彰湖水库主坝坝下涵管加固设计

付 鹏

(江西省宜春市水利水电工程监理有限公司，江西 宜春 336000)

1 工程概况

彰湖水库位于江西省分宜县的高岚乡彰湖村，属赣江水系袁河支流洋江河水。坝址以上控制流域面积11.20 km2，引流面积15.83 km2，总库容1658万m3，设计灌溉面积1346.67 hm2。是一座以灌溉为主，兼顾防洪、养殖等综合利用的中型水利枢纽工程。

彰湖水库于1959年10月动工兴建，1960年开始部分受益。枢纽工程主要建筑物有主坝，王公庙副坝等九座副坝，正常溢洪道，主坝坝下涵管1座，公路边副坝等坝下涵管3座，王公庙输水隧洞，渠首工程，笼奎、午桥引流渠及渠系建筑物等[1-3]。

2 主坝坝下涵管复核

2.1 主坝坝下涵管现状

主坝坝下涵管设计引用流量1.64 m3/s，涵管由闸室段、现浇混凝土圆涵段、混凝土预制管段、出口消力池及出水渠组成。闸室段由进水口闸室、启闭框架及工作桥组成，均采用C20混凝土结构，底板高程121.80 m；现浇混凝土涵管段由3 m长C20钢筋混凝土渐变段及7 m长C20钢筋混凝土圆管，管径φ1.0 m，壁厚0.2 m；混凝土预制管段为钢筋混凝土预制圆管，每节管长2.0 m，共设有29节，管径为φ1.0 m，壁厚0.085 m。

2.2 主坝坝下涵管过流能力复核

当闸门全开时，计算依据《水利计算手册》，涵管内水流流态如下：

(1)当H/a≤1.2时管身为无压流，H为涵管进口底板高程起算的水库上游水头，m；a为涵管直径，取1.0 m。涵管进口底高程为121.80 m，即当上游水位≤123.00 m时为无压流。

(2)当1.2

(3)当H/a≥k2m，即库水位≥123.30 m时涵管为有压流。

经计算可得涵管的过流量与水位关系如表1。

表1 涵管库水位与过流量关系(阀门全开)

当库水位大于等于123.39 m时即可满足设计灌溉引用流量1.64 m3/s的输水要求。

2.3 主坝坝下涵管结构复核

2.3.1 涵管荷载计算

主坝坝下涵管，现浇段涵管内径1.0 m，外径1.4 m，管壁厚度0.2 m，管长10 m。预制管段涵管内径1.00 m，外径1.17 m，管壁厚度0.085 m，管长58 m。涵管底板高程为121.8 m，坝顶高程134.0 m，涵管下设有混凝土垫层，土压力采用上埋式土压力计算。

(1) 根据《水工建筑物荷载设计规范》(SL 744—2016)，涵管自重见式(1)：

G自=γG2πroδγ混凝土

(1)

式中：γG为永久荷载作用的分项系数，取1.1；ro为涵管的平均半径，取0.6 m;δ为管壁厚度，取0.2 m;γ混凝土为管身材料容重，取25 kN/m3。

(2)根据规范SL 744—2016，管上垂直土压力见式(2)：

Fsk=γGksγHdD1

(2)

式中：γG为垂直土压力作用分项系数，取1.1；ks为上埋式回填土垂直压力系数，取1.07；γ为填土的容重，kN/m3(浸润线以上用湿容重，浸润线以下用浮容重)；Hd为涵管以上填土高度，m；D1为涵管外径，m(现浇段外径1.40 m、预制管段外径1.17 m)。

(3)根据规范SL 744—2016，侧向土压力见式(3):

Ftk=γGtan2(45°-φ/2)γHoDd

(3)

式中：γG为侧向土压力作用分项系数，取γG=1.1；φ为回填土的内摩擦角，取17.6°；Ho为涵管中心线以上填土高度，m；Dd为涵管凸出地基的高度，取1.1 m。

