劉 歡

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,哈爾濱 150080)

1 工程概況

石人溝水庫(kù)位于雙城區(qū)萬(wàn)隆鄉(xiāng)和杏山鎮(zhèn)境內(nèi),地處拉林河和松花江三角地帶,距雙城區(qū)約60km。壩址地理坐標(biāo)為E125°41′,N40°25′。水庫(kù)集水面積540km2。水庫(kù)為中型平原水庫(kù),本工程為Ⅲ等,主要建筑物的級(jí)別為3級(jí),采用洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇洪水設(shè)計(jì),200a一遇洪水校核。水庫(kù)呈狹窄長(zhǎng)條形布置,主壩位于庫(kù)區(qū)首端,壩軸線方向近南北向,泄洪閘位于主壩左壩肩處,副壩位于庫(kù)尾端,壩軸線方向西偏北。泄洪閘樞紐工程建于1994年,由溢洪道和輸水洞組成,2010年對(duì)海漫進(jìn)行維修,對(duì)泄洪閘、輸水洞所有啟閉設(shè)備進(jìn)行更換。2020年8月雙城區(qū)水務(wù)局對(duì)石人溝水庫(kù)大壩安全進(jìn)行一次全面安全鑒定,大壩安全鑒定為“三類壩”,其中泄洪閘樞紐存在嚴(yán)重安全隱患,需要進(jìn)行除險(xiǎn)加固工程處理[1]。

2 泄洪閘樞紐除險(xiǎn)加固的必要性

2.1 工程現(xiàn)狀存在的安全隱患

2.1.1 溢洪道

溢洪道二級(jí)消力池首節(jié)U型槽左側(cè)翼墻向臨水側(cè)傾斜,翼墻上游側(cè)頂端傾斜近22cm,翼墻下游側(cè)頂端傾斜10cm左右。右側(cè)翼墻未見(jiàn)明顯傾斜,存在結(jié)構(gòu)縫張開(kāi)、止水破壞情況。消力池首節(jié)U型槽底板下游分縫處左側(cè)(靠近傾斜翼墻側(cè)),底板高程明顯低于上游底板,高差8cm左右。

溢洪道翼墻間分縫處存在止水缺失及撕裂現(xiàn)象,水流通過(guò)結(jié)構(gòu)縫流出淘刷墻后壩體,泄洪閘、一級(jí)消力池及二級(jí)消力池翼墻分縫處背水側(cè)均出現(xiàn)過(guò)淘刷現(xiàn)象,嚴(yán)重部分1d左右時(shí)間墻后淘刷出1m深的坑,現(xiàn)狀均采用碎磚頭、碎石等進(jìn)行了回填,進(jìn)而影響泄洪閘側(cè)向滲流穩(wěn)定。消力池末端擋土墻向臨水側(cè)傾斜,頂端傾斜位移達(dá)7cm。泄洪閘混凝土表面存在大面積剝蝕現(xiàn)象。泄洪閘海漫段干砌石護(hù)坡松動(dòng),局部塊石缺失。

2020年11月管理單位采用鋼桁架對(duì)消力池兩側(cè)邊墻進(jìn)行了臨時(shí)支護(hù),同時(shí)對(duì)墻后填料采用堆石替換。在墻后施工開(kāi)挖期間,發(fā)現(xiàn)在上游開(kāi)挖面有嚴(yán)重滲水現(xiàn)象。

泄洪閘檢修門(mén)啟閉平臺(tái)挑板施工時(shí)鋼筋綁扎不合理,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠,采用鋼管臨時(shí)支撐。泄洪閘工作門(mén)和檢修門(mén)存在輕微銹蝕現(xiàn)象。泄洪閘檢修門(mén)啟閉機(jī)銹蝕嚴(yán)重,不能正常工作。泄洪閘閘室段及進(jìn)口U型槽段存在大面積凍融剝蝕現(xiàn)象,2021年8月除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)查勘期間,在上游進(jìn)口段左側(cè)翼墻與閘室分縫處背水側(cè),查勘人員用腳輕踩在上游壩肩側(cè)便出現(xiàn)一塌陷坑,上口直徑約50cm,深度無(wú)法探明。

