新技術(shù)在馮家山水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用

趙宏章

（陜西省寶雞市馮家山水庫(kù)管理局 721300）

1 工程基本情況

馮家山水庫(kù)位于關(guān)中西部陳倉(cāng)、鳳翔、千陽(yáng)三縣區(qū)交界處的馮家山峽谷，是一座以農(nóng)業(yè)灌溉、城市與工業(yè)供水為主，兼有防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益的大（2）型水利工程。水庫(kù)樞紐由大壩、輸水洞、泄洪洞、溢洪洞、非常溢洪道、電站等工程設(shè)施組成。水庫(kù)于1970年7月動(dòng)工興建，1974年3月下閘蓄水，當(dāng)年灌溉受益，1982年1月竣工，可灌溉寶雞、鳳翔、岐山、扶風(fēng)等7縣9.07萬(wàn)hm2農(nóng)田。

但是水庫(kù)運(yùn)行近30年來(lái)，工程設(shè)施老化，年久失修，存在諸多病害問(wèn)題，按照省、市水利主管部門的要求，組織相關(guān)技術(shù)人員對(duì)馮家山水庫(kù)大壩進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的安全鑒定。結(jié)論認(rèn)為：馮家山水庫(kù)大壩為三類壩，即水庫(kù)為病險(xiǎn)庫(kù)。

依據(jù)上級(jí)部門初步設(shè)計(jì)的批復(fù)精神，結(jié)合馮家山水庫(kù)工程實(shí)際情況，項(xiàng)目建設(shè)從2002年4月28日開(kāi)工，在各參建方的緊密配合下，水庫(kù)運(yùn)行和項(xiàng)目實(shí)施按照“兩不誤、兩確保、兩促進(jìn)”的原則，經(jīng)過(guò)共同努力，主體工程于2005年8月基本完工，其他工程也相繼于2006年12月完工。該庫(kù)大壩為碾壓式均質(zhì)土壩，除險(xiǎn)加固工程竣工后壩高75m，總庫(kù)容4.27億m3，有效庫(kù)容2.86億 m3，是山西省目前在關(guān)中最大的蓄水工程。

馮家山水庫(kù)在除險(xiǎn)加固改造項(xiàng)目中以科技創(chuàng)新為動(dòng)力，積極開(kāi)展新技術(shù)、新材料、新工藝的推廣應(yīng)用，從而使改造項(xiàng)目更加科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理?；仡櫩偨Y(jié)除險(xiǎn)加固工程中所采用的新技術(shù)、新材料、新工藝，對(duì)今后工程運(yùn)行管理水平的提高、類似水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程建設(shè)，具有很好的指導(dǎo)作用和很強(qiáng)的借鑒意義。下面對(duì)新技術(shù)在該水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用加以介紹。

2 新技術(shù)的應(yīng)用

2.1 閘房排架、梁柱粘鋼加固技術(shù)

泄洪洞進(jìn)口事故檢修閘門安裝有2.2m×6.9m-63m的平面事故檢修閘門兩扇，啟閉機(jī)改用固定卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)QPG1400kN-63m；溢洪洞進(jìn)口拱形檢修閘門啟閉機(jī)改造后為臺(tái)車式啟閉機(jī)，總重量約65.3t，由于泄洪洞、溢洪洞進(jìn)口起吊設(shè)備噸位增加，以及荷載規(guī)范的變化，在閘房改造時(shí)，經(jīng)對(duì)原排架結(jié)構(gòu)復(fù)核，所有鋼架梁柱在考慮8度地震時(shí)配筋量基本滿足，但由于原設(shè)計(jì)梁柱斷面偏大，同時(shí)考慮原結(jié)構(gòu)鋼筋損耗，不滿足構(gòu)造配筋要求。為此，要對(duì)原排架、梁柱進(jìn)行加固，但是采用什么樣的形式進(jìn)行加固，既能達(dá)到規(guī)范要求，又能保證質(zhì)量節(jié)省投資，經(jīng)與設(shè)計(jì)、監(jiān)理單位多次研究比較，最后采用了柱、梁外包粘鋼法，并將植筋技術(shù)與外包粘鋼板法技術(shù)綜合運(yùn)用，使外粘鋼板加固技術(shù)可靠性有了很大提高。

