石門水庫除險加固工程泄洪洞改建方案研究

曹 畑，張 高，居 浩

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院,貴州 貴陽 550081）

1 工程概況

石門水庫位于陜西省漢中市漢江上游支流的褒河峽谷出口以上1.8 km處,距漢中市18 km,壩址以上流域面積3861 km2,是一座以灌溉為主,結(jié)合防洪、發(fā)電、城市供水等綜合利用的大（2）型水庫。水庫總庫容1.09億m3,正常蓄水位618 m,死水位595 m,設(shè)計(jì)洪水位615.87 m,設(shè)計(jì)灌溉農(nóng)田51.5 萬畝,電站裝機(jī)40.5 MW,設(shè)計(jì)年發(fā)電量1.41 億kW·h。水庫樞紐由混凝土雙曲拱壩、壩身泄洪中孔、泄洪排沙底孔、左岸泄洪洞、右岸河床電站等組成。其中,現(xiàn)狀的左岸泄洪洞由進(jìn)口引渠段、岸塔式進(jìn)水口段、有壓隧洞段、出口閘室段、出口明渠段組成,最大總泄量530 m3/s,進(jìn)口引渠段長約30 m,渠底高程596.00 m。岸塔式進(jìn)水口,進(jìn)口底高程596.00 m,進(jìn)水口后接內(nèi)徑6.8 m圓形有壓隧洞,隧洞總長419.6 m。出口閘室段長22.0 m,閘底板高程542.00 m,出口明渠段水平長28.0 m,底坡2%,底寬由4.4 m擴(kuò)大為10.3 m,采用底流消能方式。

2 現(xiàn)狀左岸泄洪洞存在的問題

（1）洞身負(fù)壓問題

根據(jù)水力學(xué)復(fù)核計(jì)算成果[1],庫水位615.00 m、618.00 m、619.50 m全開泄洪時,隧洞洞頂最小水頭均在隧洞第一水平轉(zhuǎn)彎段末端,分別為-2.44 m、-0.15 m、0.99 m。模型試驗(yàn)成果表明[1],庫水位615.00 m、619.50 m全開泄洪時,隧洞洞頂最小水頭均在隧洞第一水平轉(zhuǎn)彎段中間位置,分別為-2.61 m、0.79 m。隧洞第一水平轉(zhuǎn)彎段中間位置橫斷面水壓力測量值成果表明[1],彎道橫斷面左右兩側(cè)存在水壓力差,彎道段隧洞內(nèi)水壓力最小值分別為-3.5 m、0 m。因此,泄洪洞在運(yùn)行過程中洞身存在負(fù)壓問題。

（2）泄洪調(diào)度問題

由于水庫在低水位時洞內(nèi)有負(fù)壓存在,在實(shí)際運(yùn)行中對泄洪洞出口工作弧門開啟運(yùn)行提出要求：設(shè)計(jì)洪水位615.87 m時,不允許開啟工作門；正常蓄水位618.00 m時,可以局開工作閘門；校核洪水位619.50 m時,可以全開工作閘門。左岸泄洪洞僅適合在校核洪水位619.50 m以上時運(yùn)行,不能充分發(fā)揮泄洪洞有效的調(diào)洪泄洪作用,對泄洪調(diào)度產(chǎn)生了一定的影響。

（3）水庫排沙清淤問題

根據(jù)目前的測量成果[2],水庫淤積量為4466 萬m3,占總庫容的42.54%。壩前的泥沙淤積和柴草樹木石塊的沉積已經(jīng)對河床電站進(jìn)水口、底孔的運(yùn)行和東、西干渠正常引水構(gòu)成威脅。由于淤積嚴(yán)重,降低了水庫調(diào)蓄能力,甚至將威脅水庫使用壽命及安全運(yùn)行；水庫淤積發(fā)展到壩前,除影響閘門的啟閉外,還將使大量粗泥沙進(jìn)入引水系統(tǒng),造成灌溉渠道淤積影響農(nóng)田灌溉,或嚴(yán)重磨損電站水輪機(jī)的過流部件；庫區(qū)泥沙的大量淤積,可能造成有害物質(zhì)沉積于庫底,污染水庫和周圍環(huán)境,并且將會覆蓋魚類的產(chǎn)卵地,影響魚類繁殖等。

現(xiàn)狀左岸泄洪洞存在泄洪調(diào)度不靈活、低水位運(yùn)行時部分洞段有負(fù)壓及水庫排沙清淤等問題,嚴(yán)重影響石門水庫的運(yùn)行調(diào)度,需要對泄洪洞布置及結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。

3 泄洪洞改建方案

3.1 改建方案初擬

基于左岸泄洪洞現(xiàn)狀存在的問題,需對左岸泄洪洞進(jìn)行改建,結(jié)合現(xiàn)場條件和已建建筑物情況,對左岸已有泄洪洞進(jìn)水口及“龍?zhí)ь^”段（樁號0+000.000 m～0+192.949 m）進(jìn)行改造,0+192.949 m以后洞段保持不變,總共利用原泄洪洞244 m。改造段由進(jìn)口明渠段、進(jìn)水口段、有壓隧洞段組成,總長度約320 m；同時結(jié)合水力學(xué)復(fù)核計(jì)算成果及模型試驗(yàn)成果[1],庫水位615.00 m、619.50 m全開泄洪時,隧洞洞頂最小水頭均在隧洞第一水平轉(zhuǎn)彎段末端,分別為-2.44 m、0.99 m,數(shù)值較小,可以采用整體降低洞身段高程來解決該問題,結(jié)合水庫排沙清淤計(jì)算研究[2],為了達(dá)到理想的排沙效果,要求泄洪洞進(jìn)口底板高程降低至560.00 m,比原來底板高程596.00 m降低36 m,洞身負(fù)壓問題隨之解決；進(jìn)口底板高程降低后,泄洪洞可以降低庫前水位滿足排沙需要和兼顧排沙的作用。

