广西凤亭河水库旧输水隧洞除险加固工程方案优化
时间：2023-04-24 21:45:01 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李菲
（中水珠江规划勘测设计有限公司，广东广州 510000）
1.1 工程原建设背景
广西凤亭河水库工程于1958 年10 月动工建设，至1960 年4 月建成。于1974 年后放水至广西屯六水库向广西大塘及钦北灌区农田供水；
广西风亭河水库旧输水隧洞出口处的洞口电站于1976 年开始引水发电，新建放水隧洞出口处的凤亭河电站2007 年开始引水发电。目前广西凤亭河水库与广西屯六水库联合运行，向广西南宁市良庆区大塘镇、南晓镇、钦州市钦北区贵台镇供水。结合广西凤亭河水库相关设计资料及现状供水对象，广西凤亭河水库是一座以灌溉为主，兼供水、发电的综合利用水利工程[1]。
1.2 工程地质条件
主坝旧输水隧洞布置在主坝右端处，隧洞沿线地貌为一山坳，顶部为圆形钢筋混凝土压力式隧洞，洞径2.7m，全长210m，沿线穿越地层为白垩系新隆组下统第一段（Kix1）砾岩夹粉砂质泥岩，呈单斜构造为主，岩层走向与隧洞轴线有一定夹角。
隧洞进口段岩石风化程度以强风化为主，岩体较破碎，洞顶埋深11.5～19.5m，岩体节理裂隙较发育，风化差异较大，地下水水位高于洞顶5～6m，围岩类别为Ⅴ类。
隧洞洞身段岩石风化程度以强风化～弱风化岩体为主，隧洞埋深19～30m，岩体节理裂隙较发育，地下水高于洞顶1.3～5m，围岩类别为Ⅳ～Ⅴ类。
隧洞出口段岩石风化程度以强风化为主，岩体较破碎，洞顶埋深为0.4～18.2m，岩体节理裂隙较发育，风化差异大，地下水位高于洞顶0.3～1.3m，围岩类别为Ⅴ类。出口边坡为斜交顺向坡，边坡稳定性较差，需加强支护。
1.3 旧输水隧洞现状
（1）渗流安全分析。根据设计阶段在进水塔附近钻孔的压水实验来看，全风化岩体属中等透水性，强风化岩体属中等透水性，弱风化岩体属弱透水性，岩石与隧洞之间可能存在接触渗漏安全隐患。
（2）主坝旧输水隧洞衬砌结构复核。经复核计算，在校核工况下，衬砌混凝土最大拉应力为0.89MPa；
在检修工况下，衬砌混凝土最大压应力为0.49MPa。两种工况均不满足规范的耐久性要求。
2.1 现状过流能力复核
主坝旧输水隧洞进口底高程159.42m，出口底高程151.62m；
水库正常水位为175.12m，设计洪水位为177.74m，校核洪水位为179.03m，最低运行水位为164.12m。经计算复核，在最低运行水位下，广西凤亭河水库旧输水隧洞过水流量Q＝38.39m3/s，可以满足隧洞最大泄量26.0m3/s 的要求。由此可见，水库正常运行过程中，旧输水隧洞始终处于有压流运行状态，其过流能力可满足下游电站发电要求。根据隧洞的流态，隧洞过流能力计算复核主要采用有压流计算公式，如下：
有压流过流能力计算公式为：
从表1 可得知，水库正常运行过程中，隧洞过流能力随库水位升高而增大。在原电站发电最低运行水位164.12m 时，隧洞过流流量为38.39m3/s，可满足隧洞最大下泄流量26m3/s 及最大下放生态流量1.17m3/s 的过流能力要求。根据计算，隧洞洞径2.3m 即可满足过流能力要求。
表1 主坝旧输水隧洞过流上游库水位～流量关系成果
2.2 内衬钢管壁厚复核
根据对原主坝旧输水隧洞衬砌的计算，衬砌混凝土最大拉应力为0.89MPa，拉应力较大，根据工程经验，一般素混凝土结构不能作为受拉构件。为此，隧洞衬砌加固后，内水压力由内衬钢管承担[2]。
内衬钢管结构计算根据《水利水电工程压力钢管设计规范》（SL/T 281—2020）[3-4]中计算公式进行钢板衬砌厚度、管壁应力和抗外压稳定计算：
