摘要阐述了大风口水库输水洞工程的概况,概述了其地质条件及洞身改造加固的必要性,介绍了洞身改造设计方案及比较、工程设计及实施等,以供参考。
关键词大风口水库;输水洞;洞身改造;衬砌设计
中图分类号TV672.1文献标识码A文章编号 1007-5739(2010)05-0238-02
大风口水库输水洞结构破损严重影响到大坝的安全。除险加固设计根据输水洞洞径狭小、降低外水受限及输水洞引用流量要求等特点,设计内衬钢管组合衬砌型式,解决了内水外渗隐患,同时也为施工创造了条件[1-4]。
1工程概况
大风口水库位于辽宁省绥中县前卫镇境内,石河中游,距县城西北40km处,是一座以防洪、工业供水、灌溉为主,兼有养鱼等综合利用的水利枢纽工程。水库总库容2.08亿m3,为大(2)型水利枢纽工程,水库工程等别为Ⅱ等,主要水工建筑物级别为2级,包括拦河坝、溢洪道及输水洞。水库枢纽主要建筑物防洪标准按100年一遇洪水设计,5 000年一遇洪水校核。受历史原因限制,工程经过多次改扩建,甚至包括大坝漫顶失事等事故,施工质量较差,较多尾工尚未彻底完成,因此工程需进行除险加固改造设计。
输水洞工程位于大坝右岸坝端,溢洪道左岸。输水洞由进口段、洞身段、出口段组成,全长235.7m。进口段设有拦污栅、检修闸门和渐变段,进口底高程81.537m,设有两孔7.5m×2.5m拦污栅、一孔2m×2m检修平板钢闸门。出口设置1.75m×1.75m工作弧形钢闸门。输水洞最大泄流量为39.65 m3/s,隧洞内壁衬砌30cm厚的钢筋凝土。输水洞出口采用消力池消能并连接至大风口总干渠。
2地质条件
输水洞从开挖至运行30多年,没有做过完整的地质勘探,设计时参照大伙房水库和新立屯水库(清河水库)地质报告,由于对地质条件认识不足,导致洞体上游80m因压水试验时岩石裂隙冒水事故。加固设计为探明整个输水洞轴线地质状况,委托辽宁工程勘察院进行输水洞地质勘探。
输水洞地处大坝右端下伏岩层,地层主要为燕山晚期侵入不同风化程度流纹斑岩,各风化带分布不稳定,层厚不均。输水洞围岩主要为微风化流纹斑岩,上覆强、中风化岩体厚度不大。结构面大多闭合,少量微张,平直光滑,主要结构面走向与洞轴线夹角小于30°。区域节理走向与输水洞轴线一致,节理组合不利于隧洞稳定。地下水活动干燥后渗水滴水。输水洞围岩工程地质分类为Ⅲ类,围岩稳定性属于局部稳定性差,围岩强度不足,局部可能产生塑性变形。输水洞围岩微风化流纹斑岩透水率为2.99~4.53Lu,渗透性等级为弱透水。初始设计与加固设计岩石设计参数对比表见表1。
3洞身改造加固的必要性
输水洞在1958年即已挖通,1959年遭遇洪水袭击,但洞身无较大变化,原设计输水洞洞径1.80m,但在实际开挖过程中很多地方都达到2.70m(平均),为加大输水洞泄量,同时主要为减少衬砌工程量,将其洞径改为目前的2.00m。
输水洞尽管不直接参与水库调洪,但输水洞结构破坏将直接影响大坝安全:一是由于洞身埋设于大坝坝端,结构破损引起内水外渗,加剧大坝右岸绕坝渗流,可能导致坝肩渗透破坏,甚至破坏黏土心墙防渗体,影响大坝结构安全。二是由于内水外渗,提高大坝下游侧坝坡孔隙水压力,影响坝坡稳定安全。由于输水洞按1974年洪水标准设计,随着后期水库标准提高而输水洞标准未相应提高,因此输水洞进出口闸门及出口明管结构均不能满足现有洪水标准,其任何部位结构破坏均将导致无法阻止库水从输水洞流出,特别是出口明管破坏水流将直接冲刷大坝坝坡,影响大坝安全。鉴于输水洞发生过裂隙冒水事故,同时施工质量较差,洞径开挖尺寸误差较大,衬砌混凝土蜂窝麻面、露筋、裂缝均较严重,因此有必要对输水洞结构进行加固,以确保大坝的运行安全。
4洞身改造设计方案及比较
结合施工、经济损失及社会影响,输水洞工程加固设计进口采用了水下施工方案,即洞身施工需依靠进口检修闸门挡水进行施工。参照辽宁省省内已成隧洞改造方案,加固设计重点比较了混凝土缺陷补强,全洞回填灌浆(第1方案)和钢管组合衬砌(第2方案)2个方案,方案要点如下。
第1方案:对未进行固结灌浆的洞身围岩进行固结灌浆,灌浆孔排距3.00m,每排6孔,对称布置,孔深1.50m,灌浆压力0.80MPa;全洞进行回填灌浆,灌浆孔排距3.00m,布置在拱顶120.00°范围内,灌浆压力0.30MPa。首先对裂缝和渗水点进行处理,对裂缝用人工将缝凿成一定宽度的V型槽,用水将缝槽冲洗干净,用YZJ-5(AB组合)化学浆材灌入槽内,凝固后形成完整组合。对于渗水孔,首选进行灌浆处理,将渗水点封堵。对于灌溉洞内表面蜂窝麻面处理,首先清除表面剥落疏松腐蚀和碳化的混凝土至露出完好无损的混凝土,然后将混凝土表面磨平,在混凝土表面涂刷YZJ-CD基底结构胶,在基底结构胶面层用YZJ-CZ结构胶修补,用与碳纤维布配套使用的YZJ-CQ浸渍胶涂刷修补胶表面,粘贴碳纤维布,在碳纤维布上涂YZJ-CQ胶,粘贴第2层碳纤维布,然后在碳纤维布上涂YZJ-CQ胶滚压含浸。表面修饰完成后用打磨机把整个管道内表面粗磨,用喷雾器喷洒Hm1500防水剂填补表面毛孔,用YZJ-J防水涂料(AB组合、溶剂2∶1)涂刷。