3.2 改建方案比選

（1）岸塔式進(jìn)水口方案

在原進(jìn)水口上游44 m處開挖一段明渠,長度約80 m,底板高程560 m,明渠與原進(jìn)水口之間采用隧洞連接,隧洞進(jìn)口處設(shè)置岸塔式進(jìn)水口,結(jié)構(gòu)形式與原進(jìn)水口保持一致,布置一道事故檢修閘門和一道攔污柵,進(jìn)水口頂部高程622.50 m,拆除原進(jìn)水口排架柱及啟閉設(shè)備,新老進(jìn)水口之間采用跨度為44 m的交通橋連接,下游與原泄洪洞“龍?zhí)ь^”底部（樁號0+192.949 m）處順接,坡比6%,泄洪洞下游及出口段（樁號0+192.949 m～0+482.328 m）保持不變。

（2）豎井式進(jìn)水口方案

結(jié)合已有左岸泄洪洞布置形式,對其進(jìn)水口及“龍?zhí)ь^”段（樁號0+000.000 m～0+192.949 m）進(jìn)行改造,在原進(jìn)水口上游10 m處設(shè)置事故檢修閘門豎井,豎井底板高程560 m,豎井高度36 m,豎井上部澆筑進(jìn)水口,頂部高程622.50 m,拆除原進(jìn)水口排架柱及啟閉設(shè)備,新老進(jìn)水口之間采用跨度為10 m的交通橋連接。豎井上游通過約93 m長隧洞連接庫區(qū),隧洞進(jìn)口處設(shè)置一道攔污柵,下游與原泄洪洞“龍?zhí)ь^”底部（樁號0+192.949 m）處順接,坡比7.04%,泄洪洞下游及出口段（樁號0+192.949 m～0+482.328 m）保持不變。

3.3 方案比選結(jié)論

（1）從工程布置來看,岸塔式進(jìn)水口方案離原進(jìn)水口約44 m,需要大面積進(jìn)行土石方明挖,對庫區(qū)和大壩擾動較大,最大開挖高度達(dá)76 m,存在地質(zhì)條件變化、高邊坡穩(wěn)定等問題；豎井方案緊靠原進(jìn)水口,距離約10 m,地形、地質(zhì)條件與原進(jìn)水口相當(dāng),主要為洞挖和井挖,對庫區(qū)和大壩擾動較小,且該方案只需設(shè)置跨度為10 m的交通橋便可與大壩交通連接,而岸塔式進(jìn)水口方案需要設(shè)置跨度為44 m的交通橋,增加了結(jié)構(gòu)布置和施工組織難度,不利于加快施工進(jìn)度,因此豎井式進(jìn)水口方案較優(yōu)。

（2）從泄洪洞過流能力方面來看,兩個方案底板均降低至高程560 m,豎井式進(jìn)水口方案隧洞略比岸塔式進(jìn)水口方案長,流量系數(shù)稍小,兩個方案泄洪洞均可以全開運(yùn)行,泄洪量基本相當(dāng),兩個方案均無負(fù)壓問題。

（3）從施工條件、水庫效益、社會影響方面：豎井方案泄洪洞進(jìn)口和豎井之間有約100 m長的洞身,進(jìn)口和豎井進(jìn)水塔混凝土可以分開施工,相互不受影響；施工時段較短,水庫低水位運(yùn)行時間短,可以盡量滿足灌溉需求；出渣利用履帶吊運(yùn)至壩頂后轉(zhuǎn)運(yùn)至渣場,不需要單獨(dú)布置施工道路進(jìn)行出渣。岸塔式進(jìn)水塔只能在明渠開挖完成后才能施工,開挖土石方量8萬m3,開挖難度大,時段長,開挖渣料容易落入水庫內(nèi),且需要布置施工臨時公路,施工難度大,投資高,另外臨時公路施工占用枯期時段長,需要水庫降低水位運(yùn)行的時間約6個月,對下游漢中市及農(nóng)業(yè)灌溉用水將產(chǎn)生極大的影響,因此豎井式進(jìn)水口方案較優(yōu)。

（4）從主要工程量及投資對比表可以看出,岸塔式方案建筑工程投資為3456 萬元,豎井式方案建筑工程投資為3117 萬元,豎井式方案比岸塔式方案低339 萬元,豎井式進(jìn)水口方案較優(yōu)。

表1 主要工程量及投資對比表

經(jīng)工程布置條件、運(yùn)行條件、排沙效果、施工導(dǎo)流、施工安全風(fēng)險、工期、工程量及投資等綜合比選分析,豎井式方案布置簡單,運(yùn)行條件好,施工難度不大,水庫恢復(fù)功能時段短,投資小,推薦其作為泄洪洞改建方案。

4 結(jié)語

石門水庫左岸泄洪洞改建后,可以降低庫前水位滿足排沙需要和兼顧排沙的作用,泄洪洞泄流能力與原泄洪洞基本相當(dāng),洞頂壓坡線滿足規(guī)范要求,泄洪運(yùn)行調(diào)度不再受到洞身負(fù)壓的影響,可以根據(jù)實(shí)際需要啟用泄洪洞參與泄洪,操作較為靈活。本次泄洪洞改建方案,解決了原泄洪洞洞身負(fù)壓、泄洪調(diào)度和排沙減淤等問題,可為類似除險加固工程提供借鑒。