水庫輸水洞除險加固設計方案研究

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1原工程概述

三架山水庫位于駐馬店市驛城區胡廟鄉，在淮河流域洪汝河水系汝河支流玉皇河上游，水庫控制流域面積4.5km2，總庫容306萬m3。水庫始建于1964年冬季，1966年竣工。水庫工程由大壩、溢洪道、輸水洞組成。（1）大壩：粘土心墻砂殼壩，全長200m，壩頂高程178m，最大壩高24m，壩頂寬4.50m。（2）溢洪道：位于大壩左壩肩，無控制措施，左岸邊墻為石英巖，右岸為漿砌石導水墻。（3）輸水洞：位于大壩右壩肩樁號0+011處，進口座落于庫區內右岸山坡之上。洞身分為三段，①進口至粘土心墻前為直徑0.5m的現澆鋼筋砼圓涵，該段洞身座落于石英巖和碎石上；②粘土心墻下部洞身為0.6×0.6m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0.5m的現澆鋼筋砼圓涵。輸水洞進口底高程為159.30m，出口底高程為157m，洞身長168m，進口斜拉閘門控制，出口為閘閥控制。2008年12月輸水洞工程開工，施工中對輸水洞上段拆除重建，保留下游段洞身，對出口消能工程進行加固，2009年4月完工。

2存在問題

（1）工程存在的問題：2009年9月，水庫開始下閘蓄水，至2010年5月，庫水位達到高程167m。2010年5月底，輸水洞開閘放水，現場檢查發現，輸水洞下游閘房處排水溝及壩腳低洼處漏水嚴重。（2）存在問題的初步分析：①輸水洞滲漏問題由來已久，險情發生后通過走訪參加過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年代末由當時的確山縣水利局組織人員曾經進行過處理，計劃處理的方案為：沿上游壩肩向下開挖豎井至漏水的箱涵部位，采用預制砼管固壁后再處理滲漏部位，后因開挖后的井壁坍塌嚴重，預制砼管無法沉入而放棄。②輸水洞除險加固前，水庫一直處于低水位運行，滲漏不太嚴重，2009年除險加固后開始下閘蓄水，高水位運行后才發現滲漏問題加劇。③輸水洞運行方式由無壓洞變為有壓洞運行，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合部可能已經形成接觸滲流帶，這是造成下游壩腳新建圓涵外側滲漏的主要原因。

3方案比選

根據以上總結分析的輸水洞存在的工程險情，本次輸水洞除險加固設計重點解決輸水洞洞身滲漏及洞壁接觸滲漏問題，消除安全隱患。綜合考慮工程安全、投資、運行管理、效益等制約因素，初步擬定重建、豎井、隧洞3種方案進行比選。

3.1重建方案設計

破壩拆除重建輸水洞，新建進、出口控制設施。（1）壩體拆除：沿現狀輸水洞位置拆除壩頂路面、防浪墻、上下游護坡；開挖壩體，左岸開挖邊坡坡比1∶3，右岸開挖至巖石岸坡；拆除老輸水洞。（2）重建輸水洞：新建鋼筋砼塔式進水口、箱涵（斷面尺寸1.50m×1.80m、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之上。（3）壩體恢復：按照大壩原設計斷面尺寸回填粘土心墻和砂殼壩體，恢復大壩上游砼護坡、壩頂漿砌石防浪墻、砼路面。

3.2豎井方案設計

開挖豎井，直接處理粘土心墻下部已經查明的箱涵漏水部位。

3.2.1豎井開挖

(1）自壩頂處沿粘土心墻垂直開挖豎井至已經查明存在滲漏的箱涵部位，澆筑C20砼進行堵漏，形成一道外包箱涵的截水環進行截滲；(2）豎井開挖斷面為正方形，邊長3m，邊開挖邊支護，豎井開挖深度達到2m時隨即采用標準鋼模板固壁、鋼管支撐進行支護，豎井底部開挖高程必須低于現狀箱涵底部1m，即高程152m。

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，對粘土心墻下箱涵外側進行水泥粘土漿充填灌漿，灌漿長度為箱涵全段，灌漿孔沿洞頂和兩側洞壁布置3排，孔距0.8m。

