(海南省水務(wù)廳，海南 海口 571126)

1 概 述

由于歷史和經(jīng)濟技術(shù)等多種原因，海南絕大多數(shù)水庫大壩為土壩，很多水庫特別是中小型水庫的輸水涵管采用壩下埋設(shè)涵管，不少涵管采用預(yù)制混凝土管，漿砌石、漿砌石蓋板和磚砌蓋板等結(jié)構(gòu)，涵管普遍存在管身破損、斷裂，以及涵管與壩體接觸滲漏等問題。在水庫進行除險加固時，壩下埋設(shè)涵管是工程除險加固的重點之一，或是對涵管進行加固處理，或是破壩挖除重建。據(jù)統(tǒng)計，海南省列入《全國重點小型病險水庫除險加固規(guī)劃》的130座重點小(1)型病險水庫中，破壩重建涵管的水庫共69座，占53.1%，而小(2)型病險水庫破壩新建涵管的比例就更高了。破壩新建壩下埋設(shè)涵管雖然技術(shù)簡單，施工難度也不大，但如稍不注意，也容易產(chǎn)生新的問題。經(jīng)分析，海南已實施且出現(xiàn)問題的新建壩下埋管，主要原因或是設(shè)計考慮不周，或是施工存在缺陷或質(zhì)量問題等。因此，涵管設(shè)計方案是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。破壩新建埋管設(shè)計內(nèi)容主要包括涵管布置、壩體開挖、新建涵管、土方回填和工程量計算等。本文主要介紹破壩新建埋管的設(shè)計要點，僅供參考。

2 涵管布置

2.1 涵管布置的總體要求

新建壩下埋管，既要保證水庫實現(xiàn)輸水功能，發(fā)揮效益，也要確保輸水順暢，流態(tài)平順，且要方便建后管理和維修加固，同時也要徹底解決舊涵管存在的安全隱患。涵管布置一般遵循以下總體要求:

a.涵管務(wù)必按直線布置。一是水流流態(tài)相對平順，避免或者減少水流對涵管的沖擊；二是涵管施工方便，能保證施工質(zhì)量，加快施工進度；三是涵管適應(yīng)地基不均勻沉降；四是便于在壩體下游面與涵管接觸處設(shè)置反濾層；五是方便涵管建后管護。如今后要采用內(nèi)襯鋼管對涵管進行加固時，直線布置的涵管容易實施。

b.涵管盡可能布置在舊涵管位置。當條件允許時，涵管應(yīng)布置在舊涵管位置或旁邊。一是可挖除舊涵管，徹底消除舊涵管帶來的安全隱患；二是舊涵管位置的地基沉降已趨于完成，有利于新涵管的結(jié)構(gòu)安全；三是減少土方開挖量和填筑量；四是可利用舊涵管進行施工導(dǎo)流，減少施工風(fēng)險和工程投資。

c.涵管布置要避開軟弱地基。避免涵管因地基產(chǎn)生過大的不均勻沉降而發(fā)生位移、變形、裂縫，甚至斷裂等問題。

d.涵管布置要盡可能與下游渠道平順連接。新建涵管出口宜與渠道平順連接，確保水流順暢。

2.2 涵管布置方案

新建涵管的布置方案與舊涵管密切相關(guān)，主要有以下兩種:

a.涵管管線與壩軸線垂直。條件具備的，管線應(yīng)與壩軸線正交。一是利于涵管進出口建筑物布置;二是涵管輸水時，流態(tài)較好;三是減少涵管長度，減少工程量，減少工程投資;四是利于截流環(huán)布置，便于反濾層實施。

b.涵管管線與壩軸線斜交。如因條件限制，采用涵管與壩軸線斜交的，要盡可能使管線與壩軸線垂直線的夾角最小，必要時可適當擴大壩體開挖面，減少因夾角過大帶來的不利影響。

3 壩體開挖設(shè)計要點

3.1 開挖邊坡

a.邊坡設(shè)計要符合相關(guān)設(shè)計和施工規(guī)程規(guī)范等有關(guān)規(guī)定。開挖邊坡一是要確保新舊壩體結(jié)合緊密，防止新筑壩體兩端發(fā)生不均勻沉降造成壩體開裂；二是要確保邊坡在施工期保持穩(wěn)定，保證施工安全。