(4)根据规范SL 744—2016，均匀内水压力p内水见式(4):

p内水=γQγ水Hmax

(4)

式中：γQ为可变荷载作用分项系数，取1.0；γ水为水的容重，取10 kN/m3；Hmax为涵管顶上的最大水头，m。

(5)根据规范SL 744—2016，均匀外水压力p外水见式(5)：

p外水=γQγ水H1

(5)

式中：H1为管顶至浸润线高度，m。

(6)

式中：D为涵管内径，取1.0 m。

(7)

主坝坝下涵管管身荷载复核成果见表2、表3。

表2 现浇段涵管荷载复核成果(壁厚0.2 m) kN

表3 预制管段涵管荷载复核成果(壁厚0.085 m) kN

2.3.2 管壁内力及配筋计算

本次复核计算管身混凝土取C20，结构系数rd=1.20，管壁厚度现浇段取0.2 m、预制管段取0.085 m。

根据涵管不同部位及不同运行工况条件，考虑以下几种不同荷载组合情况：

(1)基本组合(设计状况系数1.0)。组合一：正常高水位，最大土压力+涵管自重+水压力(管内有水)；组合二：设计洪水位，最大土压力+涵管自重+水压力(管内无水)。

(2)特殊组合(设计状况系数0.9)。组合三：校核洪水位，最大土压力+涵管自重+水压力(管内有水)；组合四：检修期(死水位)，最大土压力+涵管自重+水压力(管内无水)。

根据四种情况的荷载组合，计算产生的内力及结构抗力，成果详见表4、表5。对于弯矩，使得管壁内侧受拉时为正，反之为负；对于轴力，压力为正，拉力为负。

表4 现浇段涵管管壁内力及结构抗力成果(壁厚0.2 m)

表5 预制管段涵管管壁内力及结构抗力成果(壁厚0.085 m)

根据上表计算结果，现浇段涵管内外侧钢筋均只要按最小配筋率配筋，即内外侧均配575 mm2，配筋情况受力筋不能小于φ12@200，分布筋不能小于φ8@200，根据施工及检测资料现浇段受力劲为φ14@200，分布筋为φ10@200，均满足要求。预制管段最不利情况受力钢筋As=632 mm2/m，实际配筋为φ10@100(As=785 mm2/m)。

由计算结果得，其结构尺寸较合理。涵管管身混凝土较完好，能满足运行要求。

2.4 主坝坝下涵管过存在问题

根据现场检查、检测以及复核计算得知，主坝坝下涵管过流及结构能满足运行要求。闸室段、现浇混凝土圆涵段、混凝土预制管段、出口消力池基础及混凝土构件老化。涵管进口启闭框架、工作桥混凝土老化。涵管闸门锈蚀变形严重，闸门橡胶止水老化，漏水严重。启闭机为手动启闭机，陈旧老化，运转不灵，表层锈蚀严重，启闭困难。

3 主坝坝下涵管加固设计

3.1 加固方案比选

针对主坝坝下涵管存在的问题及运行实际情况，根据工程类似经验，常见的加固方案有破坝重建、新建隧洞和内衬钢管三种方案。考虑到原来涵管仅有1.0 m宽，预制管接缝处错缝严重，内衬钢管难以贴壁进入，缩小管径又会降低过流能力而且施工不便，钢管容易生锈，要经常护理，运行管理麻烦，故本次设计不考虑内衬钢管方案。

主坝地形以构造剥蚀低山丘陵为主，左岸山顶高程为145 m左右，右岸山顶高程为150 m左右，两岸坡度一般为20°～30°左右，河谷宽170 m左右，河谷高程120 m左右，相对高差为25～30 m左右。根据地质资料显示，主坝右侧山体岩性为全风化粉砂岩，左侧山体岩性为全风化粉砂岩及炭质页岩夹煤层，隧洞全断面均处于Ⅴ类围岩中，围岩非常破碎，为极不稳定岩体，两岸坡度较缓，施工中易塌方、冒顶，开挖需支护跟紧或超前支护，需全断面衬砌。考虑到隧洞成洞条件差，施工存在不确定因素，且难找施工队伍，施工中存在安全隐患。故从安全、经济、施工便利等方面考虑，本次设计择优推荐破坝重建方案。

