李菲

（中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東廣州 510000）

1 工程概述

1.1 工程原建設(shè)背景

廣西鳳亭河水庫(kù)工程于1958 年10 月動(dòng)工建設(shè)，至1960 年4 月建成。于1974 年后放水至廣西屯六水庫(kù)向廣西大塘及欽北灌區(qū)農(nóng)田供水；廣西風(fēng)亭河水庫(kù)舊輸水隧洞出口處的洞口電站于1976 年開始引水發(fā)電，新建放水隧洞出口處的鳳亭河電站2007 年開始引水發(fā)電。目前廣西鳳亭河水庫(kù)與廣西屯六水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行，向廣西南寧市良慶區(qū)大塘鎮(zhèn)、南曉鎮(zhèn)、欽州市欽北區(qū)貴臺(tái)鎮(zhèn)供水。結(jié)合廣西鳳亭河水庫(kù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料及現(xiàn)狀供水對(duì)象，廣西鳳亭河水庫(kù)是一座以灌溉為主，兼供水、發(fā)電的綜合利用水利工程[1]。

1.2 工程地質(zhì)條件

主壩舊輸水隧洞布置在主壩右端處，隧洞沿線地貌為一山坳，頂部為圓形鋼筋混凝土壓力式隧洞，洞徑2.7m，全長(zhǎng)210m，沿線穿越地層為白堊系新隆組下統(tǒng)第一段（Kix1）礫巖夾粉砂質(zhì)泥巖，呈單斜構(gòu)造為主，巖層走向與隧洞軸線有一定夾角。

隧洞進(jìn)口段巖石風(fēng)化程度以強(qiáng)風(fēng)化為主，巖體較破碎，洞頂埋深11.5～19.5m，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，風(fēng)化差異較大，地下水水位高于洞頂5～6m，圍巖類別為Ⅴ類。

隧洞洞身段巖石風(fēng)化程度以強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化巖體為主，隧洞埋深19～30m，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，地下水高于洞頂1.3～5m，圍巖類別為Ⅳ～Ⅴ類。

隧洞出口段巖石風(fēng)化程度以強(qiáng)風(fēng)化為主，巖體較破碎，洞頂埋深為0.4～18.2m，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，風(fēng)化差異大，地下水位高于洞頂0.3～1.3m，圍巖類別為Ⅴ類。出口邊坡為斜交順向坡，邊坡穩(wěn)定性較差，需加強(qiáng)支護(hù)。

1.3 舊輸水隧洞現(xiàn)狀

（1）滲流安全分析。根據(jù)設(shè)計(jì)階段在進(jìn)水塔附近鉆孔的壓水實(shí)驗(yàn)來看，全風(fēng)化巖體屬中等透水性，強(qiáng)風(fēng)化巖體屬中等透水性，弱風(fēng)化巖體屬弱透水性，巖石與隧洞之間可能存在接觸滲漏安全隱患。

（2）主壩舊輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)復(fù)核。經(jīng)復(fù)核計(jì)算，在校核工況下，襯砌混凝土最大拉應(yīng)力為0.89MPa；在檢修工況下，襯砌混凝土最大壓應(yīng)力為0.49MPa。兩種工況均不滿足規(guī)范的耐久性要求。

2 初步設(shè)計(jì)階段加固設(shè)計(jì)方案

2.1 現(xiàn)狀過流能力復(fù)核

主壩舊輸水隧洞進(jìn)口底高程159.42m，出口底高程151.62m；水庫(kù)正常水位為175.12m，設(shè)計(jì)洪水位為177.74m，校核洪水位為179.03m，最低運(yùn)行水位為164.12m。經(jīng)計(jì)算復(fù)核，在最低運(yùn)行水位下，廣西鳳亭河水庫(kù)舊輸水隧洞過水流量Q＝38.39m3/s，可以滿足隧洞最大泄量26.0m3/s 的要求。由此可見，水庫(kù)正常運(yùn)行過程中，舊輸水隧洞始終處于有壓流運(yùn)行狀態(tài)，其過流能力可滿足下游電站發(fā)電要求。根據(jù)隧洞的流態(tài)，隧洞過流能力計(jì)算復(fù)核主要采用有壓流計(jì)算公式，如下：