所謂的柱外包粘鋼加固技術(shù)，是將角鋼、鋼板箍通過(guò)膠栓和灌注高強(qiáng)無(wú)機(jī)粘結(jié)材料與原混凝土柱可靠地連結(jié)成一個(gè)整體。該方法在新增角鋼截面提高柱子承載力的同時(shí)，還因新增鋼板箍的橫向約束作用，使原混凝土柱處于良好的三軸應(yīng)力狀態(tài)，因而可以大幅度提高柱子的承載力。外粘鋼板加固技術(shù)運(yùn)用高強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板粘貼于混凝土構(gòu)件的外表面，補(bǔ)充構(gòu)件內(nèi)部的配筋不足，以達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)的目的。

對(duì)泄洪洞、溢洪洞進(jìn)口排架高程714～725.5m鋼架梁進(jìn)行粘鋼加固，先鑿除原梁粉刷層，基面打磨平整并清掃干凈；再在植筋位置處梁上及鋼板鉆孔，粘貼鋼板，植筋，鋼板表面粘粗砂。高程714m以上的排架立柱進(jìn)行包鋼加固，對(duì)柱表面粉刷層進(jìn)行鑿除，四角磨出小圓角，表面打磨平整，植筋處定位，打孔植筋；角鋼和綴板定位固定，焊接；角鋼內(nèi)灌WSJ建筑結(jié)構(gòu)膠。最后對(duì)鋼構(gòu)件表面進(jìn)行清理，表面應(yīng)無(wú)可見(jiàn)的油脂、污垢、鐵銹、灰塵等著物，確保表面干凈干燥，涂刷WSP建筑防護(hù)涂料，其配合比為A組分∶B組分=6∶1，涂層厚度要均勻，表面要平滑，不得有流掛、起皺、露底等缺陷。在WSP末干前，撒上干凈的粗砂，以增加外粉刷層與鋼板表面的粘結(jié)強(qiáng)度。

溢洪洞進(jìn)口閘門排架梁柱粘鋼加固從2003年5月開(kāi)始實(shí)施，泄洪洞進(jìn)口閘門排架梁柱粘鋼加固從2004年7月開(kāi)始實(shí)施，經(jīng)過(guò)有荷載泄洪洞進(jìn)口啟閉機(jī)重100t、溢洪洞進(jìn)口閘門啟閉機(jī)重65t，另外在加上兩處閘房自重，長(zhǎng)達(dá)5年多時(shí)間運(yùn)行，未發(fā)現(xiàn)有任何裂縫、彎曲和斷痕，粘鋼加固完畢后，經(jīng)檢查，鋼板邊緣溢膠色澤、硬化程度良好，用小錘打擊時(shí)，無(wú)空洞聲，表面粘結(jié)密實(shí)，柱外粘鋼有效粘貼面積均大于85%以上。

2.2 微型控制爆破技術(shù)

泄洪洞出口閘室為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘室框架平臺(tái)由4根80cm×80cm斷面的鋼筋混凝土立柱組成，上面支承著長(zhǎng)1220cm、寬830cm、厚15cm的閘室，立柱之間用主梁連接，平臺(tái)板下由縱橫主次梁組成整體結(jié)構(gòu)。按照除險(xiǎn)加固工程計(jì)劃，泄洪洞出口弧形鋼閘門啟閉機(jī)鋼筋混凝土框架及平臺(tái)將拆除后重建。由于受地形環(huán)境條件限制，機(jī)械無(wú)法拆除。為此，拆除有兩種方案：一種是采用人工鑿除；另一種是采用控制爆破拆除。人工鑿除從結(jié)構(gòu)上看，其混凝土強(qiáng)度高，內(nèi)部鋼筋粗、密度大，人工鑿除難度大；另外人工作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、工期長(zhǎng)，影響即將到來(lái)的防汛，經(jīng)方案比較采用微型控制爆破技術(shù)。

微型控制爆破技術(shù)的特點(diǎn)是各藥包的起爆時(shí)間相差微小，被爆破的巖塊在移動(dòng)過(guò)程中互相撞擊，形成極其復(fù)雜的能量再分配，使巖石破碎均勻，能縮短拋擲距離，減弱地震波和空氣沖擊波的強(qiáng)度，既可改善爆破質(zhì)量，不致砸壞附近的設(shè)施，又能提高作業(yè)機(jī)械的使用效率，有較大的經(jīng)濟(jì)效益。