2.1.2 輸水洞

輸水洞消力池末端擋土墻傾斜,分水閘室排架根部混凝土缺失漏筋,閘室已不能正常使用,分水閘多年不能正常運(yùn)行。

輸水洞進(jìn)口工作門(mén)和檢修門(mén)存在輕微銹蝕現(xiàn)象。輸水洞兩側(cè)分水閘們銹蝕嚴(yán)重,基本失效。輸水洞兩側(cè)分水閘啟閉機(jī)銹蝕嚴(yán)重。

2.2 地區(qū)社會(huì)發(fā)展及防洪安全的需要

雙城區(qū)石人溝水庫(kù)是一座以防洪、灌溉為主,兼顧養(yǎng)魚(yú)等綜合利用的中型水庫(kù)。石人溝水庫(kù)位于雙城區(qū)萬(wàn)隆鄉(xiāng)和杏山鎮(zhèn)境內(nèi),地處拉林河和松花江三角地帶。其地理位置及社會(huì)經(jīng)濟(jì)地位非常重要。

隨著雙城區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,石人溝水庫(kù)下游防護(hù)對(duì)象也隨之發(fā)生變化,且日益重要。目前水庫(kù)下游防護(hù)對(duì)象主要為板子房村、老燒鍋、多口店、蘇家崴子、增產(chǎn)村、順利村、臨江村、保國(guó)村等8個(gè)自然村,一個(gè)牛奶養(yǎng)殖場(chǎng)、一條鄉(xiāng)級(jí)公路以及下游的松花江、拉林河堤防(韓陽(yáng)堤防、多口店堤防)、保護(hù)人口約7500人,保護(hù)耕地1466.67hm2。灌溉耕地3393.33hm2,養(yǎng)魚(yú)提供水面746.67hm2。且隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,水庫(kù)防洪保護(hù)人口及防護(hù)對(duì)象將不斷增加,因此為了保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)安全、穩(wěn)步、快速發(fā)展,保障水庫(kù)下游防護(hù)對(duì)象及人民生命財(cái)產(chǎn)安全,對(duì)石人溝水庫(kù)進(jìn)行必要的除險(xiǎn)加固是非常必要的,也是十分迫切的。

2.3 水庫(kù)工程本身的需要

2020年10月,雙城區(qū)石人溝水庫(kù)大壩安全鑒定為“三類壩”,鑒定結(jié)論建議采取措施消除工程安全隱患。從水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行情況看,水庫(kù)大壩、溢洪道、輸水洞等都存在嚴(yán)重的問(wèn)題,水庫(kù)為帶病運(yùn)行,尤其是水庫(kù)泄洪建筑物險(xiǎn)情嚴(yán)重,現(xiàn)狀僅采取了臨時(shí)支護(hù)措施。

石人溝水庫(kù)地理位置重要,下游防洪保護(hù)8個(gè)村屯7500人,以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路、1466.67hm2農(nóng)田、2段國(guó)堤;水庫(kù)每年可為3393.33hm2耕地提供灌溉保障,可為一個(gè)漁提供養(yǎng)殖水面。水庫(kù)建成以來(lái)為雙城區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了有利條件,促進(jìn)了該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)效和社會(huì)效益。為確保石人溝水庫(kù)大壩安全運(yùn)行,鞏固和發(fā)揮水庫(kù)的已有效益和保護(hù)下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全,水庫(kù)存在比較嚴(yán)重的險(xiǎn)情,一旦失事后果十分嚴(yán)重,進(jìn)行水庫(kù)除險(xiǎn)加固十分必要。

