易松德

(宜春市袁州區(qū)飛劍潭水庫(kù)管理局，江西 宜春 336013)

1 工程概況

飛劍潭水庫(kù)位于江西省宜春市袁州區(qū)飛劍潭鄉(xiāng)境內(nèi)，屬贛江水系袁河北岸支流坑西河支流遼市河，是一座以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合功能的大(2)型水利樞紐工程，是袁北灌區(qū)(大型灌區(qū))的主要灌溉水源之一。壩址以上控制流域面積79.3 km2，水庫(kù)總庫(kù)容1.056 億m3，設(shè)計(jì)灌溉面積8360 hm2，防洪保護(hù)農(nóng)田面積1600 hm2，發(fā)電裝機(jī)容量1630 kW，多年平均發(fā)電量300萬(wàn)kWh，樞紐工程等別為Ⅱ等，主壩、副壩、隧洞等主要永久性建筑物級(jí)別為2 級(jí)，次要建筑物級(jí)別為3級(jí)，臨時(shí)建筑物級(jí)別為4級(jí)。

泄洪隧洞位于左壩肩以東約80.0 m 處，具有泄洪、灌溉及引水發(fā)電功能。泄洪隧洞由進(jìn)水口、洞身段、出口陡槽及消能段組成。進(jìn)水口包括喇叭口和閘門井，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。進(jìn)水口底板高程161.30 m，設(shè)有攔污柵，閘門井內(nèi)設(shè)有平板事故檢修閘門。泄洪輸水洞內(nèi)徑2.50 m，底坡i=0.005，洞身長(zhǎng)110.00 m。出口底高程160.66 m，后接陡槽段，陡槽底坡i=0.010。陡槽后接挑流消能段，挑流鼻坎高程150.23 m，下游河床高程148.23 m。隧洞洞身采用150#鋼筋混凝土襯砌[1]。

泄洪隧洞主要存在的問(wèn)題：洞身襯砌混凝土強(qiáng)度低，根據(jù)檢測(cè)洞身混凝土強(qiáng)度為12.2 MPa，多處存在襯砌混凝土蜂窩麻面、露石露筋及漏水析鈣現(xiàn)象，且隧洞進(jìn)口附近局部位置出現(xiàn)股狀射流，需要進(jìn)行加固處理。

2 泄洪隧洞除險(xiǎn)整治方案研究

2.1 洞身加固方案比選

鑒于泄洪隧洞混凝土強(qiáng)度較低，通過(guò)復(fù)核結(jié)構(gòu)不滿足規(guī)范要求，存在安全隱患，須對(duì)泄洪隧洞鋼筋混凝土襯砌進(jìn)行加固處理。

方案一：擬拆除重建隧洞，但由于圍巖條件較差，拆除重建方案施工難度大、工期長(zhǎng)、工程費(fèi)用高等原因予以放棄。

方案二：擬采用鋼襯加固，由于隧洞洞徑2.5 m，鋼板拼裝、焊接均比較困難，施工工期長(zhǎng)，難度大[2]。

方案三：隧洞洞身粘貼碳纖維布加固，經(jīng)過(guò)復(fù)核計(jì)算，結(jié)構(gòu)安全主要受內(nèi)水壓力控制，在洞身粘貼碳纖維布加固可有效解決結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，且碳纖維布加固在水利工程應(yīng)用實(shí)例也較多，施工相對(duì)方便。

碳纖維布具有材料體積小，重量輕，施工簡(jiǎn)單、方便，工期短等特點(diǎn)，在隧洞內(nèi)壁粘貼具有較高抗拉強(qiáng)度的碳纖維布。碳纖維布與黏膠形成的復(fù)合層，既可承受內(nèi)水壓力，又可起到較好的防滲和抗沖耐磨作用，從而使隧洞加固后達(dá)到正常運(yùn)用要求。近年來(lái)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固已取得良好的效果。碳纖維布一般常用型號(hào)為：L200-C(200 g/m2)，厚度為0.111 mm；L300-C(300 g/m2)，厚度為0.167 mm。極限抗拉強(qiáng)度達(dá)3790～4825 MPa，彈性模量達(dá)220～235 GPa,延伸率>1.4%[3]。