該框架及平臺(tái)雖然僅有65m3的混凝土工程量，但框架高9m，且鋼筋量大，這給拆除爆破增加了一定的難度，尤其是該設(shè)施鄰近大壩及泄洪洞，必須采取相應(yīng)措施減少爆震，確保大壩、泄洪洞等建筑物的安全。為此采用微型控制爆破技術(shù)，重點(diǎn)是抓好微、控、爆三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。所謂“微”就是根據(jù)孔深、孔徑及孔距精確計(jì)算藥量、時(shí)間，使達(dá)到起爆時(shí)間相差微??；所謂“控”就是嚴(yán)格控制爆破范圍，嚴(yán)格控制裝藥量，嚴(yán)格驗(yàn)收孔網(wǎng)參數(shù)，把好爆破材料質(zhì)量關(guān)，盡量減少爆破震動(dòng)，確保相鄰建筑物的安全；所謂“爆”就是通過(guò)不同時(shí)差組成的爆破網(wǎng)絡(luò)，一次起爆后，應(yīng)按設(shè)計(jì)要求順序使各炮孔內(nèi)的藥包依次起爆，獲得良好的爆破效果。

該控制爆破技術(shù)，經(jīng)過(guò)采取嚴(yán)格的技術(shù)措施、精確的計(jì)算及參數(shù)試驗(yàn)，以及完善的安全防護(hù)措施和觀測(cè)儀器監(jiān)測(cè)，拆除僅用了10天時(shí)間，比人工鑿除提前了30天，大大加快了工程進(jìn)度，節(jié)約了工程投資。據(jù)估算，僅此一項(xiàng)就可節(jié)約投資約5萬(wàn)元。事實(shí)證明：控制爆破對(duì)壩體泄洪洞等建筑物未造成任何影響；爆破后，立柱下端3.5m的鋼筋及保留的混凝土未受到任何損傷，且表面干凈。

2.3 泥沙跟蹤自動(dòng)測(cè)報(bào)技術(shù)

該庫(kù)自建庫(kù)以來(lái)，雖然利用異重流在排沙減淤方面取得了較好的成績(jī)，但在異重流排沙的實(shí)際運(yùn)用中，仍存在一些問(wèn)題，影響著水庫(kù)排沙效率的進(jìn)一步提高。其主要問(wèn)題是：異重流行進(jìn)到壩前時(shí)，應(yīng)立即開(kāi)閘排沙，晚了會(huì)形成渾水水庫(kù)，泥沙落淤，降低排沙效率，增加排沙水量；若過(guò)早開(kāi)閘排水，則浪費(fèi)過(guò)多的水量。要做到適時(shí)排沙，必須知道異重流到達(dá)壩前的時(shí)間。關(guān)于異重流到達(dá)壩前的時(shí)間，目前還沒(méi)有測(cè)試的方法，也沒(méi)有通用的計(jì)算公式，僅有一些經(jīng)驗(yàn)公式，各個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式又受各庫(kù)具體條件限制，沒(méi)有普遍意義，而且公式中的參數(shù)，在實(shí)際中又不能及時(shí)取得，難以應(yīng)用。只能靠人工觀測(cè)異重流到達(dá)壩前的時(shí)間，來(lái)開(kāi)閘排沙。這樣，往往錯(cuò)過(guò)了最佳的排沙時(shí)機(jī)，降低了排沙效率，甚至存在異重流到達(dá)壩前，沒(méi)有開(kāi)閘排沙的可能，造成壩前的大量淤積。為了用最少的水量獲得最優(yōu)的排沙效果，必須解決異重流到達(dá)壩前時(shí)間、排沙泄量關(guān)系確定問(wèn)題。

鑒于上述存在的問(wèn)題我們與省內(nèi)科研院校合作，在室內(nèi)外試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了馮家山水庫(kù)泥沙跟蹤自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是無(wú)人值守的實(shí)時(shí)水文泥沙數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其特征是數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、自動(dòng)傳輸，數(shù)據(jù)直接由計(jì)算機(jī)處理、顯示，主要的水文泥沙要素實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?？朔艘酝斯び^測(cè)水沙不及時(shí)、速度慢和憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行水沙調(diào)度的缺點(diǎn)。自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確地觀測(cè)和跟蹤異重流的發(fā)生發(fā)展過(guò)程，自動(dòng)測(cè)量含沙量，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度，按最佳運(yùn)行方式自動(dòng)控制排沙過(guò)程。