3 泄洪閘樞紐工程方案

3.1 泄洪閘樞紐方案比選

鑒于溢洪道和輸水洞均存在較嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題,進(jìn)而影響到水庫(kù)的泄洪安全,目前溢洪道消力池段翼墻僅采取鋼管臨時(shí)支撐,為保證水庫(kù)泄洪安全,據(jù)大壩安全鑒定結(jié)論,本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)主要對(duì)在現(xiàn)狀泄洪閘樞紐下游消能實(shí)施進(jìn)行拆除重建?？紤]閘室和下游渠底高差較大,常用消力池結(jié)構(gòu)型式有兩級(jí)消力池和斜坡連接消力池兩種型式,現(xiàn)對(duì)兩方案進(jìn)行比選。

3.1.1 方案一:兩級(jí)消力池方案

現(xiàn)狀泄洪閘閘室后消力池拆除重建,新建消力池采用二級(jí)消力池方案。

閘室后接一級(jí)消力池,結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土U型槽,池長(zhǎng)26m,底流消能,池深2m,凈寬由7m漸變到13m,一級(jí)消力池分三段布置,第一段為跌水段,長(zhǎng)11m,跌差3.5m,第二段為平直段長(zhǎng)9m,第三段為消力坎段長(zhǎng)6m,橫穿泄洪閘的灌溉洞洞身兼做消力坎。二級(jí)消力池長(zhǎng)20m,凈寬13m,池深0.7m,結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土U形槽,分兩節(jié)布置,每節(jié)長(zhǎng)10m,二級(jí)消力池為直跌型式,一級(jí)消力池坎頂?shù)蕉?jí)消力池底板高差6m,一級(jí)消力池底板設(shè)有輔助消能工,垂直水流方向每60cm設(shè)置一個(gè)。池后為干砌石海漫段,長(zhǎng)40m,凈寬由13m漸變至25m。

3.1.2 方案二:斜坡連接消力池方案

現(xiàn)狀泄洪閘閘室后消力池拆除重建,新建消力池采用斜坡連接消力池方案。

陡坡段采用整體式鋼筋混凝土U型槽結(jié)構(gòu),陡坡段水平長(zhǎng)33.0m,分兩節(jié)布置,每節(jié)16.5m長(zhǎng),底高程由129.0m通過(guò)1∶4.0的斜坡漸變至121.00m。陡坡段凈寬7.0m。

陡坡段后接消力池,消力池為挖深式消力池,采用整體式鋼筋混凝土U型槽結(jié)構(gòu),池深1.5m,池長(zhǎng)22.0m,分兩節(jié)布置,每節(jié)長(zhǎng)11.0m,凈寬由7.0m漸變至15.0m,底板高程121.00m,邊墻頂高程128.00m,底板下游側(cè)布置3排排水孔,孔徑5cm,梅花形布置,消力池末端與下游海漫兩岸連接設(shè)鋼筋混凝土懸臂式擋土墻。

現(xiàn)將兩方案從主體工程量、工程投資等方面進(jìn)行比較,詳見(jiàn)表1。

表1 泄洪閘樞紐除險(xiǎn)加固方案比選表

通過(guò)比較表可以看出,斜坡連接消力池方案與兩級(jí)消力池方案相比,投資低于兩級(jí)消力池方案,混凝土澆筑量、鋼筋制安量比兩級(jí)消力池方案少,施工進(jìn)度能短一些?？紤]原泄洪閘樞紐為兩級(jí)消力池方案,在實(shí)際運(yùn)行中存在一級(jí)消力池末端下泄水流對(duì)二級(jí)消力池底板產(chǎn)生較大沖刷作用,尤其是對(duì)底板分縫處容易產(chǎn)生破壞作用。同時(shí)二級(jí)消力池兩側(cè)翼墻較高,結(jié)構(gòu)型式受力條件不好[2]。

