返步桥水库输水涵加固设计方案分析

宋灵根

(樟树市水利局水政监察大队，江西 宜春 331200)

1 工程概况

返步桥水库始建于1966年11月，1967年9月停建，1980年5月续建，1983年12月基本建成受益。水库枢纽工程主要建筑物有：大坝(含溢流坝)、输水涵、放空涵及电站等。

大坝为浆砌块石重力坝，最大坝高60.0m,坝顶长137.0m,坝顶高程348.00m，坝顶宽9.0m，输水涵位于左坝段坝体内，原为钢筋混凝土圆管，长24.0m，内径2.0m，原钢筋混凝土衬砌厚度为0.2m，进口底高程318.65m。进口设一平面钢闸门，由一台30t手摇、电动两用启闭机启闭。1987年，输水涵内衬厚8mm钢管，长36.0m，内径1.8m，在涵管出口修建坝后电站。

经现场检查发现，进口段内套钢管因起翘而割除。输水涵闸门及启闭设施陈旧老化，锈蚀严重，不能正常使用。

根据水库大坝安全鉴定报告，输水涵进口段内衬钢管曾发生失稳、变形，管壁混凝土蜂窝麻面、孔洞较多，钢衬段锈蚀严重，结构不安全，且发电岔管漏水严重[1]。

水库在现状带病运行条件下，灌溉和发电效益达不到设计标准。除险加固可改善灌溉田亩数和增加发电量，促进灌区的耕地复种面积指数，群众经济收入逐年增加，获得明显的社会效益和经济效益。

2 现状输水涵复核计算

2.1 过流能力复核

考虑到输水涵为有压运行，可按管流中自由出流情况计算涵管的过水能力。经计算，输水涵过水能力见表1。

表1 输水涵过流能力一库水位关系表

返步桥水库设计灌溉面积3133hm2，坝后电站装机2×400kW，水轮机最大过流量为9.3m3/s,由此可知，输水涵过流能力满足下游溉溉和发电引水要求。

2.2 内衬钢结构安全复核

经现场检查发现，进口段内套钢管因起翘而割除，因此有必要对输水涵的抗外压稳定进行分析。

规范计算方法及其成果

1)理论公式：

首先不考虑因灌浆施工引起的初始屈曲破坏所带来的钢衬抗外压能力降低问题。采用规范SL281—2003《水电站压力钢管设计规范》中推荐的阿姆斯图兹公式对钢管按照光面管进行抗外压稳定计算。该公式认为钢管在外压作用下，管周先发生压缩，管壳与混凝土间形成间隙，当外压达到临界值后，首先在钢管某处产生皱波，并发生微小变位，而其余部位则与外壁贴合，失稳部位管壁的变形曲线呈三个半波形状，由此导出阿姆斯图兹公式如下：

(1)

式中：Pcr为临界外压；△为缝隙，包括施工缝隙△0、钢管冷缩缝隙△s、围岩冷缩缝隙△P及围岩塑性压缩缝隙△R，本次计算取△=0.70mm；E为钢管材料的弹性模量，取2.06×105MPa；μ为钢管材料的泊松比，取0.3；σs为钢材屈服强度标准值，为269.9MPa；r1为钢管内半径，为900mm；t为钢管计算厚度，为8mm；σN为管壁屈曲部分由外压引起的平均应力(MPa)，通过试算求得。

通过计算得到该钢管的临界外压：

Pcr=0.675MPa

(2)

2)经验公式：

其次采用规范SL281—2003《水电站压力钢管设计规范》中推荐的经验公式按照光面管进行抗外压稳定计算：

Pcr=620(t/r1)1.7σS0.25

(3)

通过计算得到该钢管的临界外压：

Pcr=0.819MPa

(4)

经钢衬抗外压稳定复核计算，该钢衬可承担67.5m以上水压力，而在校核洪水位346.17m情况下的水头也仅为27.52m，以规范要求的最小安全系数2.0计，其抗外压能力可满足要求。但现场检查发现，进口段内衬钢管因起翘而割除，故钢管的结构安全仍不满足要求，且主要与钢管的材质、焊接质量以及施工质量等有直接天系(可基本排除抗外压稳定不足的因素)，应尽快进行修复和处理[2]。

3 输水涵加固设计

3.1 加固设计方案比选

考虑到输水涵内衬钢管后已使用近20余年了,进口段内套钢板因起翘而割除，管壁混凝土蜂窝麻面、孔洞较多；保留的钢衬段锈蚀严重，结构不安全，且发电岔管漏水严重。,因此需要对输水涵进行加固处理[3]。

