总长约133 m，洞底纵坡1/200，隧洞断面为直墙半圆拱，直墙高1.2 m，洞宽1.4 m，侧墙及顶拱主要用混凝土预制块衬砌，底板现浇，出口段全部现浇衬砌。输水洞过流能力为6 m3/s，进口设框架式进水塔，塔内设两孔闸控流，进水塔布置于引水洞与隧洞进口之间，基础置于石基上，塔架钢筋混凝土立柱共两排，每排3根，高21.7 m，塔架顶部建有启闭机室，进水塔通过工作桥右岸山体相连。本次除险加固中对输水隧洞目前运行情况和存在的问题进行分析，并提出可行的加固方案。

2 输水隧洞现状及问题分析

2.1 输水隧洞现状及存在的问题

1981年水库第一次除险加固输水洞运行较好，未进行加固处理，2002年对水库进行第二次除险加固，现场检测发现输水洞洞身混凝土开裂，闸门、启闭设备老化，输水洞已不能正常运行，除险加固对输水洞顶裂缝凿除后进行修复，右岸输水洞进口塔架旁挡土墙拆除重建，输水洞启闭机房重建，维修更新了输水洞钢闸门、启闭设备。本次除险加固中，通过现场检测复核，输水洞进水塔架板、梁、柱及工作桥桥墩、桥面混凝土外观质量良好，未见明显缺陷，无钢筋裸露现象。输水洞洞身混凝土外观质量较好，出口段在距进口闸室90 m、110 m和弯道处侧墙存在开裂现象，裂缝宽度约为2 mm～3 mm，在距进口闸室100 m处顶拱存在开裂现象，裂缝长度2.6 m，宽度约为3 mm，底板局部被水流掏空，深度达6 cm，输水洞出口接砌石结构暗渠左侧墙存在一条横向裂缝。输水隧洞现场检测问题分布图见图1。

图1 输水隧洞现场检测问题分布图

输水洞金属结构方面：经现场了解询问，发现进水口闸门长期处于水下，无法维修，从输水洞出口进至进水口闸室下游检查，发现右侧工作门处于长期闭门状态，无泄漏，表面存在锈蚀，左侧闸门经常使用，止水不严，水流呈喷射状，无法接近观测其表面锈蚀情况；检查进水塔架及启闭机室，发现2台启闭机机架及连接螺杆存在锈蚀，启闭机开度指示器损坏，无过负荷保护装置，依靠手动装置进行启闭。现状闸门问题图见图2。

(a)输水洞右侧工作闸门 (b)输水洞左侧工作闸门

2.2 输水洞洞身过流能力复核

输水洞身属无压洞，以洞内水深和其侧墙同高为条件计算过流流量，按明渠水面线计算确定洞身过流能力[1]，输水洞洞身特性及水力计算见表1，洞身下泄流量与水位关系计算见图3。

表1 输水洞洞身特性及水力计算表

图3 输水洞洞身段水位与下泄流量关系曲线

经计算，洞身过流能力为4.9 m3/s。输水洞设计输水流量6 m3/s，输水洞净空面积占15%～25%为宜，本次复核在满足净空面积占15%的要求下计算输水洞过流能力为4.9 m3/s，即最大值，复核过流流量小于设计流量的原因是由于工程运行后冲刷破坏，糙率增大导致，输水洞过流能力采用本次复核值4.9 m3/s。

3 输水泄洪隧洞设计

3.1 方案比选

根据水库输水泄洪洞现场检测以及安全鉴定结果，针对影响大坝安全和发挥效益的主要建筑物进行改造，本次对水库输水泄洪洞采用下述两种方案进行比选。

(1)方案一：加固输水泄洪洞

拆除现有进水口，改建为塔式进水口，改建原洞身，改建输水泄洪洞出口消能设施，使其泄流能力满足原设计要求。由于输水洞加固需要水库停水周期长，影响水库泄洪和向下游供水，本方案实施困难。

(2)方案二：新建输水泄洪洞

新建输水泄洪洞布置于左岸坝肩，输水泄洪洞由进口段、事故检修竖井段、输水洞段、泄水锥形阀室段、泄水消力池段、泄水箱涵段以及泄水渠道段组成。隧洞断面圆形，成洞洞径2.0 m。新输水泄洪洞建设完成后，对原输水泄洪洞进行封堵。本方案便于实施，可保证水库正常运行，基本不影响水库泄洪和向下游供水。

(3)方案比选

方案一、二均能满足水库防洪要求，经对两方案进行比较，方案一水库停水周期长，影响水库泄洪和向下游供水，方案二可保证水库正常运行，基本不影响

水库泄洪和向下游供水，相比较方案一实施难度小，投资节省，从运行角度分析，

方案二较方案一运行管理方便，因此，泄洪方案推荐方案二。

3.2 新建输水泄洪洞布置

新建输水泄洪洞段基本位于弱～微风化基岩中，基岩岩性为古近系(E)砂砾岩，棕红色，泥钙质胶结，其组成颗粒粒径大小不均，分选性及磨圆度较差，一般粒径2 cm～5 cm，最大8 cm，节理裂隙较发育，岩性相对较软弱，遇水易软化，含水量对岩体强度影响极大。围岩受构造影响轻微，断层不发育，围岩地下水活动微弱，岩体潮湿局部渗水。围岩类型为Ⅲ～Ⅳ类，弱风化砂砾岩的泊松比为0.29～0.35，变形模量为0.5 GPa～5.0 GPa，弹抗力系数为5 MPa/cm～20 MPa/cm，微风化砂砾岩的泊松比为0.23～0.29，变形模量为5.0 GPa～10.0 GPa，弹抗力系数为20 MPa/cm～50 MPa/cm。