故從工程投資、混凝土澆筑量上比較,并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況,本次除險(xiǎn)加固泄洪閘閘室段下游消能防沖設(shè)施拆除后采用斜坡連接消力池方案。

3.2 泄洪閘樞紐工程方案設(shè)計(jì)

本次除險(xiǎn)加固對(duì)泄洪閘樞紐進(jìn)行維修加固,保留進(jìn)口鋪蓋及兩側(cè)擋墻、壩頂以下閘室段,對(duì)剝蝕混凝土修復(fù),對(duì)撕裂的止水鑿除后進(jìn)行更換,排架及啟閉機(jī)房拆除重建。

原泄洪閘消力池段及海漫段拆除重建,輸水洞閘室段下游洞身、消力池段及左右分水閘拆除重建。

維修加固后的泄洪閘樞紐由溢洪道、輸水洞及下游左右灌溉分水閘組成。

除險(xiǎn)加固內(nèi)容如下:

3.2.1 進(jìn)口鋪蓋段維修加固

本次除險(xiǎn)加固進(jìn)口鋪蓋段現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)布置不變,對(duì)翼墻水位變動(dòng)區(qū)以下(設(shè)計(jì)水位132.90m)剝蝕的混凝土進(jìn)行鑿除露筋并除銹后,涂抹界面劑,采用環(huán)氧混凝土進(jìn)行修補(bǔ)。對(duì)翼墻、底板止水撕裂缺失的結(jié)構(gòu)縫,在縫迎水側(cè)兩側(cè)各鑿除寬25cm,深25cm混凝土,將撕裂的止水取出,將銅片止水置入,通過(guò)鉚釘將止水固定在現(xiàn)狀翼墻上,后采用環(huán)氧混凝土對(duì)鑿除的混凝土進(jìn)行恢復(fù)。

將左側(cè)刺墻前翼墻后壩體挖出,開(kāi)挖斷面頂寬5.0m,開(kāi)挖邊坡1∶2.0,在墻后涂抹水泥漿后重新填筑黏土壓實(shí)。

3.2.2 閘室段維修加固

本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì),泄洪閘及輸水洞墩頂以下結(jié)構(gòu)布置不變,對(duì)泄洪閘水位變動(dòng)區(qū)以下剝蝕的混凝土及輸水洞閘室段剝蝕的混凝土進(jìn)行修復(fù),修復(fù)方式同進(jìn)口鋪蓋段。排架及啟閉房拆除重建,交通橋保留,排架采用鋼筋混凝土框架式結(jié)構(gòu),排架高4.0m,排架基礎(chǔ)分別通過(guò)錨筋固定在泄洪閘閘墩上,排架上設(shè)有工作橋,工作橋頂高程139.10m。工作橋上及輸水洞上新建啟閉機(jī)房65.7m2,采用磚混結(jié)構(gòu)[3]。

3.2.3 閘室下游段拆除重建

3.2.3.1 泄洪閘下游段

本次除險(xiǎn)加固,拆除現(xiàn)狀兩級(jí)消力池,新建陡坡段及消力池和海漫段,同時(shí)對(duì)海漫下游河道彎道處進(jìn)行護(hù)砌。

陡坡段采用整體式鋼筋混凝土U型槽結(jié)構(gòu),陡坡段水平長(zhǎng)33.0m,分兩節(jié)布置,每節(jié)16.5m長(zhǎng),底高程由129.0m通過(guò)1∶4.0的斜坡漸變至121.00m。陡坡段凈寬7.0m。

陡坡段后接消力池,消力池為挖深式消力池,采用整體式鋼筋混凝土U型槽結(jié)構(gòu),池深1.5m,池長(zhǎng)22.0m,分兩節(jié)布置,每節(jié)長(zhǎng)11.0m,凈寬由7.0m漸變至15.0m,底板高程121.00m,邊墻頂高程128.00m,底板下游側(cè)布置3排排水孔,孔徑4cm,梅花形布置,消力池末端與下游海漫兩岸連接設(shè)鋼筋混凝土懸臂式擋土墻。