本阶段加固拟定二种方案进行比较。

方案一：对输水涵进行重新内衬钢板加固，并进行接触灌浆。

方案二：将输水涵原内衬钢管及钢筋混凝土衬砌拆除，重新浇筑30cm厚的C25钢筋混凝土。两方案主要工程量及投资比较见表2。

表2 输水涵加固方案主要工程量及投资比较表

两方案优缺点如下：

方案一(重套钢管方案)：

优点：①施工期较短；②由于坝体内浆砌石浇筑质量差，涵管采用钢衬后，解决了内水外渗所带来的一系列安全问题。

缺点：①投资稍大；②钢衬易受外压失稳，不过这种情况可以在设计该方案时，采取措施加以消除。

方案二(钢筋混凝土衬砌方案)：

优点：投资较少。

缺点：①施工期较长；②由于坝体内浆砌石浇筑质量差，涵管采用钢筋混凝土衬砌后，一旦衬砌出现蜂窝麻面或产生裂缝，输水涵长期运行所产生的内水外渗将引发一系列安全问题[4]。

故经综合分析，本次加固处理采用方案一(重套钢管方案)。

3.2 输水涵加固设计

3.2.1 输水涵加固结构布置

结合大坝防渗面板加固方案，考虑在输水涵进口设置启闭竖井，拆除原启闭排架，重建启闭机房。

3.2.2 设计计算

内衬钢管计算：

1)钢管设计的最大内、外压力：

输水涵内衬钢管加固设计考虑其单独承担内、外压力。钢管设计的最大内压力以校核洪水位工况下的管顶静水压力控制，经计算，管顶最大的静水头H0=25.62m。

2)钢管厚度计算：

原输水涵内衬钢管内径为1.8m，现仍取内衬钢管内径1.8m。内衬钢管承担内压时，钢管壁厚按下式计算：

(5)

式中：δ为内衬钢管管壁厚度；γ为水的容重，10kN/m3；HP为钢管的内水压力256.2KN/m2；D为隧洞内衬钢管内径,1.8m；[σ]为钢管容许应力，内衬板采用A3钢材，按规范将[σ]值适当降低取0.85[σ]。2100×103(kN/m2)

根据上式得内衬钢管管壁厚为1.3mm。

内衬钢管承担外压时,钢管管壁厚按下式计算:

(6)

式中：Pcr为外压力，N/mm2，以灌浆压力0.3N/mm2控制；t为内衬钢管壁厚度；γ1为内衬钢管半径,(γ1=900mm)；σs为钢材的屈服应力；内衬钢板采用A3；

根据上式计算得的内衬钢管管壁厚为4.5mm。

根据以上计算，内衬钢板厚度以承担外压时控制，考虑到钢管运行中的锈蚀和磨损及构造要求等，取内套钢管直径为1.8m，内衬钢壁厚为10mm，并应对其进行防腐处理，为了使内衬钢管和钢筋混凝土衬砌间接合紧密，在内衬钢管与钢筋混凝土衬砌间采用接触灌浆[5]。

经加固处理后,输水涵进口底板高程仍为318.65m。

3.3 输水涵启闭塔竖井加固设计

结合大坝采用混凝土面板防渗方案，拆除原进口启闭排架，设计采用启闭竖井加固方案，从启闭竖井与启闭排架两种运行方式比较，前者更具安全性。故本工程进口改建为启闭竖井，启闭竖井断面尺寸为3.8m×3.8m；并重建启闭机房。

3.4 输水涵进口事故检修闸门及启闭设备更换设计

输水涵进口顺水流方向设拦污栅、事故检修闸门各一扇及相应的启闭设备。

拦污栅孔口尺寸2.8m×4.0m(宽×高)，采用平面滑动钢栅，启闭设备采用MD1—10t电动葫芦。在低水位时，采用人工对拦污栅进行清污。

事故检修闸门采用平面滑动钢闸门，孔口尺寸1.8m×1.8m，为潜孔式；进口底槛高程为318.65m，设计水头25.55 m。事故检修闸门设计为动水中闭门，静水启门。

经计算，闸门自重3.5t，拦污栅自重1.5t；闸门启门力FQ=26.8t,闭门力FW=-1.5t。

闭门力为负值，所以闸门在动水时利用自重可以自行关闭，采用卷扬式启闭机关闭。根据闸门启闭力的计算，选择卷扬式启闭机，单吊点，启闭机型号为QP1×320kN。

4 结 语

文章通过对返步桥水库输水涵进行泄流能力以及内衬钢结构复核计算，得到结论：现状输水涵过流能力满足要求，现状钢衬抗外压能力亦满足要求。但现场检查发现，进口段内衬钢管因起翘而割除，故钢管的结构安全仍不满足要求，经过设计方案比选，采用重套钢管方案对其进行加固。经过加固后，解决了输水涵结构安全、漏水等问题，消除了返步桥水库的安全隐患，确保水库能正常运行。