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        三架山水庫輸水洞除險加固設(shè)計方案研究

        2015-10-22 12:47:23楊偉娟
        科技創(chuàng)新導報 2015年24期

        楊偉娟

        摘 要:該文針對三架山水庫輸水洞歷次治理工程中存在的病險問題,通過現(xiàn)場調(diào)查,全面分析已有歷次規(guī)劃設(shè)計、施工、運行管理資料,充分論證存在的病險問題并滿足水庫灌溉功能要求的前提下,從工程施工條件、施工難易程度、工程除險加固后安全度及工程投資等方面對輸水洞除險加固設(shè)計方案進行了設(shè)計比選,最終推薦拆除重建的設(shè)計方案,該方案能徹底解決三架山水庫輸水洞接觸滲漏問題,施工技術(shù)較為成熟,且施工質(zhì)量易于保證,工期雖長但有保障。工程除險加固后水庫蓄水效益顯著,對類似工程設(shè)計具有借鑒作用。

        關(guān)鍵詞:輸水洞 除險加固設(shè)計 方案研究

        中圖分類號:TV697.3 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2015)08(c)-0104-02

        1 原工程概述

        三架山水庫位于駐馬店市驛城區(qū)胡廟鄉(xiāng),在淮河流域洪汝河水系汝河支流玉皇河上游,水庫控制流域面積4.5 km2,總庫容306萬m3。水庫始建于1964年冬季,1966年竣工。

        水庫工程由大壩、溢洪道、輸水洞組成。(1)大壩:粘土心墻砂殼壩,全長200 m,壩頂高程178 m,最大壩高24 m,壩頂寬4.5 0m。(2)溢洪道:位于大壩左壩肩,無控制措施,左岸邊墻為石英巖,右岸為漿砌石導水墻。(3)輸水洞:位于大壩右壩肩樁號0+011處,進口座落于庫區(qū)內(nèi)右岸山坡之上。洞身分為三段,①進口至粘土心墻前為直徑0.5 m的現(xiàn)澆鋼筋砼圓涵,該段洞身座落于石英巖和碎石上;②粘土心墻下部洞身為0.6×0.6 m鋼筋混凝土方涵,該段洞身斜交于大壩;③出口段洞身為直徑0.5 m的現(xiàn)澆鋼筋砼圓涵。輸水洞進口底高程為159.30 m,出口底高程為157 m,洞身長168 m,進口斜拉閘門控制,出口為閘閥控制。

        2008年12月輸水洞工程開工,施工中對輸水洞上段拆除重建,保留下游段洞身,對出口消能工程進行加固,2009年4月完工。

        2 存在問題

        (1)工程存在的問題:2009年9月,水庫開始下閘蓄水,至2010年5月,庫水位達到高程167 m。2010年5月底,輸水洞開閘放水,現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn),輸水洞下游閘房處排水溝及壩腳低洼處漏水嚴重。

        (2)存在問題的初步分析:①輸水洞滲漏問題由來已久,險情發(fā)生后通過走訪參加過處理輸水洞滲漏的群眾得知,輸水洞自1965年建成后不久就存在滲漏,70年代末由當時的確山縣水利局組織人員曾經(jīng)進行過處理,計劃處理的方案為:沿上游壩肩向下開挖豎井至漏水的箱涵部位,采用預(yù)制砼管固壁后再處理滲漏部位,后因開挖后的井壁坍塌嚴重,預(yù)制砼管無法沉入而放棄。②輸水洞除險加固前,水庫一直處于低水位運行,滲漏不太嚴重,2009年除險加固后開始下閘蓄水,高水位運行后才發(fā)現(xiàn)滲漏問題加劇。③輸水洞運行方式由無壓洞變?yōu)橛袎憾催\行,粘土心墻下老箱涵接頭處止水老化、失效,在高壓水流的作用下被擊穿,形成滲漏通道;④粘土心墻與老箱涵結(jié)合部可能已經(jīng)形成接觸滲流帶,這是造成下游壩腳新建圓涵外側(cè)滲漏的主要原因。

        3 方案比選

        根據(jù)以上總結(jié)分析的輸水洞存在的工程險情,本次輸水洞除險加固設(shè)計重點解決輸水洞洞身滲漏及洞壁接觸滲漏問題,消除安全隱患。綜合考慮工程安全、投資、運行管理、效益等制約因素,初步擬定重建、豎井、隧洞3種方案進行比選。