b.根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范，土質(zhì)岸坡不宜陡于1∶1.5。水庫經(jīng)多年運用，大壩沉降已完成或接近完成，相對新填筑土體，舊土體可視為土質(zhì)岸坡。一是涵管開挖邊坡不宜陡于1∶1.5。如確陡于此坡度的，應(yīng)進行計算分析，必要時可采取減載和防護等相應(yīng)的工程措施，防止邊坡失穩(wěn)、滑坡，發(fā)生安全事故。海南大多數(shù)開挖邊坡一般按1∶1.0～1∶1.5設(shè)計。對于低邊坡或設(shè)置開挖平臺的，開挖邊坡坡度即使采用1∶1.0，也極少出現(xiàn)滑坡等情況。二是應(yīng)進行施工期邊坡穩(wěn)定計算，根據(jù)計算結(jié)果和工程實際情況，確定開挖邊坡坡度，保證邊坡穩(wěn)定及工程安全。施工期邊坡抗滑穩(wěn)定計算應(yīng)以極限平衡方法為基本計算方法。

c.新涵管管線與舊涵管管線夾角較小的，如確有必要，在確保穩(wěn)定的前提下，可采用局部邊坡變陡或擴大開挖面等方式挖除舊涵管。

3.2 底部開挖寬度

涵管底部開挖寬度應(yīng)根據(jù)涵管橫斷面尺寸和截流環(huán)尺寸，以及是否利用舊涵管導(dǎo)流等情況確定。底部開挖寬度一般為2.6～3.5m，利用舊涵管導(dǎo)流的，可適當加寬。

3.3 開挖平臺

開挖平臺主要起到減載和滿足施工要求的作用。平臺高程和寬度主要根據(jù)施工組織設(shè)計選定的施工機械設(shè)備，并結(jié)合邊坡高度等工程實際情況確定。以底部為起點，平臺高度一般為5.0m左右，平臺可分兩邊等高程設(shè)置，人工施工平臺寬度一般可取1.0～1.5m，機械施工平臺一般可取3.0～3.5m(以滿足施工機械設(shè)備要求為準)。

3.4 開挖工程量計算

a.破壩開挖土體為多面體。一般情況下，涵管管線常與壩軸線垂直。設(shè)計常采用開挖底部為矩形、底面對稱軸與壩軸線垂直的開挖方案(以下統(tǒng)稱等底寬正交開挖體)。當?shù)鹊讓捳婚_挖體滿足以下條件時，即為本文所稱的標準開挖體：?大壩上下游壩坡不變；?壩坡未設(shè)馬道；?左右開挖邊坡不變；?未設(shè)開挖平臺。

b.標準開挖體工程量可采用筆者推導(dǎo)的公式(統(tǒng)稱開挖體計算公式)進行計算：

其中m=m上+m下

n=n左+n右

L=b+mH

式中B——開挖體底面寬度，m；

H——開挖深度，m；

m上——上游壩坡坡度系數(shù)(1∶m上)；

m下——下游壩坡坡度系數(shù)；

n左——左開挖邊坡坡度系數(shù)；

n右——右開挖邊坡坡度系數(shù)；

b——壩頂寬度，m。

目前，開挖體計算公式已在海南得到廣泛應(yīng)用，效果很好。

c.對于非標準等底寬正交開挖體，以馬道或開挖平臺為截面，將其劃分為若干個標準開挖體，采用開挖體計算公式求得單個標準開挖體的工程量，再累計相加即可。

d.對于非等底寬正交開挖體，當條件類似或相近時，在誤差允許范圍內(nèi)，也可采用開挖體計算公式計算其體積；當相差較大時，可采用分割法等方法進行計算。

e.為保證計算結(jié)果的精度，提高計算效率，建議各有關(guān)單位編制標準開挖體和非標準開挖體的體積計算程序。當然，計算開挖體體積時也可根據(jù)工程的實際情況采用其他合適的計算辦法。

4 涵管設(shè)計要點

4.1 涵管地基處理

涵管地基分為巖石地基和土質(zhì)地基。地基處理方案應(yīng)根據(jù)實際情況選用，確保地基經(jīng)處理后能夠滿足承載力、穩(wěn)定、變形和防滲等要求，保證涵管安全。

涵管地基和大壩防滲設(shè)計應(yīng)統(tǒng)籌考慮，保證防滲設(shè)施連成整體，形成防滲體系。

新涵管埋設(shè)比舊涵管淺的，必要時可采用防滲土料并按設(shè)計規(guī)范要求回填夯實。

4.2 涵管結(jié)構(gòu)

4.2.1 涵管橫斷面形狀

涵管外壁橫斷面形狀可選用城門洞形(也稱圓拱直墻式斷面)、矩形和圓形。為保證涵管接觸面填土質(zhì)量，設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先選用城門洞形或矩形，慎用圓形。圓形斷面因管座與外管壁之間的填土壓實相當困難，施工質(zhì)量難以得到保證，且容易產(chǎn)生接觸滲漏，一般不宜采用。

