淺談石門水庫除險加固工程布置及特點

彭繼樂，李 波，謝世軍

（1.中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.漢中市石門水庫管理局，陜西 漢中 723000）

0 引言

水利工程在防洪減災、蓄水灌溉、農(nóng)村飲水等方面起著重要的作用，在國民經(jīng)濟和水利建設方面占有重要的地位。我國許多中小型水庫建于上世紀六、七十年代，由于當時資金少，材料短缺，施工技術(shù)落后，造成先天不足，而且這些水庫后期維修加固的投入少，許多工程都年久失修。這類水庫帶病運行對人民的生活和財產(chǎn)都有著巨大的威脅，迫切需要除險加固。通過對樞紐工程設施進行加固處理，確保工程能夠達到原有設計需求，達到運行可靠安全的目標。

1 工程概況

石門水庫位于陜西省漢中市漢江上游支流褒河峽谷出口以上1.8 km，距下游河東店鎮(zhèn)3 km，南到漢中市18 km，是一座以灌溉為主、結(jié)合發(fā)電等綜合利用的大（2）型水利工程。樞紐工程由混凝土拱壩、河床電站、東西干渠引水渠首、下游反調(diào)節(jié)池、南干渠首等建筑物組成，見圖1。

圖1 樞紐平面布置圖

工程于1969 年10 月動工興建，1972 年4 月下閘蓄水，1983 年建成。2014 年南京水科院受石門水庫管理局委托開展大壩安全鑒定工作，結(jié)論為：石門水庫大壩存在病險與安全隱患，壩頂超高不滿足規(guī)范要求，左岸泄洪洞不能按設計正常使用而影響防洪安全；水庫泥沙淤積較為嚴重，應屬“三類壩”，建議除險加固。

2 除險加固工程布置方案

2.1 大壩除險加固處理原則

結(jié)合本工程特點，除險加固方案應因地制宜，擬定處理原則：（1）本工程已運行近40 余年，樞紐區(qū)與周邊環(huán)境已協(xié)調(diào)，除險加固方案布置和施工組織設計選取應避免對拱壩結(jié)構(gòu)、壩肩抗力體等造成破壞；（2）本工程為國家級4A 景區(qū)，方案布置應減少破土施工，特別應減少對景區(qū)環(huán)境和文化氛圍的破壞；（3）本工程右岸壩前，左岸下游壩肩各有一處國家級文物，方案布置應避開文物保護范圍，不能避開應采取措施對文物保護；（4）工程除險加固方案應盡量減小對工程任務的影響，減小除險加固期間發(fā)電損失。

2.2 除險加固方案擬定

本工程大壩除險加固設計方案主要圍繞大壩自身防洪安全和水庫排沙減淤進行，保持水庫樞紐布置格局不變。

綜合石門水庫建筑物布置格局和地形地質(zhì)條件，除險加固設計采用有兩種思路：第一種思路為增大泄流和排沙能力，不增加防洪庫容；第二種思路是增加防洪庫容，增大排沙能力，不改變泄流能力。

圍繞上述原則和思路，擬定三個方案：（1）擴建底孔方案；（2）右岸新增泄洪洞方案；（3）大壩加高+改造左岸泄洪洞方案。其中擴建底孔方案和右岸新增泄洪洞方案均屬于第一種思路，其不加高大壩，不增加防洪庫容；通過增、擴建泄洪建筑物，既增大泄流，又增加排沙能力。加高大壩+改造左岸泄洪洞方案屬于第二種思路，通過加高大壩增加防洪庫容；同時改建原泄洪洞，降低其進口高程，達到增大排沙能力的目的，基本不改變泄流能力。

2.3 除險加固方案比較分析

（1）石門水庫建成后，壩踵8#～12# 壩段出現(xiàn)水平向拉裂縫、底孔也在1998 年安全鑒定時發(fā)現(xiàn)環(huán)縫，且根據(jù)大壩應力分析，壩體局部應力超標。石門水庫建成40 余年，擴建泄洪底孔可能影響大壩結(jié)構(gòu)安全；爆破和混凝土施工難度大、施工期度汛風險高；故擴建泄洪底孔方案不適宜本工程。

（2）右壩肩地質(zhì)條件相對較差，山脊較為單薄，發(fā)育有E 號背斜，巖體擠壓、扭曲強烈，裂隙發(fā)育，巖體完整性較差，地下洞室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差；現(xiàn)已有導流洞和河床電站、西干渠引水管線，布置隧洞空間有限。且右岸壩前水下保存有國家級文物“山河堰遺址”，占據(jù)了泄洪洞進口區(qū)域。對其保護、搬遷等工作難度大，費用高，工期長，需長時段放空水庫，影響工程灌溉任務，故右岸新增泄洪洞方案不適宜本工程。

（3）加高大壩增加了水庫有效庫容，除了防洪效益外，還可以增加水庫灌溉和發(fā)電效益，利用大壩加高的有利時機改善防汛交通和壩頂形象面貌，使之與景區(qū)旅游規(guī)劃相配套，提升景區(qū)星級，增加旅游收入；而改建左岸泄洪洞“龍?zhí)ь^”段，降低進口高程，既能增大泄洪排沙規(guī)模，恢復庫容，又能解決泄洪洞負壓問題；該方案通過合理的施工組織設計能保證工程安全實施并將除險加固工程施工對漢中市供水、農(nóng)業(yè)灌溉的影響降低到最小，技術(shù)、經(jīng)濟上可行。