根据地形地质特点，可选择岸边式隧洞形式，布置如下：

输水泄洪洞方案线路总长300 m，由进水口、隧洞洞身、出水口、消能设施、泄水段等组成。改建输水泄洪洞进口布置在大坝轴线上游约75 m左岸的岩体处，底板高程2214.50 m，出口布置于大坝轴线下游约105 m左岸的岩体处，底高程2208.52 m。洞长约176 m，坡度为3.3%，设置两个转弯段，转弯半径均为100 m，转弯角度分别为144°和134°。隧洞最大理深度为30 m，隧洞围岩类别为IV类，岩石条件较差，根据输水和泄水及隧洞施工要求确定隧洞直径2.0 m，隧洞断面为圆型，输水泄洪洞最大过流能力20.0 m3/s，对应最大流速8.9 m/s。

在坝肩左岸山体输水洞轴线桩号0+113.1～0+120.3处布置事故检修闸室竖井，闸室竖井底板高程为2213.56 m，检修闸孔口尺寸宽×高为2.0 m×2.0 m。输水洞采用钢筋砼衬砌结构，砼衬砌厚40 cm，闸室段长6.8 m，闸室竖井总高25 m，采用钢筋砼结构，闸室底板厚1.2 m，竖井边墙厚0.6 m。输水洞出口桩号0+261.0接连接管道，采用DN2000的钢管，管道外包砼厚40 cm，桩号0+264.5连接钢管处设分岔管，桩号0+271.0连接管处接消能锥形阀和消能系统，经消能后进入渐变段接公路矩形泄水箱涵，后经渐变段接梯形泄水渠，最终汇入溢洪道尾水渠，岔管后接输水管线，管线后接闸阀室并分水至灌区和安全人饮，供水设计流量2.07 m3/s。

对现状输水泄洪洞进行封堵处理，采用C20混凝土进行封堵，进口段封堵6 m，出口段封堵4 m，封堵后进行接缝灌浆。

3.3 新建输水泄洪洞设计

(1)输水泄洪洞进水口结构布置

新建输水泄洪隧洞设计供水流量2.07 m3/s，最大泄流量20.0 m3/s，隧洞为有压引水洞，隧洞进口布置在左岸坝脚上游侧，库内地面高程2215.00 m，在坝脚上游有多个小岔沟，靠坝体侧沟道小且地面较高，进水口位于该沟道下游5 m处，为了便于引水，将山梁的头部开挖疏浚，将进水口区域地面下挖0.5 m～1 m，高程降为2214.50 m。确定隧洞进口高程2214.50 m。

当正常运行情况：水库在最低水2214.50 m时，管项埋深水头2.0 m，可保证有压引水的进口最小淹没深度。

当水库放空泄水特殊情况：水库在最低水位2214.50 m时，管顶埋深水头0.7 m，不能保证有压引水的进口最小淹没深度，但考虑该工况运行几率和时段较少，泄水流量较小，在较短时间内隧洞满流运行，为此对隧洞加强衬砌后可满足要求。

由于隧洞进口岸坡地形较缓，无合适地形条件布置清污平台及清污设备，同时该水库是拦蓄清洪来水式水库，污物较多，水库污物主要为枯木草等漂浮物。其次水库库周设置护栏，牛羊等牲畜坠库溺水死亡的概率很小。为防止水库污物进入输水洞及输水管道，在输水洞进水口设置1孔固定式拦污栅，不设清污设备，只在水库水位降至输水洞底板高程以下时，对拦污栅进行清污。为防止平时污物堵塞拦污栅，因此将拦污栅做成正向、上部可同时进水结构。

为改善水流条件，进口顶部轮廓、两边侧墙均采用折线，进水口采用C25钢筋砼结构，进口宽3.4 m，末端口宽2.0 m。

(2)输水泄洪洞洞身设计

隧洞长度176 m，隧洞最大埋深30 m，围岩工程地质条件较差，开挖后不能自稳，隧洞开挖采用短进尺、快循环施工，围岩及时喷锚、钢拱架加超前管棚支护，加强围岩变形观测[2]。隧洞的横断面形状应根据隧洞的用途、水力学、工程地质条件衬砌工作条件施工方法等因素通过经济技术分析确定，规范规定，有压隧洞宜采用圆形隧洞，该工程为长度较短的有压流隧洞，岩石条件较差，经比较确定为圆形断面，成洞洞径2.0 m。

隧洞的衬砌形式：输水泄洪洞围岩为Ⅳ类，采用一次支护全断面挂钢筋网φ6 mm，间距20 cm，喷砼厚度8 cm；布置直径25 mm的系统锚杆，间排距1.5 m，梅花形布置，锚杆长2 m，并进行固结灌浆。二次支护采用钢筋砼衬砌，厚度40 cm。隧洞断面设计图见图4。

图4 隧洞断面设计图

4 结论及建议

该输水隧洞建成运行至今已有45年之久，初期建设时受技术、资金条件的限制以及方案的选择，以及后来不同时期改造、加固处理方案、方法，在其特定历史时期具有其合理性与适用性。随着经济社会的发展、人口及供水需求的增长，科学技术的进步以及设计规程规范的不断更新完善，赋予老水库及其单体工程以新的、更高的要求，除险加固使得运行方式更趋合理，工程安全更有保证。因此，水利工程在运行中不断调整、适应和完善是必要的。