        3.1 重建方案設(shè)計

        破壩拆除重建輸水洞,新建進、出口控制設(shè)施。

        (1)壩體拆除:沿現(xiàn)狀輸水洞位置拆除壩頂路面、防浪墻、上下游護坡;開挖壩體,左岸開挖邊坡坡比1∶3,右岸開挖至巖石岸坡;拆除老輸水洞。

        (2)重建輸水洞:新建鋼筋砼塔式進水口、箱涵(斷面尺寸1.50 m×1.80 m、寬×高)及出口連接段。輸水洞軸線向右岸偏移,使建筑物座落在石英巖基礎(chǔ)之上。

        (3)壩體恢復:按照大壩原設(shè)計斷面尺寸回填粘土心墻和砂殼壩體,恢復大壩上游砼護坡、壩頂漿砌石防浪墻、砼路面。

        3.2 豎井方案設(shè)計

        開挖豎井,直接處理粘土心墻下部已經(jīng)查明的箱涵漏水部位。

        3.2.1豎井開挖

        (1)自壩頂處沿粘土心墻垂直開挖豎井至已經(jīng)查明存在滲漏的箱涵部位,澆筑C20砼進行堵漏,形成一道外包箱涵的截水環(huán)進行截滲;

        (2)豎井開挖斷面為正方形,邊長3 m,邊開挖邊支護,豎井開挖深度達到2 m時隨即采用標準鋼模板固壁、鋼管支撐進行支護,豎井底部開挖高程必須低于現(xiàn)狀箱涵底部1 m,即高程152 m。

        3.2.2充填灌漿防滲。

        (1)在豎井底部沿洞身外壁與粘土心墻結(jié)合部,分別在水平方向向上、下游采用水泥粘土漿充填灌漿。

        (2)垂直大壩軸線方向,對粘土心墻下箱涵外側(cè)進行水泥粘土漿充填灌漿,灌漿長度為箱涵全段,灌漿孔沿洞頂和兩側(cè)洞壁布置3排,孔距0.8 m。

        3.2.3新建進水口控制設(shè)施(同重建方案)

        3.3 隧洞方案設(shè)計

        老洞封堵,新開輸水隧洞。

        (1)老洞封堵:自現(xiàn)狀輸水洞進口處,分別向洞身內(nèi)和洞身外壁水平方向充填水泥粘土漿進行封堵,直至充填密實后在洞身進口處澆筑鋼筋砼塞進行密封。

        (2)新開隧洞:位置選擇在大壩右岸山體,進水口位于現(xiàn)狀輸水洞進口上游,出水口位于現(xiàn)狀輸水洞出口閘閥房右側(cè)山坡處,洞身長192 m;進口設(shè)塔式閘門控制,洞身斷面為直墻圓拱型,采用“先拱后墻法”襯砌施工;隧洞縱坡3/1000;出口設(shè)消能段與下游河道連接。

        3.4 方案比選

        對于上述比選的3個方案,主要不同之處在于破壩與否,從而帶來對地形及地質(zhì)適應(yīng)性、工程施工難易程度、工程除險后安全性及工程投資等方面的差異,方案比選主要針對上述幾點進行評價分析,最終選擇較為理想的設(shè)計方案,比較如下。

        3.4.1地形及地質(zhì)情況

        從地形、地質(zhì)情況看,重建方案需要破壩,施工在地形上不受限制,壩體開挖后能直觀的處理不良的地質(zhì)情況,但需要高邊坡開挖,土石方工程量大。豎井方案工作面狹窄,受地形限制,大型機械無法施工,地質(zhì)情況不明,不確定因素較多。隧洞方案同樣受地形限制,施工效率低。

        3.4.2工程施工條件及難易程度

        3個方案對外交通,用水、用電條件基本相同。

        重建方案:該方案施工設(shè)備簡單,施工技術(shù)成熟、砼施工質(zhì)量易于控制,工程較長,需要在一個非汛期內(nèi)完成。壩體回填施工碾壓質(zhì)量要嚴格控制。