經(jīng)上述分析，擴建底孔方案、右岸新增泄洪洞方案僅理論上成立，均具備解決石門水庫防洪和排沙減淤的問題，但存在過多限制條件，或?qū)嵤╇y度大、工程風險難以接受，或代價昂貴、影響工程任務，不具備實施性。加高大壩+改建泄洪洞方案在技術(shù)、經(jīng)濟上均可行，該方案的實施將提高水庫綜合效益，且對漢中市供水、農(nóng)業(yè)灌溉的影響最小，因此將其作為本次除險加固的推薦方案。

2.4 除險加固方案設計

（1）大壩加高

大壩壩體加高可采用垂直加高和按拱壩曲線加高兩種方式，根據(jù)本工程大壩布置特點，壩頂較窄，壩頂設施設備較多，為滿足壩頂設備設施布置要求，非溢流壩段按重力式垂直加高，見圖2。加高后壩頂寬度仍維持原設計寬度，即最小寬度5 m。泄洪中孔壩段布置有斜拉檢修門，為能延用原門機，上游仍按原11°斜坡加高，見圖3。下游垂直加高，加高后的壩體采用接縫灌漿將拱壩結(jié)合為整體形成拱作用。

圖2 壩體垂直加高剖面圖

圖3 壩體傾斜加高剖面圖

大壩中孔、河床電站、東、西干渠渠首、底孔、泄洪洞進水口閘墩垂直加高至622.50 m，啟閉排架拆除重建。新混凝土澆筑前，鑿除表層已碳化的老混凝土，沿壩體分縫縫面應增設鍵槽，布置普通砂漿錨桿，做好層面處理。壩段間按照分縫設計方案布置接縫灌漿系統(tǒng)和止水，接縫灌漿后整個加高混凝土和原拱壩形成整體，聯(lián)合受力。

（2）泄洪洞改建

原左岸泄洪洞由進口引渠段、岸塔式進水口段、有壓隧洞段、出口閘室段、出口明渠段組成，全長511.438 m，其中洞身段總長約432 m。原泄洪洞為非常泄洪洞，泄洪調(diào)度不靈活、低水位運行時部分洞段有負壓、出口泄洪霧化對沿岸影響嚴重等問題。工程改建結(jié)合水庫排沙清淤的需要，將其改建為泄洪排沙洞，并解決負壓及泄洪霧化問題，按照盡可能利用已建建筑物，滿足除險加固的功能要求進行設計。本次改建對左岸泄洪洞進水口及“龍?zhí)ь^”段（樁號0+000.000 m～0+192.949 m）進行改造，泄洪排沙洞由進口明渠段、豎井段、有壓隧洞段、出口閘室段、出口明渠段組成，岸塔式進水口位于大壩左岸東干渠進水口左側(cè)，進水口后接內(nèi)徑6.8 m 圓形有壓隧洞，閘門豎井位于隧洞0+114.93 m 樁號，豎井高度36 m，下游與原泄洪洞“龍?zhí)ь^”底部（樁號0+192.949 m）處順接，坡比6.69%，泄洪洞下游及出口段（樁號0+192.949 m～0+482.328 m）保持不變。見圖4、圖5。

圖4 泄洪洞改造平面布置圖

圖5 泄洪洞改造剖面布置圖

改造后的泄洪排沙洞進口底板高程降低至560.0 m，解決了洞身負壓問題并滿足水庫排沙清淤的需要；結(jié)合水工模型試驗成果，對消能工進行局部改造，采用較小的貼角體，改變水流流態(tài)，減弱泄洪霧化程度。

3 除險加固項目特點

（1）除險加固方案布置及施工組織設計要結(jié)合工程特點，因地制宜，盡可能避免對已有水工建筑物結(jié)構(gòu)造成破壞，減少對周邊環(huán)境和文化氛圍的破壞。

（2）除險加固方案要盡量減小對工程任務的影響，減小除險加固施工期間效益損失。

（3）設計中要充分考慮工程特點、施工條件、施工道路等因素，確保工程順利實施。

4 結(jié)論

石門水庫是漢中市重要的灌溉水源、國家級水利風景區(qū)、漢江重要的滯洪錯峰水庫，水庫大壩一旦失事，將造成巨大的社會和經(jīng)濟損失。石門水庫進行除險加固后，將持續(xù)發(fā)揮水庫的灌溉供水、滯洪錯峰等綜合效益，為城市發(fā)展注入新的活力。

對水利工程除險加固設計、施工而言，需要注意合理運用相關(guān)技術(shù)和各種施工工藝，尤其是對于有著較大安全隱患的水利工程，更應該結(jié)合與之相關(guān)的技術(shù)資料和勘探結(jié)果，對除險加固的方案進行不斷推敲、完善和改進。本文除險加固方案選取過程中提出的原則和項目特點，可為同類項目在實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境效益、社會效益、經(jīng)濟效益、公共服務效益等方面提供借鑒。