3.2.3新建進水口控制設施（同重建方案）

3.3隧洞方案設計

老洞封堵，新開輸水隧洞。（1）老洞封堵：自現狀輸水洞進口處，分別向洞身內和洞身外壁水平方向充填水泥粘土漿進行封堵，直至充填密實后在洞身進口處澆筑鋼筋砼塞進行密封。（2）新開隧洞：位置選擇在大壩右岸山體，進水口位于現狀輸水洞進口上游，出水口位于現狀輸水洞出口閘閥房右側山坡處，洞身長192m；進口設塔式閘門控制，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；出口設消能段與下游河道連接。

3.4方案比選

對于上述比選的3個方案，主要不同之處在于破壩與否，從而帶來對地形及地質適應性、工程施工難易程度、工程除險后安全性及工程投資等方面的差異，方案比選主要針對上述幾點進行評價分析，最終選擇較為理想的設計方案，比較如下。

3.4.1地形及地質情況

從地形、地質情況看，重建方案需要破壩，施工在地形上不受限制，壩體開挖后能直觀的處理不良的地質情況，但需要高邊坡開挖，土石方工程量大。豎井方案工作面狹窄，受地形限制，大型機械無法施工，地質情況不明，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個方案對外交通，用水、用電條件基本相同。重建方案：該方案施工設備簡單，施工技術成熟、砼施工質量易于控制，工程較長，需要在一個非汛期內完成。壩體回填施工碾壓質量要嚴格控制。豎井方案：該方案施工設備簡單，豎井開挖施工風險大，不安全，施工環境差，質量不易于控制，施工隊伍不易選擇。隧洞方案：施工技術、地質情況復雜，施工受天氣影響干擾較小。總之，從施工角度講，3個方案各有千秋，重建方案施工較為簡單、成熟；豎井方案施工設備簡單，隧洞方案技術復雜。

3.4.3除險加固后的工程安全度

如前所述，該次設計的重點是解決輸水洞洞身滲漏及洞壁接觸滲漏問題，無論采取何種方案都要處理洞身滲漏問題。重建方案能徹底解決滲漏安全隱患，但受汛期影響，存在防汛風險；豎井方案處理位置明確，但充填灌漿質量不易控制、處理效果不太直觀；隧洞方案對洞身的封堵理論能很好解決存在的滲漏問題，技術復雜。

3.4.4工程投資評價

重建方案工程投資498.35萬元，豎井方案工程投資132.92萬元，隧洞方案工程投資346.01萬元。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，工程除險加固后安全度及工程投資等方面存在差異。但從長遠來看，綜合考慮工程防汛安全大局，本次方案比選認為：重建方案較為優越，該方案能徹底解決輸水洞滲漏問題，施工技術成熟，且施工質量易于保證，工期雖長但有保障，故本次設計推薦重建方案。

4重建方案設計

4.1壩體拆除設計

本次設計沿現狀輸水洞位置拆除壩頂路面、防浪墻、上下游護坡；開挖壩體，左岸開挖邊坡坡比1∶3，右岸開挖至巖石岸坡；老輸水洞建筑物全部拆除。

4.2進口閘室段設計

根據輸水洞進口的地形地貌，本次設計的輸水洞進口建筑物采用塔式進水口，即在輸水洞進口澆筑鋼筋砼墩墻及排架，在排架頂部布置啟閉機設備，并設工作橋與岸坡連接。輸水洞塔式進口段各部分的結構布置如下。

4.2.1進水口段

進水口段為M7.5漿砌石斜降八字墻，順水流方向長度6m,進口寬3m,與閘室連接處寬1.50m，八字墻高2.5m，底板高程159.50m，C20素砼結構。4.2.2閘室段閘室段為鋼筋砼墩墻結構，閘孔凈寬1.50m，閘底板順水流方向長6m，寬4.50m，底板高程159.50m;檢修層以下閘墩為鋼筋砼結構，底寬0.4～1m，檢修層高程為174.50m，啟閉層高程為176.97m。