涵管內(nèi)壁橫斷面形狀可選用城門洞形和圓形。大中型水庫一般優(yōu)先選用城門洞形，也可選用圓形；小型水庫一般可選用圓形。

4.2.2 涵管斷面尺寸

a.涵管內(nèi)壁橫斷面尺寸可根據(jù)水力計算成果、功能要求、地質(zhì)條件、涵管功能、施工條件和建后管理、維修、加固等情況選定。

圓形涵管內(nèi)徑宜取0.8～1.6m。小型水庫一般取0.8m，中型水庫一般取0.8～1.1m，大型水庫一般取1.1～1.6m。當然，上述涵管斷面尺寸只供參考，涵管內(nèi)徑最終需經(jīng)計算分析確定。

城門洞形涵管斷面由矩形和圓拱組成。寬度一般取1.0～1.6m，小型水庫可取小值，大型水庫可取大值，具體尺寸根據(jù)工程實際情況確定。涵管斷面高寬比應(yīng)根據(jù)水力學(xué)和地質(zhì)等條件選取，一般宜取1∶1.0～1∶1.5；圓拱中心角宜取90°～180°，當中心角取180°時，圓拱即為半圓。

對于小型水庫，當遇到洪水漫壩威脅等危急情況時，可采用涵管輔助泄洪，加快水位下降。設(shè)計涵管尺寸時，也要有所考慮。

b.涵管外壁橫斷面尺寸根據(jù)內(nèi)壁斷面形狀、尺寸、壁厚和外壁斷面形狀確定。

4.2.3 管身結(jié)構(gòu)

涵管采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強度等級宜取C25或C30，配置雙層鋼筋。壁厚20～30cm，中小型水庫一般可取20～25cm，大型水庫一般可取25～30cm。另外，設(shè)計涵管壁厚時，還應(yīng)考慮涵管填土厚度等因素。一般不要采用預(yù)制管和漿砌石涵管等結(jié)構(gòu)型式。

為縮短工期、利用新涵管導(dǎo)流、降低施工風(fēng)險和保證施工質(zhì)量，涵管可采用鋼板內(nèi)模。鋼板內(nèi)模應(yīng)與涵管混凝土連成整體，鋼板厚度宜取3～6mm，一般取4mm。鋼管內(nèi)表面必要時可進行防腐處理。

要做好管身結(jié)構(gòu)分縫止水設(shè)計，避免因分縫止水設(shè)計不當出現(xiàn)新的險情，特別是要避免出現(xiàn)管水外溢進入壩體或壩水內(nèi)滲進入涵管等危及大壩安全等情況。

4.3 截流環(huán)結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范中，并沒有強制設(shè)置截流環(huán)。設(shè)計壩下埋管時，可設(shè)置截流環(huán)，也可不設(shè)。設(shè)置截流環(huán)時，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，斷面為矩形或梯形，斷面尺寸一般根據(jù)涵管開挖斷面等因素選定，厚度一般可取40cm。

5 涵管進出口設(shè)計要點

a.涵管進口一般選用岸塔式或岸坡式結(jié)構(gòu)型式。岸塔式進口主要具有整體結(jié)構(gòu)好、管理方便和閘門啟閉設(shè)備容易操作等優(yōu)點，岸坡式進口主要具有施工容易和造價較低等優(yōu)點。對于大中型水庫，涵管進口應(yīng)優(yōu)先采用塔式結(jié)構(gòu)型式；具備較好實施條件的小型水庫，一般可選用岸塔式結(jié)構(gòu)型式。對于不具備實施岸塔式進口條件的，或者岸塔式施工難度大的水庫，或者壩高較小的水庫，涵管進口也可選用岸坡式結(jié)構(gòu)型式。一般情況下，不宜采用轉(zhuǎn)動門蓋。

涵管如確需設(shè)置放空閘門的，應(yīng)充分論證設(shè)計方案的可靠性、可操作性和安全性。海南不少設(shè)置放空閘門的水庫，常因設(shè)計方案缺陷或管理不善等原因，造成放空閘門出現(xiàn)漏水等問題。放空閘門一旦出現(xiàn)問題，處理時要放空水庫，影響水庫效益。

b.涵管出口與渠道之間應(yīng)設(shè)置連接段，確保水流平順進入渠道。涵管連接段出口可設(shè)置消力池進行消能防沖，同時可兼做沉沙池，確保渠道安全。