3.2 主坝坝下涵管加固设计

本次加固设计对坝下涵管进行原址拆除重建。重建后涵管由进口段、闸室段、管身段、出口消能段、出口渠道组成，全长93.5 m。设计坝体土方开挖边坡采取1∶2。原坝下涵管在新涵管破坝开挖时将其拆除。重建后涵管进口设八字墙，底板高程121.3 m(平现状底板高程)，长8.0 m；闸室段采用框架式进水口，闸室段长7.0 m，宽3.2 m，闸墩顶高程124.8 m兼做检修平台。闸室布置有检修闸门、工作闸门及拦污栅。闸墩上部布设启闭框架，高为6.7 m，在框架顶部131.5 m设有启闭平台，平台平面尺寸为3.2 m×4.6 m，平台至左侧山体设工作桥，桥面宽2.5 m，长45 m，并设有1.1 m高的大理石栏杆。为防止闸门部分开启引起的气蚀破坏和闸门的振动，在工作闸门后设置一φ200通气管，采用6 mm壁厚钢管。

涵管管身为C30钢筋混凝土矩形结构，底坡i=0.005，断面尺寸为1.2 m×1.6 m，管身衬砌0.4 m，管身全长69 m，进口底板高程为121.3 m，出口底板高程为121.1 m。涵管分缝最后一节6.0 m，其余每9 m设一条伸缩缝，缝宽2 cm，沥青杉板填缝，并采用紫铜片止水；涵管出口接9.5 m消力池，斜坡段长4.0 m，底宽由1.0 m渐变至5.0 m，水平段长5.5 m，宽5.0 m，消力池深0.5 m；消力池出口左侧接南干渠长100 m，宽4.3 m；右侧接中干渠长100 m，宽3.3 m，两侧设C20混凝土重力挡土墙，底板设厚0.3 m C20混凝土衬护，出口后与现有渠道衔接。

3.3 涵管加固后复核计算

3.3.1 基本资料

(1)进口底板高程121.30 m；洞身纵坡坡率i=0.005。

(2)洞形及洞径箱涵1.2 m×1.6 m；衬砌厚度0.4 m。

(3)衬砌材料C30钢筋混凝土。

3.3.2 涵管过流能力计算

坝下涵管承担灌溉放水和放空任务，不参与泄洪，出口无闸门控制。涵管高1.6 m，宽1.2 m，管底坡降i=0.005，涵管按无压流运行。当闸门全开，库水位不高于123.18 m时，涵管为无压流运行。

经计算坝下涵管在库水位123.18 m时得流量为3.08 m3/s，满足下游灌溉设计流量1.64 m3/s要求，故涵管能按无压管正常运行，平常运行期，通过控制闸门开度来控制引用流量。

3.3.3 涵管结构计算

考虑最不利工况，即在校核洪水位下闸门关闭、洞内无水时的荷载组合，计算断面取坝体最大断面处的涵管断面。

涵管为C30钢筋混凝土结构，壁厚0.4 m，断面尺寸1.2 m×1.6 m。作用在箱涵上的荷载有箱涵自重、外水压力，土压力等，荷载计算取单位管长计算(1 m)，计算公式同前。

经计算，在各种工况下涵管衬砌的最大裂缝宽度小于钢筋混凝土结构构件最大裂缝宽度允许值0.25 mm；实际配筋(环向主筋φ14@200，纵向分布筋φ10@200)大于计算配筋值，涵管衬砌配筋均满足要求。

4 结 语

本文针对彰湖水库主坝坝下涵管实际存在的问题，经过方案比选，采用原址拆除重建坝下涵管方案；经过复核计算，得出结论，即主坝坝下涵管经过加固后过流能力及结构安全均满足规范要求，说明所采用设计方案合理。