4.2.3工作橋

啟閉機房與右岸岸坡之間采用工作橋連接。

4.3洞身段設計

輸水洞洞身原設計位于大壩樁號0+010處，該處壩基為強風化破碎石英巖基礎。設計將輸水洞軸線向右岸偏移至樁號0+014處，使進口閘室段、洞身段座落在新鮮的石英巖基礎之上。洞身采用單孔C20鋼筋砼箱形涵洞，全長88m，底板縱坡3/1000，考慮施工及今后檢修因素采用孔徑1.5×1.8m（寬×高），洞身每10m分縫一道，分縫處設截水環及651橡膠止水。

4.4出口段設計

洞身出口設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3.78m,采用1∶3的坡度與消力池連接；消力池深0.5m,池寬2m，池長5m；漸變段為漿砌石扭面結構形式，長5m；尾水渠段長5m，梯形斷面，底寬2m。4.5壩體恢復設計輸水洞建筑物施工完畢后，需對壩體恢復重建。壩體結構形式仍采用原設計，位置不變，即粘土心墻砂殼壩。壩頂高程178m，壩頂寬5m，上有1.0m高防浪墻，大壩上、下游均在165.0m處設一道寬2m的戧臺；上游戧臺以上壩坡為1∶2.5，以下壩坡為1∶3，均采用為砼護砌；下游戧臺以上壩坡為1∶2.5，以下壩坡為1∶3，為草皮護坡；壩腳設貼坡排水；壩坡及右岸岸坡設縱橫排水溝；上、下游壩坡各設踏步一道。

4.5.1粘土心墻

(1）粘土心墻設計頂部高程176.5m，頂寬3m，上、下游邊坡均為1∶1，上、下游邊坡均設置反濾層（3層反濾料），反濾層自心墻頂部深入截水槽底部。(2）在心墻底部開挖截水槽，橫貫整個壩基并延伸到大壩右岸，設計將壩基強風化石英片巖全部清除至未風化巖基，截水槽開挖斷面呈梯形，深3m，槽寬48.38m，邊坡1∶1，底部高程154.8m；(3）在未風化巖基之上澆筑C20素砼墊層后開始回填粘土心墻，以免心墻填土與裂隙發育的巖石接觸，心墻填土被裂隙內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挖粘土，設計采用新選粘土料場開挖土料，粘土料場位于大壩上游2km山坡腳處，儲量完全滿足要求；根據擊實試驗求得最優含水量16.8％，最大干密度1.72g/cm3。(5）粘土心墻填筑標準：壓實度不小于96%，壓實后的滲透系數不大于1×10-4cm/s。

4.5.2砂殼壩體

壩殼仍采用破壩開挖的壩體砂卵石或石渣料進行回填。砂殼壩體壓實標準按相對密度確定，要求不低于0.75，具體壓實參數以現場碾壓試驗確定的為準。

4.5.3上、下游壩坡

(1）上游壩坡設計采用C20砼進行護砌，護坡板厚為14cm，單塊尺寸3×3m，板面設D75排水孔及反濾層，排水孔間距1m，板下設12cm厚的碎石墊層。

4.5.4下游壩坡

下游壩坡自戧臺以上采用草皮護坡；戧臺以下至壩腳采用干砌塊石護砌，干砌塊石下部設反濾層。4.5.5壩頂工程壩頂設計寬5m，上游壩肩設M7.5漿砌石防浪墻，凈高1.0m；下游壩肩設路緣石；壩頂路面采用C20素砼澆筑，厚20cm，每5m分縫一道，縫內充填瀝青填料。4.5.5排水溝及踏步下游壩坡每間距50m設排水溝一道，岸坡、戧臺、壩腳各設排水溝一道，均采用C20素砼結構。為檢修方便，在大壩上、下游壩坡各設踏步一道，踏步寬1.4m，坡度砼壩坡，均采用C20素砼結構。

5結語

三架山水庫地理位置重要，下游有商桐公路、駐南公路及小型水庫1座，保護人口1萬余人、耕地2.5萬畝，安全意義重大。由于輸水洞存在病險隱患，為確保大壩安全，自2010年5月以來一直處于空庫運行狀態，水庫防洪、養殖、灌溉等效益得不到充分發揮。2014年8月，三架山水庫輸水洞除險加固工程開工，水庫的除險加固，對發展該地區旅游業，提高人民生活水平和生活質量具有重要的作用。

作者:楊偉娟 單位:駐馬店市水利勘測設計研究院