6 涵管回填土設(shè)計要點

6.1 回填土料

涵管回填土料主要來自大壩開挖料和土料場。大壩開挖料滿足填壩要求的，優(yōu)先選用，以減少棄土，保護環(huán)境，控制工程投資。大壩開挖料也可用于圍堰填筑等。

回填土料如有防滲要求，則應(yīng)按防滲土料的要求選擇土料。防滲體宜按均質(zhì)壩設(shè)計，少用心墻和斜墻等結(jié)構(gòu)型式。

大壩采用水泥攪拌樁防滲墻或混凝土防滲墻等垂直防滲方案，中心線布置在壩頂?shù)模芑靥钔料虏靠砂捶罎B體設(shè)計，防滲體頂部高程以滿足防滲墻伸入足夠的深度為準，形成防滲體系。

回填土料的選擇應(yīng)滿足現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范要求。

6.2 填筑要求

a.設(shè)計文件必須對大壩填筑土料提出明確且詳細的填筑要求和標準。

施工組織設(shè)計應(yīng)根據(jù)工程實際情況，合理選擇施工方法及施工機械設(shè)備。設(shè)計時可將回填土劃分為上下兩部分，并根據(jù)施工組織設(shè)計分別提出填筑要求及注意事項，避免施工對涵管造成損壞。下部分填筑土方是指從開挖底面至涵管頂部以上一定厚度的土方，其厚度可根據(jù)施工方法和施工機械設(shè)備的規(guī)格、型號及工程實際情況，經(jīng)分析后確定。必須確保涵管(包括截流環(huán))接觸面上土方的填土質(zhì)量，避免因土方填筑質(zhì)量問題產(chǎn)生接觸滲漏，危及大壩安全。在設(shè)計時對此要特別強調(diào)和詳細說明。

土料填筑要求應(yīng)滿足現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的規(guī)定。

b.海南部分新建壩下埋管的水庫，曾出現(xiàn)新筑壩體滑坡和庫水從新筑壩體滲漏現(xiàn)象，以及涵管與壩體存在接觸滲漏等問題。經(jīng)分析，壩體筑壩土料和填筑不符合要求是主要原因。因此，確保筑壩土料滿足要求和保證填筑質(zhì)量是壩下埋管實施成敗的關(guān)鍵。

7 其他設(shè)計要點

涵管下游部分應(yīng)設(shè)置反濾層，并將涵管包起來。反濾層可采用土工布和砂石料的結(jié)構(gòu)型式，按反濾要求設(shè)計。當大壩采用復(fù)合土工膜防滲方案時，應(yīng)做好涵管與土工膜的連接，避免涵管接觸面產(chǎn)生滲漏。

8 涵管設(shè)計實例

8.1 水庫概況

海南省萬寧市熊仔水庫為小(1)型水庫。大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程20.52m，壩頂寬度4.0m，上下游壩坡比分別為1∶2.75和1∶2.5；壩下埋設(shè)涵管為漿砌石蓋板涵，過水斷面尺寸0.35m×0.4m。經(jīng)鑒定，熊仔水庫大壩為三類壩，其中涵管破損嚴重，結(jié)構(gòu)安全性定為C級。

8.2 設(shè)計要點

a.破壩新建涵管布置在舊涵管位置。涵管按直線布置，管線與壩軸線垂直。

b.底部開挖寬度為3.2m，高程10.88m，開挖深度9.64m。開挖平臺高程15.88m，左平臺寬度1.5m，右平臺寬度3.0m；左右開挖邊坡均為1∶1.25。

c.涵管采用C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土圓管，內(nèi)徑0.8m，壁厚20cm。涵管鋼板內(nèi)模鋼板厚度4mm。設(shè)置兩道截流環(huán)，采用C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土，厚度40cm。涵管采用岸塔式進口，出口與渠道之間設(shè)置連接段，連接段出口設(shè)置消力池。

d.破壩開挖土體是一個非標準開挖體。以高程15.88m為橫截面，將非標準開挖體劃分為兩個標準開挖體，采用公式分別計算體積后再相加。

e.大壩采用上游壩坡鋪設(shè)土工膜防滲。大壩回填土料選自大壩開挖料和土料場，壓實度96%。涵管頂部2m以上土體采用機械設(shè)備夯實，以下土體采用人工夯實。

8.3 工程實施效果

熊仔水庫除險加固工程于2015年完成建設(shè)任務(wù)，已通過竣工驗收并交付使用，樞紐工程各建筑物運行正常，達到設(shè)計要求，效果很好。