有壓流過流能力計(jì)算公式為：

從表1 可得知，水庫(kù)正常運(yùn)行過程中，隧洞過流能力隨庫(kù)水位升高而增大。在原電站發(fā)電最低運(yùn)行水位164.12m 時(shí)，隧洞過流流量為38.39m3/s，可滿足隧洞最大下泄流量26m3/s 及最大下放生態(tài)流量1.17m3/s 的過流能力要求。根據(jù)計(jì)算，隧洞洞徑2.3m 即可滿足過流能力要求。

表1 主壩舊輸水隧洞過流上游庫(kù)水位～流量關(guān)系成果

2.2 內(nèi)襯鋼管壁厚復(fù)核

根據(jù)對(duì)原主壩舊輸水隧洞襯砌的計(jì)算，襯砌混凝土最大拉應(yīng)力為0.89MPa，拉應(yīng)力較大，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般素混凝土結(jié)構(gòu)不能作為受拉構(gòu)件。為此，隧洞襯砌加固后，內(nèi)水壓力由內(nèi)襯鋼管承擔(dān)[2]。

內(nèi)襯鋼管結(jié)構(gòu)計(jì)算根據(jù)《水利水電工程壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL/T 281—2020）[3-4]中計(jì)算公式進(jìn)行鋼板襯砌厚度、管壁應(yīng)力和抗外壓穩(wěn)定計(jì)算：

式中：t——鋼管厚度，mm；p——內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)值，N/mm2；r——鋼管內(nèi)半徑，mm；D——鋼管內(nèi)直徑，mm；σR——鋼管的抗力限值，N/mm2。

管壁應(yīng)力計(jì)算公式：

式中：σθ——鋼管環(huán)向正應(yīng)力，N/mm2；K0——圍巖單位抗力系數(shù)較小值，N/mm3；p——內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)值，N/mm2，隧洞最大靜水壓力0.18N/mm2；t——鋼管管壁厚度，mm；r——鋼管內(nèi)半徑，mm；δ2——縫隙，mm；σR——鋼管的抗力限值，N/mm2；ES2——平面應(yīng)變問題的鋼材彈性模量，N/mm2。

抗外壓穩(wěn)定計(jì)算公式：

式中：pcr——抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計(jì)算值，N/mm2；t——鋼管管壁厚度，mm；r——鋼管內(nèi)半徑，mm；σS——鋼材屈服點(diǎn)，N/mm2；Kc——抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)，為1.8；p0k——徑向均布外壓力標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2。

2.3 現(xiàn)狀主壩舊輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)復(fù)核

原主壩舊輸水隧洞為素混凝土結(jié)構(gòu)。經(jīng)計(jì)算，在校核工況下，主壩舊輸水隧洞襯砌混凝土最大拉應(yīng)力為0.89MPa；在檢修工況下，主壩舊輸水隧洞襯砌混凝土最大壓應(yīng)力為0.49MPa。

根據(jù)《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 654—2014）規(guī)定，對(duì)于二類環(huán)境下使用年限為50 年的鋼筋凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C25。故現(xiàn)狀主壩舊輸水隧洞混凝土強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求。

2.4 加固方案

根據(jù)地勘工作反饋，主壩舊輸水隧洞洞身圍巖為強(qiáng)～弱風(fēng)化的礫巖夾粉砂質(zhì)泥巖，但巖體較破碎，裂隙較為發(fā)育，洞身圍巖類別均為Ⅴ類。根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)（第8 卷水電站建筑物）》中關(guān)于水工隧洞的敘述，對(duì)于圍巖地質(zhì)條件較差的洞段一般采用鋼筋混凝土襯砌。再結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)類似工程采用的加固型式，本階段對(duì)主壩舊輸水隧洞加固方案選定為固結(jié)灌漿+全段內(nèi)襯鋼管型式。在完成隧洞固結(jié)灌漿后，采用內(nèi)徑2.3m的鋼管對(duì)原隧洞進(jìn)行加固。鋼管管壁厚度取為12mm，鋼管外按構(gòu)造要求取每間距2m 布設(shè)一道加勁環(huán)，加勁環(huán)壁厚亦取為12mm。鋼管與原主壩舊輸水隧洞襯砌之間采用C25（1）微膨脹混凝土進(jìn)行回填，回填混凝土厚度取為0.2m?；靥罨炷潦┕ね戤吅筮M(jìn)行回填灌漿及接觸灌漿的處理。