武漢大學(xué)水利水電學(xué)院實(shí)驗(yàn)研究成果顯示：在空管裂縫內(nèi)水壓力作用下，碳纖維布與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度一般可以抵抗>250 m 以上水頭的剝離壓力(若管道混凝土碳化嚴(yán)重，可能有所降低)；碳纖維表面膠的抗沖磨強(qiáng)度相當(dāng)于C40 混凝土的2倍，可適用于高流速的水流；內(nèi)襯抗裂荷載可提高約25%，極限破壞荷載提高約10倍；表面膠的糙率系數(shù)約0.007,比混凝土的系數(shù)小50%；加速老化2000 h黏結(jié)強(qiáng)度基本不降低，滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求。

上述三種方案綜合對(duì)比分析，本次泄洪隧洞除險(xiǎn)整治方案推薦采用方案三，即洞身粘貼碳纖維布加固方案。

2.2 加固設(shè)計(jì)

泄洪隧洞加固，保留隧洞原有鋼筋混凝土襯砌，對(duì)洞身進(jìn)行固結(jié)灌漿，對(duì)襯砌表面裂縫進(jìn)行加固處理，后在表面粘貼碳纖維布2層。

固結(jié)灌漿沿洞周鉆孔進(jìn)行，固結(jié)灌漿孔排距2.0 m，每排沿洞周布置4孔，孔深3.0 m，對(duì)稱布置，相鄰斷面錯(cuò)開(kāi)排列。

通過(guò)計(jì)算分析，洞段內(nèi)面需要的碳纖維布最小厚度t0=0.21 mm；考慮工程實(shí)際情況，泄洪隧洞段均采用2層厚度為0.167 mm的L300-C(300 g/m2)碳纖維布加固。

采用粘貼碳纖維布加固泄洪隧洞混凝土襯砌。其主要工藝措施如下：

(1)修復(fù)結(jié)構(gòu)縫止水。

(2)對(duì)混凝土表面進(jìn)行處理，具體包括混凝土襯砌結(jié)構(gòu)裂縫補(bǔ)強(qiáng)灌漿、空洞環(huán)氧砂漿修補(bǔ)、洞壁進(jìn)行清洗、鑿毛處理等。

(3)涂刷底膠。

(4)涂刷修補(bǔ)膠。

(5)貼碳纖維布，包括涂刷浸漬膠、粘貼碳纖維布和再涂刷浸漬膠等3 道工藝，若貼多層碳纖維布就多次重復(fù)上述3道工藝。

(6)做表面防護(hù)膠。

(7)碳纖維布的主拉方向沿徑向，且要求徑向搭接長(zhǎng)度≥10 cm；碳纖維布幅寬選用0.6 m 為宜；碳纖維布粘貼宜采用自下游向上游分段粘貼，上游段與下游段的搭接長(zhǎng)度≥5 cm；粘貼碳纖維布兩端(如止水部位)應(yīng)采用壓條做好端部處理，確保高速水流不會(huì)沖壞粘貼碳纖維布。

(8)碳纖維布的厚度選用L300-C(300 g/m2)碳纖維布，厚度為0.167 mm。極限抗拉強(qiáng)度達(dá)3790～4825 MPa，彈性模量達(dá)220～235 GPa，延伸率>1.4%。

3 泄洪隧洞除險(xiǎn)整治方案相關(guān)計(jì)算

3.1 原結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算

鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算，根據(jù)復(fù)核工況及原隧洞洞身襯砌情況，分別選取洞身前部0+005、中部0+020 及尾部0+105 典型斷面進(jìn)行計(jì)算[4]。

(1)計(jì)算依據(jù)和條件。根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 279—2016)和《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191—2008)，對(duì)于圍巖襯砌結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行襯砌內(nèi)力計(jì)算，泄洪隧洞為有壓洞，混凝土襯砌按照抗裂進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

特征水位：正常蓄水位180.00 m，設(shè)計(jì)洪水位181.31 m，校核洪水位182.83 m。

輸水隧洞工程級(jí)別：2 級(jí)。

(2)計(jì)算荷載及工況。隧洞襯砌結(jié)構(gòu)受力工況為完建工況、運(yùn)行工況和檢修工況?？紤]到泄洪隧洞建成運(yùn)行已50余年，現(xiàn)場(chǎng)檢查襯砌結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯變位，且檢修工況外水壓力比完建工況大。因此，本次只對(duì)運(yùn)行和檢修工況進(jìn)行計(jì)算，其荷載組合如表1。