        豎井方案:該方案施工設(shè)備簡單,豎井開挖施工風險大,不安全,施工環(huán)境差,質(zhì)量不易于控制,施工隊伍不易選擇。

        隧洞方案:施工技術(shù)、地質(zhì)情況復雜,施工受天氣影響干擾較小。

        總之,從施工角度講,3個方案各有千秋,重建方案施工較為簡單、成熟;豎井方案施工設(shè)備簡單,隧洞方案技術(shù)復雜。

        3.4.3除險加固后的工程安全度

        如前所述,該次設(shè)計的重點是解決輸水洞洞身滲漏及洞壁接觸滲漏問題,無論采取何種方案都要處理洞身滲漏問題。重建方案能徹底解決滲漏安全隱患,但受汛期影響,存在防汛風險;豎井方案處理位置明確,但充填灌漿質(zhì)量不易控制、處理效果不太直觀;隧洞方案對洞身的封堵理論能很好解決存在的滲漏問題,技術(shù)復雜。

        3.4.4工程投資評價

        重建方案工程投資498.35萬元,豎井方案工程投資132.92萬元,隧洞方案工程投資346.01萬元。從工程投資上看,重建方案投資偏大,豎井方案投資較省,隧洞方案投資居中。

        3.5 推薦方案

        綜合上述比較,各方案在工程施工條件及施工難易程度,工程除險加固后安全度及工程投資等方面存在差異。但從長遠來看,綜合考慮工程防汛安全大局,本次方案比選認為:重建方案較為優(yōu)越,該方案能徹底解決輸水洞滲漏問題,施工技術(shù)成熟,且施工質(zhì)量易于保證,工期雖長但有保障,故本次設(shè)計推薦重建方案。

        4 重建方案設(shè)計

        4.1 壩體拆除設(shè)計

        本次設(shè)計沿現(xiàn)狀輸水洞位置拆除壩頂路面、防浪墻、上下游護坡;開挖壩體,左岸開挖邊坡坡比1∶3,右岸開挖至巖石岸坡;老輸水洞建筑物全部拆除。

        4.2 進口閘室段設(shè)計

        根據(jù)輸水洞進口的地形地貌,本次設(shè)計的輸水洞進口建筑物采用塔式進水口,即在輸水洞進口澆筑鋼筋砼墩墻及排架,在排架頂部布置啟閉機設(shè)備,并設(shè)工作橋與岸坡連接。輸水洞塔式進口段各部分的結(jié)構(gòu)布置如下。

        4.2.1進水口段

        進水口段為M7.5漿砌石斜降八字墻,順水流方向長度6m,進口寬3m,與閘室連接處寬1.50m,八字墻高2.5m,底板高程159.50 m,C20素砼結(jié)構(gòu)。

        4.2.2閘室段

        閘室段為鋼筋砼墩墻結(jié)構(gòu),閘孔凈寬1.50 m,閘底板順水流方向長6 m,寬4.50 m,底板高程159.50 m;檢修層以下閘墩為鋼筋砼結(jié)構(gòu),底寬0.4~1 m,檢修層高程為174.50 m,啟閉層高程為176.97 m。

        4.2.3工作橋

        啟閉機房與右岸岸坡之間采用工作橋連接。

        4.3 洞身段設(shè)計

        輸水洞洞身原設(shè)計位于大壩樁號0+010處,該處壩基為強風化破碎石英巖基礎(chǔ)。設(shè)計將輸水洞軸線向右岸偏移至樁號0+014處,使進口閘室段、洞身段座落在新鮮的石英巖基礎(chǔ)之上。

        洞身采用單孔C20鋼筋砼箱形涵洞,全長88 m,底板縱坡3/1000,考慮施工及今后檢修因素采用孔徑1.5×1.8 m(寬×高),洞身每10 m分縫一道,分縫處設(shè)截水環(huán)及651橡膠止水。

        4.4 出口段設(shè)計

        洞身出口設(shè)消能防沖段與下游尾水渠道連接,由斜坡段、消力池段、漸變段、尾水渠段組成。斜坡段長3.78 m,采用1∶3的坡度與消力池連接;消力池深0.5 m,池寬2 m,池長5 m;漸變段為漿砌石扭面結(jié)構(gòu)形式,長5 m;尾水渠段長5 m,梯形斷面,底寬2 m。

