三架山水庫(kù)輸水洞除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案研究

楊偉娟

摘 要：該文針對(duì)三架山水庫(kù)輸水洞歷次治理工程中存在的病險(xiǎn)問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，全面分析已有歷次規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理資料，充分論證存在的病險(xiǎn)問(wèn)題并滿足水庫(kù)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(xiǎn)加固后安全度及工程投資等方面對(duì)輸水洞除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)比選，最終推薦拆除重建的設(shè)計(jì)方案，該方案能徹底解決三架山水庫(kù)輸水洞接觸滲漏問(wèn)題，施工技術(shù)較為成熟，且施工質(zhì)量易于保證，工期雖長(zhǎng)但有保障。工程除險(xiǎn)加固后水庫(kù)蓄水效益顯著，對(duì)類(lèi)似工程設(shè)計(jì)具有借鑒作用。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TV697.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（c）-0104-02

1 原工程概述

三架山水庫(kù)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(kù)控制流域面積4.5 km2，總庫(kù)容306萬(wàn)m3。水庫(kù)始建于1964年冬季，1966年竣工。

水庫(kù)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(zhǎng)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(wú)控制措施，左岸邊墻為石英巖，右岸為漿砌石導(dǎo)水墻。（3）輸水洞：位于大壩右壩肩樁號(hào)0+011處，進(jìn)口座落于庫(kù)區(qū)內(nèi)右岸山坡之上。洞身分為三段，①進(jìn)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(jìn)口底高程為159.30 m，出口底高程為157 m，洞身長(zhǎng)168 m，進(jìn)口斜拉閘門(mén)控制，出口為閘閥控制。

2008年12月輸水洞工程開(kāi)工，施工中對(duì)輸水洞上段拆除重建，保留下游段洞身，對(duì)出口消能工程進(jìn)行加固，2009年4月完工。

2 存在問(wèn)題

（1）工程存在的問(wèn)題：2009年9月，水庫(kù)開(kāi)始下閘蓄水，至2010年5月，庫(kù)水位達(dá)到高程167 m。2010年5月底，輸水洞開(kāi)閘放水，現(xiàn)場(chǎng)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(yán)重。

（2）存在問(wèn)題的初步分析：①輸水洞滲漏問(wèn)題由來(lái)已久，險(xiǎn)情發(fā)生后通過(guò)走訪參加過(guò)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(dāng)時(shí)的確山縣水利局組織人員曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)處理，計(jì)劃處理的方案為：沿上游壩肩向下開(kāi)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(kāi)挖后的井壁坍塌嚴(yán)重，預(yù)制砼管無(wú)法沉入而放棄。②輸水洞除險(xiǎn)加固前，水庫(kù)一直處于低水位運(yùn)行，滲漏不太嚴(yán)重，2009年除險(xiǎn)加固后開(kāi)始下閘蓄水，高水位運(yùn)行后才發(fā)現(xiàn)滲漏問(wèn)題加劇。③輸水洞運(yùn)行方式由無(wú)壓洞變?yōu)橛袎憾催\(yùn)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(xiǎn)情，本次輸水洞除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)重點(diǎn)解決輸水洞洞身滲漏及洞壁接觸滲漏問(wèn)題，消除安全隱患。綜合考慮工程安全、投資、運(yùn)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(jìn)行比選。

3.1 重建方案設(shè)計(jì)

破壩拆除重建輸水洞，新建進(jìn)、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(hù)坡；開(kāi)挖壩體，左岸開(kāi)挖邊坡坡比1∶3，右岸開(kāi)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(jìn)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(fù)：按照大壩原設(shè)計(jì)斷面尺寸回填粘土心墻和砂殼壩體，恢復(fù)大壩上游砼護(hù)坡、壩頂漿砌石防浪墻、砼路面。

3.2 豎井方案設(shè)計(jì)

開(kāi)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(kāi)挖

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

（2）豎井開(kāi)挖斷面為正方形，邊長(zhǎng)3 m，邊開(kāi)挖邊支護(hù)，豎井開(kāi)挖深度達(dá)到2 m時(shí)隨即采用標(biāo)準(zhǔn)鋼模板固壁、鋼管支撐進(jìn)行支護(hù)，豎井底部開(kāi)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(duì)粘土心墻下箱涵外側(cè)進(jìn)行水泥粘土漿充填灌漿，灌漿長(zhǎng)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(jìn)水口控制設(shè)施（同重建方案）

3.3 隧洞方案設(shè)計(jì)

老洞封堵，新開(kāi)輸水隧洞。

（1）老洞封堵：自現(xiàn)狀輸水洞進(jìn)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(jìn)行封堵，直至充填密實(shí)后在洞身進(jìn)口處澆筑鋼筋砼塞進(jìn)行密封。

（2）新開(kāi)隧洞：位置選擇在大壩右岸山體，進(jìn)水口位于現(xiàn)狀輸水洞進(jìn)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(zhǎng)192 m；進(jìn)口設(shè)塔式閘門(mén)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(duì)于上述比選的3個(gè)方案，主要不同之處在于破壩與否，從而帶來(lái)對(duì)地形及地質(zhì)適應(yīng)性、工程施工難易程度、工程除險(xiǎn)后安全性及工程投資等方面的差異，方案比選主要針對(duì)上述幾點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，最終選擇較為理想的設(shè)計(jì)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(kāi)挖后能直觀的處理不良的地質(zhì)情況，但需要高邊坡開(kāi)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(jī)械無(wú)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(gè)方案對(duì)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(jiǎn)單，施工技術(shù)成熟、砼施工質(zhì)量易于控制，工程較長(zhǎng)，需要在一個(gè)非汛期內(nèi)完成。壩體回填施工碾壓質(zhì)量要嚴(yán)格控制。