該系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模為“1∶1∶4”，即系統(tǒng)由 1 個(gè)中心站、1個(gè)中繼站和4個(gè)泥沙遙測(cè)斷面組成。主中心站設(shè)在馮家山水庫(kù)樞紐管理處院內(nèi)中心控控制樓，中繼站設(shè)在水庫(kù)庫(kù)區(qū)左岸靈山上，4個(gè)泥沙遙測(cè)斷面中有3個(gè)在庫(kù)區(qū)，布設(shè)方式均為一點(diǎn)法，1個(gè)在壩后河道，布設(shè)方式為三點(diǎn)法。其中12號(hào)斷面為入庫(kù)斷面，有泥沙傳感器9個(gè)，主要跟蹤入庫(kù)洪峰流量的泥沙含量、入庫(kù)時(shí)間等；6號(hào)斷面為庫(kù)區(qū)斷面，有泥沙傳感器3個(gè)，主要跟蹤泥沙在庫(kù)區(qū)運(yùn)行的厚度、含沙量及泥沙的溫度等情況；2號(hào)斷面為壩前斷面，有泥沙傳感器3個(gè)，主要跟蹤泥沙運(yùn)行到壩前含沙量和到達(dá)壩前的時(shí)間等；壩后泥沙觀測(cè)斷面，有泥沙傳感器9個(gè)，主要跟蹤出庫(kù)泥沙含沙量、泥沙溫度等。

系統(tǒng)的建成，可對(duì)入庫(kù)流量和含沙量、庫(kù)區(qū)泥沙的運(yùn)動(dòng)情況，以及出庫(kù)流量和含沙量等水文泥沙要素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為水庫(kù)最優(yōu)排沙方案提供科學(xué)依據(jù)。以2003年汛期來(lái)洪來(lái)沙作對(duì)比，若按每年2場(chǎng)洪水，其洪水量級(jí)按100m3/s計(jì)，據(jù)估算，年排沙可節(jié)約水量100萬(wàn)m3左右，年可多向庫(kù)外排出泥沙50～100萬(wàn)t，直接經(jīng)濟(jì)效益為150萬(wàn)元，基本上達(dá)到了用最小的水量排出更多泥沙的目的，運(yùn)行一年均可收回成本。因而它對(duì)減少水庫(kù)淤積、延長(zhǎng)水庫(kù)壽命、提高水庫(kù)綜合效益及水庫(kù)工程正常運(yùn)行和科學(xué)管理等都具有不可代替的重要作用。

2.4 利用原金屬結(jié)構(gòu)設(shè)深水擋水圍堰

溢洪洞進(jìn)口拱形檢修閘門為鋼結(jié)構(gòu)，由上下兩節(jié)拼裝，利用螺桿連接，其底板高程為693.5m，檢修平臺(tái)高程714.5m，兩者相差20.5m，按當(dāng)初庫(kù)水位計(jì)算水深約8.5m，而溢洪洞進(jìn)口兩側(cè)擋水墻相距10m，擋水墻兩側(cè)向外呈喇叭口狀。要高質(zhì)量按期完成對(duì)溢洪洞進(jìn)口閘門的改造，其難點(diǎn)是如何處理好深水擋水圍堰和止水問(wèn)題，目前省內(nèi)外還無(wú)成熟、可靠的處理此類問(wèn)題的技術(shù)方案。我們與監(jiān)理、施工單位精心研究、優(yōu)化方案，利用拆除的原拱門鋼結(jié)構(gòu)，進(jìn)行加工改造后，安裝在擋水墻喇叭口段，作為深水擋水鋼圍堰，這不僅為閘槽施工提供空間，也達(dá)到了保證工期和節(jié)約投資的目的。

2.5 開(kāi)關(guān)站采用微機(jī)自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)