        4.5 壩體恢復設(shè)計

        輸水洞建筑物施工完畢后,需對壩體恢復重建。壩體結(jié)構(gòu)形式仍采用原設(shè)計,位置不變,即粘土心墻砂殼壩。壩頂高程178 m,壩頂寬5 m,上有1.0 m高防浪墻,大壩上、下游均在165.0 m處設(shè)一道寬2 m的戧臺;上游戧臺以上壩坡為1∶2.5,以下壩坡為1∶3,均采用為砼護砌;下游戧臺以上壩坡為1∶2.5,以下壩坡為1∶3,為草皮護坡;壩腳設(shè)貼坡排水;壩坡及右岸岸坡設(shè)縱橫排水溝;上、下游壩坡各設(shè)踏步一道。

        4.5.1粘土心墻

        (1)粘土心墻設(shè)計頂部高程176.5 m,頂寬3 m,上、下游邊坡均為1∶1,上、下游邊坡均設(shè)置反濾層(3層反濾料),反濾層自心墻頂部深入截水槽底部。

        (2)在心墻底部開挖截水槽,橫貫整個壩基并延伸到大壩右岸,設(shè)計將壩基強風化石英片巖全部清除至未風化巖基,截水槽開挖斷面呈梯形,深3 m,槽寬48.38 m,邊坡1∶1,底部高程154.8 m;

        (3)在未風化巖基之上澆筑C20素砼墊層后開始回填粘土心墻,以免心墻填土與裂隙發(fā)育的巖石接觸,心墻填土被裂隙內(nèi)集中滲漏沖刷造成管涌。

        (4)粘土心墻填筑土料不再使用原心墻開挖粘土,設(shè)計采用新選粘土料場開挖土料,粘土料場位于大壩上游2 km山坡腳處,儲量完全滿足要求;根據(jù)擊實試驗求得最優(yōu)含水量16.8%,最大干密度1.72g/cm3。

        (5)粘土心墻填筑標準:壓實度不小于96%,壓實后的滲透系數(shù)不大于1×10-4 cm/s。

        4.5.2砂殼壩體

        壩殼仍采用破壩開挖的壩體砂卵石或石渣料進行回填。砂殼壩體壓實標準按相對密度確定,要求不低于0.75,具體壓實參數(shù)以現(xiàn)場碾壓試驗確定的為準。

        4.5.3上、下游壩坡

        (1)上游壩坡設(shè)計采用C20砼進行護砌,護坡板厚為14 cm,單塊尺寸3×3 m,板面設(shè)D75排水孔及反濾層,排水孔間距1 m,板下設(shè)12 cm厚的碎石墊層。

        4.5.4下游壩坡

        下游壩坡自戧臺以上采用草皮護坡;戧臺以下至壩腳采用干砌塊石護砌,干砌塊石下部設(shè)反濾層。

        4.5.5壩頂工程

        壩頂設(shè)計寬5 m,上游壩肩設(shè)M7.5漿砌石防浪墻,凈高1.0 m;下游壩肩設(shè)路緣石;壩頂路面采用C20素砼澆筑,厚20 cm,每5 m分縫一道,縫內(nèi)充填瀝青填料。

        4.5.5排水溝及踏步

        下游壩坡每間距50 m設(shè)排水溝一道,岸坡、戧臺、壩腳各設(shè)排水溝一道,均采用C20素砼結(jié)構(gòu)。

        為檢修方便,在大壩上、下游壩坡各設(shè)踏步一道,踏步寬1.4m,坡度砼壩坡,均采用C20素砼結(jié)構(gòu)。

        5 結(jié)語

        三架山水庫地理位置重要,下游有商桐公路、駐南公路及小型水庫1座,保護人口1萬余人、耕地2.5萬畝,安全意義重大。由于輸水洞存在病險隱患,為確保大壩安全,自2010年5月以來一直處于空庫運行狀態(tài),水庫防洪、養(yǎng)殖、灌溉等效益得不到充分發(fā)揮。

        2014年8月,三架山水庫輸水洞除險加固工程開工,水庫的除險加固,對發(fā)展該地區(qū)旅游業(yè),提高人民生活水平和生活質(zhì)量具有重要的作用。

        參考文獻

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        [2] 中華人民共和國水利部批準.(SL55-2005)中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].2005.

        [3] 賈偉.三架山水庫大壩安全評價報告[R].駐馬店市水利勘測設(shè)計研究院,2007.

        [4] 賈偉,王曉春.三架山水庫除險加固工程初步設(shè)計報告[R].駐馬店市水利勘測設(shè)計研究院,2008.

        [5] 楊保東.三架山水庫除險加固工程地質(zhì)勘察報告[R].駐馬店市水利勘測設(shè)計研究院,2008.

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