豎井方案：該方案施工設(shè)備簡(jiǎn)單，豎井開(kāi)挖施工風(fēng)險(xiǎn)大，不安全，施工環(huán)境差，質(zhì)量不易于控制，施工隊(duì)伍不易選擇。

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

總之，從施工角度講，3個(gè)方案各有千秋，重建方案施工較為簡(jiǎn)單、成熟；豎井方案施工設(shè)備簡(jiǎn)單，隧洞方案技術(shù)復(fù)雜。

3.4.3除險(xiǎn)加固后的工程安全度

如前所述，該次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是解決輸水洞洞身滲漏及洞壁接觸滲漏問(wèn)題，無(wú)論采取何種方案都要處理洞身滲漏問(wèn)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(fēng)險(xiǎn)；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(duì)洞身的封堵理論能很好解決存在的滲漏問(wèn)題，技術(shù)復(fù)雜。

3.4.4工程投資評(píng)價(jià)

重建方案工程投資498.35萬(wàn)元，豎井方案工程投資132.92萬(wàn)元，隧洞方案工程投資346.01萬(wàn)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(xiǎn)加固后安全度及工程投資等方面存在差異。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，綜合考慮工程防汛安全大局，本次方案比選認(rèn)為：重建方案較為優(yōu)越，該方案能徹底解決輸水洞滲漏問(wèn)題，施工技術(shù)成熟，且施工質(zhì)量易于保證，工期雖長(zhǎng)但有保障，故本次設(shè)計(jì)推薦重建方案。

4 重建方案設(shè)計(jì)

4.1 壩體拆除設(shè)計(jì)

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

4.2 進(jìn)口閘室段設(shè)計(jì)

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

4.2.1進(jìn)水口段

進(jìn)水口段為M7.5漿砌石斜降八字墻，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度6m，進(jìn)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?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)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(jī)房與右岸岸坡之間采用工作橋連接。

4.3 洞身段設(shè)計(jì)

輸水洞洞身原設(shè)計(jì)位于大壩樁號(hào)0+010處，該處壩基為強(qiáng)風(fēng)化破碎石英巖基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)將輸水洞軸線向右岸偏移至樁號(hào)0+014處，使進(jìn)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(zhǎng)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(jì)

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(zhǎng)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(zhǎng)5 m；漸變段為漿砌石扭面結(jié)構(gòu)形式，長(zhǎng)5 m；尾水渠段長(zhǎng)5 m，梯形斷面，底寬2 m。

4.5 壩體恢復(fù)設(shè)計(jì)

輸水洞建筑物施工完畢后，需對(duì)壩體恢復(fù)重建。壩體結(jié)構(gòu)形式仍采用原設(shè)計(jì)，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(tái)；上游戧臺(tái)以上壩坡為1∶2.5，以下壩坡為1∶3，均采用為砼護(hù)砌；下游戧臺(tái)以上壩坡為1∶2.5，以下壩坡為1∶3，為草皮護(hù)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(jì)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(kāi)挖截水槽，橫貫整個(gè)壩基并延伸到大壩右岸，設(shè)計(jì)將壩基強(qiáng)風(fēng)化石英片巖全部清除至未風(fēng)化巖基，截水槽開(kāi)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(fēng)化巖基之上澆筑C20素砼墊層后開(kāi)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(kāi)挖粘土，設(shè)計(jì)采用新選粘土料場(chǎng)開(kāi)挖土料，粘土料場(chǎng)位于大壩上游2 km山坡腳處，儲(chǔ)量完全滿足要求；根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)：壓實(shí)度不小于96%，壓實(shí)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(kāi)挖的壩體砂卵石或石渣料進(jìn)行回填。砂殼壩體壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)按相對(duì)密度確定，要求不低于0.75，具體壓實(shí)參數(shù)以現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)確定的為準(zhǔn)。

4.5.3上、下游壩坡

（1）上游壩坡設(shè)計(jì)采用C20砼進(jìn)行護(hù)砌，護(hù)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(tái)以上采用草皮護(hù)坡；戧臺(tái)以下至壩腳采用干砌塊石護(hù)砌，干砌塊石下部設(shè)反濾層。

4.5.5壩頂工程

壩頂設(shè)計(jì)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(tái)、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(yǔ)

三架山水庫(kù)地理位置重要，下游有商桐公路、駐南公路及小型水庫(kù)1座，保護(hù)人口1萬(wàn)余人、耕地2.5萬(wàn)畝，安全意義重大。由于輸水洞存在病險(xiǎn)隱患，為確保大壩安全，自2010年5月以來(lái)一直處于空庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)，水庫(kù)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(kù)輸水洞除險(xiǎn)加固工程開(kāi)工，水庫(kù)的除險(xiǎn)加固，對(duì)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(xiàn)

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