第2方案:外衬利用30cm原有钢筋混凝土衬砌,内衬采用直径1.80m、厚10.00mm钢管,钢管外侧留有10cm缝隙便于钢管运输及布置灌浆管,缝隙用细石混凝土密实。2个方案比较见表2。经过比较,第2方案投资略偏大,但能很好地解决施工问题,特别是能够避免在库区部位钻孔引起的安全事故,同时组合衬砌防漏效果全面,施工简便,水源无污染,施工速度快,基本不影响水库的正常运行,能够取得较好的社会、经济效益。因此,设计选择第2方案。
5工程设计及实施
5.1组合衬砌钢管内径确定
由于不考虑隧洞泄洪,因此组合衬砌钢管内径可根据隧洞泄量维持不变(沿程损失系数不变)确定。混凝土糙率取0.014,钢管糙率取0.012,不考虑结合处微小的局部损失,经计算,洞径2.00m混凝土管与洞径1.86m钢管沿程损失系数相等,考虑回填灌浆(钢管与衬砌混凝土之间空隙)及洞内运输,钢管直径取1.80m(与最初设计洞径相同)。
5.2结构验算
输水洞初始设计与加固设计控制工况对比见表3。
初始设计考虑到回填灌浆设备进洞困难,隧洞设计未考虑岩石弹性抗力,因此隧洞沿程均按明管设计,输水洞结构现状如下:衬砌厚度为30cm,混凝土标号为170#、B6、M100(检测为C15),配筋为内外层Ag=Ag′=12.7cm2。
结合现场检测结果,按照现行规范参照原计算模型方案(不考虑衬砌与围岩联合受力,按明管计算)和假定回填灌浆后复核各控制工况下衬砌,计算结果为:明管模型原设计控制工况计算配筋为16.15cm2,加固设计控制工况为19.35 cm2;联合受力模型原设计控制工况计算配筋为5.87cm2,加固设计控制工况为5.87cm2。经计算,现有结构布置在不考虑围岩联合受力情况下,均不满足现行的设计规范。
5.3钢衬计算
鉴于钢衬砌与混凝土施工不是同时进行,并且输水洞现状不利钢管外侧回填灌浆,其效果难以保障,因此计算时考虑钢管与混凝土分离。经计算,钢管采用不设加劲环钢衬其厚度需16.15mm(受外水压力控制)。
由于钢管厚度受外水压力控制,同时在有限洞内进行钢衬,加设加劲环较为困难,根据《水工隧洞设计规范》(SL279-2002)建议宜设置合适的排水设施,以减低外水压力强度。如果外水压力由0.40倍水压减少至0.10倍水压,钢管厚度将由16.15mm减少至10.15mm,因此本工程考虑通过设置排水设施降低外水压力。为安全计,外水压力通过排水设施降低外水压力系数为0.20。排水管布置在原有隧洞管壁上、下、左、右4个部位,在原有隧洞洞壁凿出直径50mm半圆,在外面用钢板密封,同时每隔20m设置相同的环向排水管,并与径向排水管联通。隧洞降压排水简图见图1。在外水压力降低至0.20倍最大水头时,对于不加设加劲环管壁厚度不小于12.85mm,最终钢管壁厚确定为12.00mm。考虑隧洞放空时,原洞单独承载,经计算,Ag=Ag′=5.8cm2,原钢筋混凝土衬砌混凝土尺寸和钢筋面积均满足要求。
5.4工程实施
根据施工需要,钢管采用12.00m一节的工地标准节,工地对接焊缝采用单面坡口,双面成型的形式,坡口为“V”形坡口形式。洞内运输时将钢管置于预先设置在洞底的钢(下转第241页)
(上接第239页)
轨(起滑道和支架作用)上,利用卷扬机将单节钢管拽入洞内拼接,为避免钢管与钢轨接触滑动时破坏,在钢管外侧每隔2.00m焊接1根直径20mm的钢筋,钢筋不仅在运输过程中起到保护作用,同时能够起到加劲环作用。为保证管壁外侧混凝土回填质量,一般每2节钢管回灌1次,沿管口利用钢板将10cm空隙封闭,管顶布置灌浆管和排气管,回灌完毕后即可进行下节钢管的运输。
6结语
大风口水库输水洞洞身不仅需进行结构补强,还必须严格控制其裂缝透水,利用钢管内衬,不仅增加了结构承载能力,而且彻底解决了隧洞内水外渗问题,取得了比较满意的效果。钢衬是隧洞补强、减糙和防渗的常见施工工艺,技术成熟,特备对于洞径小、洞线直、其他补强措施受限时具有结构安全、见效快、工艺简单、施工方便等优点。
7参考文献
[1] 周民强.河口水库除险加固工程输水涵管改造设计[J].甘肃水利水电技术,2005,41(2):180,182.
[2] 郭共产.中山川水库除险加固工程原泄洪输水隧洞的改造设计[J].陕西水利水电技术,2003(1):17-19.
[3] 王学萍.乌拉泊水库输水隧洞除险加固方案探讨[J].水利水电技术,2008,39(7):94-96,99.
[4] 李春风.浅析中坝水库输水洞除险加固工程[J].水利科技与经济,2006,13(8):560-561.
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