消力池末端接海漫段,海漫段長(zhǎng)41m,末端接拋石防沖結(jié)構(gòu),總長(zhǎng)47.0m,凈寬由15.0m漸變至25.0m,海漫底高程122.50m,岸頂高程128.00m。海漫段上游12.0m長(zhǎng)護(hù)底采用50cm厚鋼筋石籠護(hù)砌,下設(shè)20cm厚碎石墊層、10cm厚砂礫石墊層及無(wú)紡布一層。海漫段后29.0m長(zhǎng)護(hù)底及海漫段兩側(cè)邊坡護(hù)砌均采用40cm厚格賓石籠護(hù)砌,下設(shè)20cm厚碎石墊層、10cm厚砂礫石墊層及無(wú)紡布一層,海漫兩側(cè)岸坡坡比1∶2.0。根據(jù)現(xiàn)狀海漫段塊石質(zhì)量情況,新建海漫段考慮部分利用原海漫段拆除的塊石[4]。

對(duì)下游渠道彎道處河道采用40cm厚格賓石籠護(hù)砌,下設(shè)20cm厚碎石墊層、10cm厚砂礫石墊層及無(wú)紡布一層,坡比1∶2.0。

3.2.3.2 輸水洞下游段

本次除險(xiǎn)加固,拆除重建輸水洞閘室段以下的涵洞段、消力池段。

重建涵洞段長(zhǎng)33.0m,分二節(jié)布置,均16.5m長(zhǎng),洞底坡度1∶4.0,底高程由128.00m漸變至126.00m,孔口尺寸2.0m×2.0m(寬×高)。

涵洞段后接消力池段,消力池長(zhǎng)14.75m,采用整體式鋼筋混凝土U型槽結(jié)構(gòu),凈寬2.0m,底高程126.00m,墻頂高程129.80m。在消力池末端兩側(cè)翼墻距離底板1m高程處各預(yù)留一分水口,分水口尺寸1.5m×1.5m(寬×高)。

3.2.3.3 左右灌溉分水閘

本次除險(xiǎn)加固,拆除重建左右灌溉分水閘,分水閘由閘室段、渡槽段及U型槽渠道段組成。閘室內(nèi)設(shè)機(jī)閘一體鑄鐵閘門(mén)。

其中閘室段布置在輸水洞消力池末端兩側(cè)翼墻上,孔口尺寸1.5m×1.5m,閘室內(nèi)設(shè)機(jī)閘一體鑄鐵閘門(mén)。

左灌溉分水閘最大分水流量2.42m3/s,閘室段后接混凝土U型槽渠道,U型槽渠道凈寬1.5m,槽底比降1∶300,U型槽渠道末端與現(xiàn)狀土渠通過(guò)擋土墻銜接。

右灌溉分水閘,最大分水流量1.36m3/s,閘室后接渡槽段,采用鋼筋混凝土矩形槽結(jié)構(gòu),長(zhǎng)12.5m,凈寬1.5m,基礎(chǔ)坐落在泄洪閘陡坡段左右翼墻上,下游段接混凝土U型槽渠道,U型槽渠道凈寬1.5m,槽底比降1∶300,U型槽渠道末端與現(xiàn)狀土渠通過(guò)擋土墻銜接。

4 結(jié) 論

石人溝水庫(kù)溢洪道因年久失修及強(qiáng)降水引發(fā)的洪水,造成了水庫(kù)溢洪道破壞,溢洪道可能喪失泄洪能力,同時(shí)影響壩體安全,存在安全隱患,水庫(kù)灌溉效益無(wú)法得到保障。通過(guò)采取工程措施,消除了水庫(kù)安全隱患,保證了水庫(kù)功能,為類似的水庫(kù)泄水建筑物除險(xiǎn)加固方案設(shè)計(jì)提供借鑒。