式中：t——钢管厚度，mm；
p——内水压力设计值，N/mm2；
r——钢管内半径，mm；
D——钢管内直径，mm；
σR——钢管的抗力限值，N/mm2。
管壁应力计算公式：
式中：σθ——钢管环向正应力，N/mm2；
K0——围岩单位抗力系数较小值，N/mm3；
p——内水压力设计值，N/mm2，隧洞最大静水压力0.18N/mm2；
t——钢管管壁厚度，mm；
r——钢管内半径，mm；
δ2——缝隙，mm；
σR——钢管的抗力限值，N/mm2；
ES2——平面应变问题的钢材弹性模量，N/mm2。
抗外压稳定计算公式：
式中：pcr——抗外压稳定临界压力计算值，N/mm2；
t——钢管管壁厚度，mm；
r——钢管内半径，mm；
σS——钢材屈服点，N/mm2；
Kc——抗外压稳定安全系数，为1.8；
p0k——径向均布外压力标准值，N/mm2。
2.3 现状主坝旧输水隧洞衬砌结构复核
原主坝旧输水隧洞为素混凝土结构。经计算，在校核工况下，主坝旧输水隧洞衬砌混凝土最大拉应力为0.89MPa；
在检修工况下，主坝旧输水隧洞衬砌混凝土最大压应力为0.49MPa。
根据《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》（SL 654—2014）规定，对于二类环境下使用年限为50 年的钢筋凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C25。故现状主坝旧输水隧洞混凝土强度不满足规范要求。
2.4 加固方案
根据地勘工作反馈，主坝旧输水隧洞洞身围岩为强～弱风化的砾岩夹粉砂质泥岩，但岩体较破碎，裂隙较为发育，洞身围岩类别均为Ⅴ类。根据《水工设计手册（第8 卷水电站建筑物）》中关于水工隧洞的叙述，对于围岩地质条件较差的洞段一般采用钢筋混凝土衬砌。再结合当前国内对类似工程采用的加固型式，本阶段对主坝旧输水隧洞加固方案选定为固结灌浆+全段内衬钢管型式。在完成隧洞固结灌浆后，采用内径2.3m的钢管对原隧洞进行加固。钢管管壁厚度取为12mm，钢管外按构造要求取每间距2m 布设一道加劲环，加劲环壁厚亦取为12mm。钢管与原主坝旧输水隧洞衬砌之间采用C25（1）微膨胀混凝土进行回填，回填混凝土厚度取为0.2m。回填混凝土施工完毕后进行回填灌浆及接触灌浆的处理。
施工图设计阶段根据初设阶段方案从隧洞实际走向、实际过流条件，钢管计算工况、钢管运输及安装条件进行现场查勘、实测复核及分析：
（1）广西风亭河水库主坝旧输水隧洞轴线实际走向实测复核变化大。按初步设计阶段，主坝旧输水隧洞平面轴线为直线无拐点，纵坡变坡点5 个。隧洞平面顺直，纵坡变化较平顺，方便钢管运输及安装，施工难度较小。但经施工图设计阶段现场查勘复测后发现，主坝旧输水隧洞平面轴线从放水塔至隧洞末端节平面转弯点共28个，纵向变坡点共8 个，部分走向变坡点坡比较陡，最大坡比为1∶3，且坡段只有3500mm 长。隧洞平面拐点较多，纵坡变化多、不平顺，钢管安装条件较为苛刻。
（2）广西风亭河水库主坝旧输水隧洞施工图设计阶段复核实际过流条件与初步设计阶段相符。隧洞衬砌为钢筋混凝土衬砌，表面有较多蜂窝麻面，局部骨料外露，存在较小的渗流情况。
（3）初步设计阶段考虑钢管计算工况不够充分。施工图设计阶段，内衬钢管结构计算工况考虑分为运行检修期及施工期。钢管最不利工况考虑在外水压力作用下，钢管无内水过流，管内考虑放空负压（1 个大气压）0.1N/mm2。根据《水利水电工程压力钢管设计规范》（SL/T 281—2020），运行检修期按明光面管和地下埋管型式计算；
施工期采用明光面管型式计算。经计算复核，钢管壁厚需为20mm，其强度和稳定才均满足设计要求。