3 施工圖設(shè)計(jì)遇到的問題

施工圖設(shè)計(jì)階段根據(jù)初設(shè)階段方案從隧洞實(shí)際走向、實(shí)際過流條件，鋼管計(jì)算工況、鋼管運(yùn)輸及安裝條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查勘、實(shí)測(cè)復(fù)核及分析：

（1）廣西風(fēng)亭河水庫(kù)主壩舊輸水隧洞軸線實(shí)際走向?qū)崪y(cè)復(fù)核變化大。按初步設(shè)計(jì)階段，主壩舊輸水隧洞平面軸線為直線無拐點(diǎn)，縱坡變坡點(diǎn)5 個(gè)。隧洞平面順直，縱坡變化較平順，方便鋼管運(yùn)輸及安裝，施工難度較小。但經(jīng)施工圖設(shè)計(jì)階段現(xiàn)場(chǎng)查勘復(fù)測(cè)后發(fā)現(xiàn)，主壩舊輸水隧洞平面軸線從放水塔至隧洞末端節(jié)平面轉(zhuǎn)彎點(diǎn)共28個(gè)，縱向變坡點(diǎn)共8 個(gè)，部分走向變坡點(diǎn)坡比較陡，最大坡比為1∶3，且坡段只有3500mm 長(zhǎng)。隧洞平面拐點(diǎn)較多，縱坡變化多、不平順，鋼管安裝條件較為苛刻。

（2）廣西風(fēng)亭河水庫(kù)主壩舊輸水隧洞施工圖設(shè)計(jì)階段復(fù)核實(shí)際過流條件與初步設(shè)計(jì)階段相符。隧洞襯砌為鋼筋混凝土襯砌，表面有較多蜂窩麻面，局部骨料外露，存在較小的滲流情況。

（3）初步設(shè)計(jì)階段考慮鋼管計(jì)算工況不夠充分。施工圖設(shè)計(jì)階段，內(nèi)襯鋼管結(jié)構(gòu)計(jì)算工況考慮分為運(yùn)行檢修期及施工期。鋼管最不利工況考慮在外水壓力作用下，鋼管無內(nèi)水過流，管內(nèi)考慮放空負(fù)壓（1 個(gè)大氣壓）0.1N/mm2。根據(jù)《水利水電工程壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL/T 281—2020），運(yùn)行檢修期按明光面管和地下埋管型式計(jì)算；施工期采用明光面管型式計(jì)算。經(jīng)計(jì)算復(fù)核，鋼管壁厚需為20mm，其強(qiáng)度和穩(wěn)定才均滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）施工圖設(shè)計(jì)階段由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可得知，隧洞洞徑2.7m，內(nèi)襯鋼管內(nèi)徑2.3m，兩側(cè)管節(jié)焊接空間只有0.2m。根據(jù)《水利水電工程壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL/T 281—2020），0.2m 不滿足管外焊接空間要求。再者，洞內(nèi)拐點(diǎn)較多，且有可能存在空間轉(zhuǎn)彎，為洞內(nèi)鋼管運(yùn)輸及安裝增加難度。

4 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

（1）主壩舊輸水隧洞洞身圍巖為強(qiáng)～弱風(fēng)化的礫巖夾粉砂質(zhì)泥巖，但巖體較破碎，裂隙較為發(fā)育，洞身圍巖類別均為Ⅴ類。根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)（第8 卷水電站建筑物）》中關(guān)于水工對(duì)于主壩舊輸水隧洞的敘述：對(duì)于圍巖地質(zhì)條件較差的洞段一般采用鋼筋混凝土襯砌。保留原初步設(shè)計(jì)階段主壩舊輸水隧洞固結(jié)灌漿對(duì)隧洞圍巖進(jìn)行加固。

（2）近年來，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）具有固化后力學(xué)性能好、抗腐蝕性和耐久性能好、熱膨脹系數(shù)與混凝土的相近等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)水工結(jié)構(gòu)及地下結(jié)構(gòu)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。因此，本次施工設(shè)計(jì)階段根據(jù)主壩舊輸水隧洞地形地質(zhì)及周邊環(huán)境的情況，并考慮到當(dāng)時(shí)原主壩舊輸水隧洞施工質(zhì)量差，隧洞軸線不規(guī)則等不利因素，對(duì)主壩舊輸水隧洞前179m 在完成隧洞固結(jié)灌漿后，先對(duì)原主壩舊輸水隧洞過窄處鑿除及表面進(jìn)行打磨，然后采用丙乳水泥砂漿將主壩舊輸水隧洞裂縫及隧洞的蜂窩麻面進(jìn)行修補(bǔ)后，采用FRP 包裹法將制作好的樹脂膠浸漬編織布包裹粘貼在打磨修補(bǔ)好的隧洞襯砌表面，然后進(jìn)行一定的養(yǎng)護(hù)即可。

