石人溝水庫泄洪閘樞紐除險加固設計方案綜述

劉 歡

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院,哈爾濱 150080)

1 工程概況

石人溝水庫位于雙城區萬隆鄉和杏山鎮境內,地處拉林河和松花江三角地帶,距雙城區約60km。壩址地理坐標為E125°41′,N40°25′。水庫集水面積540km2。水庫為中型平原水庫,本工程為Ⅲ等,主要建筑物的級別為3級,采用洪水設計標準為50a一遇洪水設計,200a一遇洪水校核。水庫呈狹窄長條形布置,主壩位于庫區首端,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年對海漫進行維修,對泄洪閘、輸水洞所有啟閉設備進行更換。2020年8月雙城區水務局對石人溝水庫大壩安全進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重安全隱患,需要進行除險加固工程處理[1]。

2 泄洪閘樞紐除險加固的必要性

2.1 工程現狀存在的安全隱患

2.1.1 溢洪道

溢洪道二級消力池首節U型槽左側翼墻向臨水側傾斜,翼墻上游側頂端傾斜近22cm,翼墻下游側頂端傾斜10cm左右。右側翼墻未見明顯傾斜,存在結構縫張開、止水破壞情況。消力池首節U型槽底板下游分縫處左側(靠近傾斜翼墻側),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象,水流通過結構縫流出淘刷墻后壩體,泄洪閘、一級消力池及二級消力池翼墻分縫處背水側均出現過淘刷現象,嚴重部分1d左右時間墻后淘刷出1m深的坑,現狀均采用碎磚頭、碎石等進行了回填,進而影響泄洪閘側向滲流穩定。消力池末端擋土墻向臨水側傾斜,頂端傾斜位移達7cm。泄洪閘混凝土表面存在大面積剝蝕現象。泄洪閘海漫段干砌石護坡松動,局部塊石缺失。

2020年11月管理單位采用鋼桁架對消力池兩側邊墻進行了臨時支護,同時對墻后填料采用堆石替換。在墻后施工開挖期間,發現在上游開挖面有嚴重滲水現象。

泄洪閘檢修門啟閉平臺挑板施工時鋼筋綁扎不合理,結構強度不夠,采用鋼管臨時支撐。泄洪閘工作門和檢修門存在輕微銹蝕現象。泄洪閘檢修門啟閉機銹蝕嚴重,不能正常工作。泄洪閘閘室段及進口U型槽段存在大面積凍融剝蝕現象,2021年8月除險加固設計查勘期間,在上游進口段左側翼墻與閘室分縫處背水側,查勘人員用腳輕踩在上游壩肩側便出現一塌陷坑,上口直徑約50cm,深度無法探明。

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行。

輸水洞進口工作門和檢修門存在輕微銹蝕現象。輸水洞兩側分水閘們銹蝕嚴重,基本失效。輸水洞兩側分水閘啟閉機銹蝕嚴重。

2.2 地區社會發展及防洪安全的需要

雙城區石人溝水庫是一座以防洪、灌溉為主,兼顧養魚等綜合利用的中型水庫。石人溝水庫位于雙城區萬隆鄉和杏山鎮境內,地處拉林河和松花江三角地帶。其地理位置及社會經濟地位非常重要。

隨著雙城區域經濟建設的發展,石人溝水庫下游防護對象也隨之發生變化,且日益重要。目前水庫下游防護對象主要為板子房村、老燒鍋、多口店、蘇家崴子、增產村、順利村、臨江村、保國村等8個自然村,一個牛奶養殖場、一條鄉級公路以及下游的松花江、拉林河堤防(韓陽堤防、多口店堤防)、保護人口約7500人,保護耕地1466.67hm2。灌溉耕地3393.33hm2,養魚提供水面746.67hm2。且隨著經濟的不斷發展,水庫防洪保護人口及防護對象將不斷增加,因此為了保障區域經濟建設安全、穩步、快速發展,保障水庫下游防護對象及人民生命財產安全,對石人溝水庫進行必要的除險加固是非常必要的,也是十分迫切的。

2.3 水庫工程本身的需要

2020年10月,雙城區石人溝水庫大壩安全鑒定為“三類壩”,鑒定結論建議采取措施消除工程安全隱患。從水庫實際運行情況看,水庫大壩、溢洪道、輸水洞等都存在嚴重的問題,水庫為帶病運行,尤其是水庫泄洪建筑物險情嚴重,現狀僅采取了臨時支護措施。

石人溝水庫地理位置重要,下游防洪保護8個村屯7500人,以及鄉鎮公路、1466.67hm2農田、2段國堤;水庫每年可為3393.33hm2耕地提供灌溉保障,可為一個漁提供養殖水面。水庫建成以來為雙城區農業生產提供了有利條件,促進了該地區經濟發展,發揮了巨大的經濟效和社會效益。為確保石人溝水庫大壩安全運行,鞏固和發揮水庫的已有效益和保護下游人民生命財產安全,水庫存在比較嚴重的險情,一旦失事后果十分嚴重,進行水庫除險加固十分必要。

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重的結構安全問題,進而影響到水庫的泄洪安全,目前溢洪道消力池段翼墻僅采取鋼管臨時支撐,為保證水庫泄洪安全,據大壩安全鑒定結論,本次除險加固設計主要對在現狀泄洪閘樞紐下游消能實施進行拆除重建。考慮閘室和下游渠底高差較大,常用消力池結構型式有兩級消力池和斜坡連接消力池兩種型式,現對兩方案進行比選。