（4）施工图设计阶段由实测数据可得知，隧洞洞径2.7m，内衬钢管内径2.3m，两侧管节焊接空间只有0.2m。根据《水利水电工程压力钢管设计规范》（SL/T 281—2020），0.2m 不满足管外焊接空间要求。再者，洞内拐点较多，且有可能存在空间转弯，为洞内钢管运输及安装增加难度。
（1）主坝旧输水隧洞洞身围岩为强～弱风化的砾岩夹粉砂质泥岩，但岩体较破碎，裂隙较为发育，洞身围岩类别均为Ⅴ类。根据《水工设计手册（第8 卷水电站建筑物）》中关于水工对于主坝旧输水隧洞的叙述：对于围岩地质条件较差的洞段一般采用钢筋混凝土衬砌。保留原初步设计阶段主坝旧输水隧洞固结灌浆对隧洞围岩进行加固。
（2）近年来，纤维增强复合材料（FRP）具有固化后力学性能好、抗腐蚀性和耐久性能好、热膨胀系数与混凝土的相近等特点，在国内水工结构及地下结构领域应用较为广泛。因此，本次施工设计阶段根据主坝旧输水隧洞地形地质及周边环境的情况，并考虑到当时原主坝旧输水隧洞施工质量差，隧洞轴线不规则等不利因素，对主坝旧输水隧洞前179m 在完成隧洞固结灌浆后，先对原主坝旧输水隧洞过窄处凿除及表面进行打磨，然后采用丙乳水泥砂浆将主坝旧输水隧洞裂缝及隧洞的蜂窝麻面进行修补后，采用FRP 包裹法将制作好的树脂胶浸渍编织布包裹粘贴在打磨修补好的隧洞衬砌表面，然后进行一定的养护即可。
（3）主坝旧输水隧洞尾部约40m 长度洞身围岩为强风化转岩的平直洞段，考虑采用内径为2.3m 的钢衬管对原主坝旧输水隧洞进行加固。钢管与原主坝旧输水隧洞衬砌之间采用C25（1）微膨胀混凝土回填，回填混凝土厚度取为0.2m。回填混凝土施工完毕后进行回填灌浆及接触灌浆的处理[5]。
主坝旧输水隧洞内衬钢管结构计算工况考虑分为运行检修期及施工期。考虑现场安装空间较小，安装难度较大，为保证安装质量，本次内衬钢管设计由加劲环管型式优化为光面管型式。根据《水利水电工程压力钢管设计规范》（SL/T 281—2020），运行检修期按明光面管和地下埋管型式计算；
施工期采用明光面管型式计算。
其中，内衬钢管管壁厚度计算：
式中：t——内衬钢管厚度，mm；
p——内水压力设计值，N/mm2；
r——内衬钢管内半径，mm；
D——内衬钢管内直径，mm；
σR——内衬钢管的抗力限值，N/mm2。
检修期，内衬钢管抗外压稳定计算：
按明光面管考虑时：
式中：t——内衬钢管管壁厚度，mm；
r——内衬钢管内半径，mm；
ES——平面应变问题的钢材弹性模量，N/mm2；
Kc1——允许安全系数。
按地下埋管光面管考虑时：
式中：t——内衬钢管管壁厚度，mm；
r——内衬钢管内半径，mm；
ES——平面应变问题的钢材弹性模量，N/mm2；
Kc2——允许安全系数。
施工期，内衬钢管抗外压稳定计算：
按明光面管考虑时：
式中：t——内衬钢管管壁厚度，mm；
r——内衬钢管内半径，mm；
ES——平面应变问题的钢材弹性模量，N/mm2；
Kc1——允许安全系数。
根据内衬钢管抗外压稳定计算分析反推算得出，当内衬钢管管材为Q355C，内衬钢管壁厚为20mm 时，其强度和稳定均满足要求。
在进行水库旧输水隧洞除险加固工程设计之前，应现场查勘，并实测复核，充分了解旧输水隧洞洞内现状走向及洞内结构情况，选择合理的隧洞内除险加固措施，是下一步进行除险加固设计的工作基础；
加固措施要以满足各设计工况结构安全要求为导向，确保设计方案的可行性；
结合现场施工条件，分析旧输水隧洞内钢管运输及安装措施并选择合理的加固方式，确保设计的可行性及合理性。优化调整后的隧洞加固方案考虑全面，技术性较优，施工期措施建议合理，有效指导隧洞加固的施工，实施效果符合建设要求[6]。