表1 隧洞襯砌結(jié)構(gòu)受力工況及荷載組合

(3)計(jì)算參數(shù)。襯砌混凝土原設(shè)計(jì)為150#混凝土，接近現(xiàn)行規(guī)范C15 混凝土，其力學(xué)參數(shù)按C15 混凝土取值，據(jù)規(guī)范(SL 191—2008)，C15混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc為7.2 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft為0.91 MPa，混凝土彈性模量Ec為22.0 GPa，泊松比μc為0.167。襯砌采用Ⅰ級(jí)鋼筋雙層配筋(HPB235)，鋼筋彈性模量Es為210 GPa，鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy為210 MPa，鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy′為210 MPa。鋼筋混凝土襯砌容重取25 kN/m3?；炷两Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力安全系數(shù)基本組合取1.2，偶然組合取1.0。

隧洞圍巖彈性模量E為1.5 GPa，泊松比μc為0.25。隧洞襯砌開(kāi)裂寬度的限值取0.30 mm。

(4)內(nèi)力及配筋復(fù)核計(jì)算結(jié)果。經(jīng)計(jì)算，各斷面襯砌結(jié)構(gòu)控制工況內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各斷面襯砌結(jié)構(gòu)控制工況內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：

(1)隧洞襯砌實(shí)配鋼筋大于最小配筋率，各斷面結(jié)構(gòu)受運(yùn)行工況控制。

(2)在運(yùn)行工況，各斷面實(shí)配鋼筋面積不滿足規(guī)范要求，樁號(hào)0+020斷面裂縫寬度不滿足規(guī)范要求，需進(jìn)行加固處理。

3.2 加固后復(fù)核計(jì)算

計(jì)算條件與復(fù)核計(jì)算相同。根據(jù)泄洪隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，襯砌結(jié)構(gòu)主要受內(nèi)水壓力工況控制，在內(nèi)水壓力作用下襯砌結(jié)構(gòu)配筋、抗裂不滿足要求；同時(shí)泄洪隧洞混凝土襯砌存在裂縫、空蝕和強(qiáng)度偏低等問(wèn)題。加固方案保留泄洪隧洞原有鋼筋混凝土襯砌，在泄洪隧洞內(nèi)壁粘貼具有較高抗拉強(qiáng)度的碳纖維布。碳纖維布與黏膠形成的復(fù)合層，既可承內(nèi)水壓力，又可起到較好的防滲和抗沖耐磨作用，從而使泄洪隧洞較好修復(fù)，達(dá)到正常運(yùn)用要求[5]。

碳纖維布加固隧洞，參照《水利水電工程壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL/T 281—2020)的鋼襯計(jì)算方法，按碳纖維布承擔(dān)泄洪隧洞內(nèi)水壓力最不利條件考慮。即加固碳纖維布受內(nèi)水壓力作用的厚度按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：t0為碳纖維布計(jì)算厚度，mm；P為徑向均布?jí)毫?，N/mm2；r為碳纖維布半徑，mm;計(jì)算得碳纖維布允許應(yīng)力，[σ]為1750.0 N/mm2。

最大內(nèi)水壓力為校核洪水位運(yùn)行工況P=288.12 kPa，r=1.25 m。由此算得泄洪隧洞洞身加固需要粘貼的碳纖維布最小厚度t0=0.210 mm。實(shí)際選用厚度為0.334 mm，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

泄洪隧洞是飛劍潭水庫(kù)重要的水工建筑物，具有引水發(fā)電、灌溉、泄洪等重要功能，由于建成年代久遠(yuǎn)，其現(xiàn)狀存在較多問(wèn)題，具有較大的安全隱患，因此選擇合適的除險(xiǎn)整治方案，不僅關(guān)系到整個(gè)庫(kù)樞紐建筑物的安全問(wèn)題還可節(jié)省投資。本文采用對(duì)隧洞洞身固結(jié)灌漿處理，而后在其表面粘貼碳纖維布2層，經(jīng)過(guò)對(duì)加固后的隧洞洞身進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算，結(jié)果滿足規(guī)范要求。對(duì)飛劍潭水庫(kù)泄洪隧洞采用洞身粘貼碳纖維布的加固方案在水庫(kù)實(shí)際除險(xiǎn)整治工程中取得了應(yīng)有的成效,將為今后隧洞除險(xiǎn)工程的設(shè)計(jì)提供參考。