3.1.1 方案一:兩級消力池方案

現狀泄洪閘閘室后消力池拆除重建,新建消力池采用二級消力池方案。

閘室后接一級消力池,結構為鋼筋混凝土U型槽,池長26m,底流消能,池深2m,凈寬由7m漸變到13m,一級消力池分三段布置,第一段為跌水段,長11m,跌差3.5m,第二段為平直段長9m,第三段為消力坎段長6m,橫穿泄洪閘的灌溉洞洞身兼做消力坎。二級消力池長20m,凈寬13m,池深0.7m,結構為鋼筋混凝土U形槽,分兩節布置,每節長10m,二級消力池為直跌型式,一級消力池坎頂到二級消力池底板高差6m,一級消力池底板設有輔助消能工,垂直水流方向每60cm設置一個。池后為干砌石海漫段,長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型槽結構,陡坡段水平長33.0m,分兩節布置,每節16.5m長,底高程由129.0m通過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型槽結構,池深1.5m,池長22.0m,分兩節布置,每節長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鋼筋混凝土懸臂式擋土墻。

現將兩方案從主體工程量、工程投資等方面進行比較,詳見表1。

表1 泄洪閘樞紐除險加固方案比選表

通過比較表可以看出,斜坡連接消力池方案與兩級消力池方案相比,投資低于兩級消力池方案,混凝土澆筑量、鋼筋制安量比兩級消力池方案少,施工進度能短一些。考慮原泄洪閘樞紐為兩級消力池方案,在實際運行中存在一級消力池末端下泄水流對二級消力池底板產生較大沖刷作用,尤其是對底板分縫處容易產生破壞作用。同時二級消力池兩側翼墻較高,結構型式受力條件不好[2]。

故從工程投資、混凝土澆筑量上比較,并結合實際運行情況,本次除險加固泄洪閘閘室段下游消能防沖設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計

本次除險加固對泄洪閘樞紐進行維修加固,保留進口鋪蓋及兩側擋墻、壩頂以下閘室段,對剝蝕混凝土修復,對撕裂的止水鑿除后進行更換,排架及啟閉機房拆除重建。

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。

除險加固內容如下:

3.2.1 進口鋪蓋段維修加固

本次除險加固進口鋪蓋段現狀結構布置不變,對翼墻水位變動區以下(設計水位132.90m)剝蝕的混凝土進行鑿除露筋并除銹后,涂抹界面劑,采用環氧混凝土進行修補。對翼墻、底板止水撕裂缺失的結構縫,在縫迎水側兩側各鑿除寬25cm,深25cm混凝土,將撕裂的止水取出,將銅片止水置入,通過鉚釘將止水固定在現狀翼墻上,后采用環氧混凝土對鑿除的混凝土進行恢復。

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

3.2.2 閘室段維修加固

本次除險加固設計,泄洪閘及輸水洞墩頂以下結構布置不變,對泄洪閘水位變動區以下剝蝕的混凝土及輸水洞閘室段剝蝕的混凝土進行修復,修復方式同進口鋪蓋段。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構,排架高4.0m,排架基礎分別通過錨筋固定在泄洪閘閘墩上,排架上設有工作橋,工作橋頂高程139.10m。工作橋上及輸水洞上新建啟閉機房65.7m2,采用磚混結構[3]。

3.2.3 閘室下游段拆除重建

3.2.3.1 泄洪閘下游段

本次除險加固,拆除現狀兩級消力池,新建陡坡段及消力池和海漫段,同時對海漫下游河道彎道處進行護砌。

陡坡段采用整體式鋼筋混凝土U型槽結構,陡坡段水平長33.0m,分兩節布置,每節16.5m長,底高程由129.0m通過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型槽結構,池深1.5m,池長22.0m,分兩節布置,每節長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鋼筋混凝土懸臂式擋土墻。

消力池末端接海漫段,海漫段長41m,末端接拋石防沖結構,總長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長護底采用50cm厚鋼筋石籠護砌,下設20cm厚碎石墊層、10cm厚砂礫石墊層及無紡布一層。海漫段后29.0m長護底及海漫段兩側邊坡護砌均采用40cm厚格賓石籠護砌,下設20cm厚碎石墊層、10cm厚砂礫石墊層及無紡布一層,海漫兩側岸坡坡比1∶2.0。根據現狀海漫段塊石質量情況,新建海漫段考慮部分利用原海漫段拆除的塊石[4]。

對下游渠道彎道處河道采用40cm厚格賓石籠護砌,下設20cm厚碎石墊層、10cm厚砂礫石墊層及無紡布一層,坡比1∶2.0。

3.2.3.2 輸水洞下游段

本次除險加固,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33.0m,分二節布置,均16.5m長,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14.75m,采用整體式鋼筋混凝土U型槽結構,凈寬2.0m,底高程126.00m,墻頂高程129.80m。在消力池末端兩側翼墻距離底板1m高程處各預留一分水口,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。閘室內設機閘一體鑄鐵閘門。

其中閘室段布置在輸水洞消力池末端兩側翼墻上,孔口尺寸1.5m×1.5m,閘室內設機閘一體鑄鐵閘門。

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型槽渠道末端與現狀土渠通過擋土墻銜接。

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構,長12.5m,凈寬1.5m,基礎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型槽渠道末端與現狀土渠通過擋土墻銜接。

4 結 論

石人溝水庫溢洪道因年久失修及強降水引發的洪水,造成了水庫溢洪道破壞,溢洪道可能喪失泄洪能力,同時影響壩體安全,存在安全隱患,水庫灌溉效益無法得到保障。通過采取工程措施,消除了水庫安全隱患,保證了水庫功能,為類似的水庫泄水建筑物除險加固方案設計提供借鑒。