（3）主壩舊輸水隧洞尾部約40m 長(zhǎng)度洞身圍巖為強(qiáng)風(fēng)化轉(zhuǎn)巖的平直洞段，考慮采用內(nèi)徑為2.3m 的鋼襯管對(duì)原主壩舊輸水隧洞進(jìn)行加固。鋼管與原主壩舊輸水隧洞襯砌之間采用C25（1）微膨脹混凝土回填，回填混凝土厚度取為0.2m?；靥罨炷潦┕ね戤吅筮M(jìn)行回填灌漿及接觸灌漿的處理[5]。

主壩舊輸水隧洞內(nèi)襯鋼管結(jié)構(gòu)計(jì)算工況考慮分為運(yùn)行檢修期及施工期?？紤]現(xiàn)場(chǎng)安裝空間較小，安裝難度較大，為保證安裝質(zhì)量，本次內(nèi)襯鋼管設(shè)計(jì)由加勁環(huán)管型式優(yōu)化為光面管型式。根據(jù)《水利水電工程壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL/T 281—2020），運(yùn)行檢修期按明光面管和地下埋管型式計(jì)算；施工期采用明光面管型式計(jì)算。

其中，內(nèi)襯鋼管管壁厚度計(jì)算：

式中：t——內(nèi)襯鋼管厚度，mm；p——內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)值，N/mm2；r——內(nèi)襯鋼管內(nèi)半徑，mm；D——內(nèi)襯鋼管內(nèi)直徑，mm；σR——內(nèi)襯鋼管的抗力限值，N/mm2。

檢修期，內(nèi)襯鋼管抗外壓穩(wěn)定計(jì)算：

按明光面管考慮時(shí)：

式中：t——內(nèi)襯鋼管管壁厚度，mm；r——內(nèi)襯鋼管內(nèi)半徑，mm；ES——平面應(yīng)變問題的鋼材彈性模量，N/mm2；Kc1——允許安全系數(shù)。

按地下埋管光面管考慮時(shí)：

式中：t——內(nèi)襯鋼管管壁厚度，mm；r——內(nèi)襯鋼管內(nèi)半徑，mm；ES——平面應(yīng)變問題的鋼材彈性模量，N/mm2；Kc2——允許安全系數(shù)。

施工期，內(nèi)襯鋼管抗外壓穩(wěn)定計(jì)算：

按明光面管考慮時(shí)：

式中：t——內(nèi)襯鋼管管壁厚度，mm；r——內(nèi)襯鋼管內(nèi)半徑，mm；ES——平面應(yīng)變問題的鋼材彈性模量，N/mm2；Kc1——允許安全系數(shù)。

根據(jù)內(nèi)襯鋼管抗外壓穩(wěn)定計(jì)算分析反推算得出，當(dāng)內(nèi)襯鋼管管材為Q355C，內(nèi)襯鋼管壁厚為20mm 時(shí)，其強(qiáng)度和穩(wěn)定均滿足要求。

5 結(jié)語

在進(jìn)行水庫(kù)舊輸水隧洞除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)之前，應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，并實(shí)測(cè)復(fù)核，充分了解舊輸水隧洞洞內(nèi)現(xiàn)狀走向及洞內(nèi)結(jié)構(gòu)情況，選擇合理的隧洞內(nèi)除險(xiǎn)加固措施，是下一步進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)的工作基礎(chǔ)；加固措施要以滿足各設(shè)計(jì)工況結(jié)構(gòu)安全要求為導(dǎo)向，確保設(shè)計(jì)方案的可行性；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，分析舊輸水隧洞內(nèi)鋼管運(yùn)輸及安裝措施并選擇合理的加固方式，確保設(shè)計(jì)的可行性及合理性。優(yōu)化調(diào)整后的隧洞加固方案考慮全面，技術(shù)性較優(yōu)，施工期措施建議合理，有效指導(dǎo)隧洞加固的施工，實(shí)施效果符合建設(shè)要求[6]。