樞紐地區(qū)開(kāi)關(guān)站是水庫(kù)各閘門動(dòng)力用電及管理設(shè)施運(yùn)行調(diào)度、防汛和生產(chǎn)生活的唯一電源。電源的可靠性關(guān)系著水庫(kù)的安全，水庫(kù)的安全關(guān)系著寶雞市和關(guān)中經(jīng)濟(jì)帶的安全，為提高電源可靠性，我們與設(shè)計(jì)單位通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，從提高繼電保護(hù)系統(tǒng)的安全可靠性入手，對(duì)10kV輸電線路開(kāi)關(guān)站采用了微機(jī)保護(hù)監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用分層分布式技術(shù)，一體化、模塊化設(shè)計(jì)，兼容性強(qiáng)，設(shè)計(jì)維護(hù)方便，可全面實(shí)現(xiàn)變電站、開(kāi)關(guān)站的綜合自動(dòng)化及無(wú)人值班。其選用的JSY—2000系列化微機(jī)保護(hù)測(cè)控智能單元，可實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站電器設(shè)備的保護(hù)、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)及遙信功能、遠(yuǎn)程傳輸；配置的多通信轉(zhuǎn)換功能模塊，具備不同的通訊方式，能與上端控制中心構(gòu)成以太網(wǎng)。

2.6 深孔灌漿探視裂縫

在原來(lái)大壩加固灌漿工程施工中，右壩肩基巖高程695m以上砂卵石層為混凝土防滲墻，其下為防滲帷幕。在混凝土防滲墻內(nèi)，單位吸水率一般小于0.03L/（min·m·m）；在混凝土防滲墻以下7～23m的基巖層內(nèi)，單位吸水率在0.1L～0.03L/（min·m·m）之間，23m以下單位吸水率一般小于0.03L/（min·m·m）。從資料可以看出，混凝土防滲墻質(zhì)量是好的，基本能滿足防滲要求。但由于在混凝土防滲墻施工時(shí)，對(duì)砂卵石層下部風(fēng)化破碎基巖處理不徹底，造成該接觸帶滲漏較為嚴(yán)重。地面30～40m以下弱風(fēng)化基巖，整體看透水性弱，局部滲漏較大。按照該次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)要求，帷幕灌漿軸線采用原設(shè)計(jì)軸線，孔位在原設(shè)計(jì)灌漿孔間內(nèi)插對(duì)原帷幕進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。因帷幕施灌各區(qū)段地質(zhì)條件有很大差異，特別是右壩段混凝土防滲墻運(yùn)行20多年質(zhì)量到底如何，鉆孔能在原帷幕軸線上嗎？鉆孔內(nèi)基巖是否破碎，裂縫是否發(fā)育，滲漏量程度到底如何等，帶著這些疑問(wèn)，為了做到有的放矢，在右壩肩帷幕灌漿中，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對(duì)右岸防滲帷幕灌漿K98、K94、K82三個(gè)先導(dǎo)孔進(jìn)行了孔內(nèi)電視測(cè)試。測(cè)試儀器采用改裝的ST—1型水井檢查彩色電視系統(tǒng)，利用準(zhǔn)50探頭，在準(zhǔn)75的孔內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)微型攝像機(jī)探視孔內(nèi)地質(zhì)狀況，使壩體孔內(nèi)70多m深地質(zhì)情況盡收眼底，屏幕右上角顯示的數(shù)字為孔深數(shù)，以孔管口上沿作為零點(diǎn)測(cè)試孔的深度。通過(guò)測(cè)試，進(jìn)一步弄清了混凝土防滲墻深度、基巖狀況及與基巖的接觸狀況，完善了灌漿程序，驗(yàn)證并確定了鉆孔單位吸水量、吸漿量、灌漿壓力、鉆孔深度、結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)指標(biāo)和施工參數(shù)，為大面積帷幕灌漿打下了基礎(chǔ)，取得了很好的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

馮家山水庫(kù)經(jīng)過(guò)幾年的除險(xiǎn)加固工程建設(shè)，徹底摘掉了病險(xiǎn)庫(kù)的帽子。在除險(xiǎn)加固工程中通過(guò)新技術(shù)的應(yīng)用，使水庫(kù)除險(xiǎn)加固方案科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理，從而有力地確保了除險(xiǎn)加固工程的質(zhì)量和進(jìn)度，又為國(guó)家節(jié)省投資上百萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效果十分顯著。