刘 欢
(黑龙江省水利水电勘测设计研究院,哈尔滨 150080)
1 工程概况石人沟水库位于双城区万隆乡和杏山镇境内,地处拉林河和松花江三角地带,距双城区约60km。坝址地理坐标为E125°41′,N40°25′。水库集水面积540km2。水库为中型平原水库,本工程为Ⅲ等,主要建筑物的级别为3级,采用洪水设计标准为50a一遇洪水设计,200a一遇洪水校核。水库呈狭窄长条形布置,主坝位于库区首端,坝轴线方向近南北向,泄洪闸位于主坝左坝肩处,副坝位于库尾端,坝轴线方向西偏北。泄洪闸枢纽工程建于1994年,由溢洪道和输水洞组成,2010年对海漫进行维修,对泄洪闸、输水洞所有启闭设备进行更换。2020年8月双城区水务局对石人沟水库大坝安全进行一次全面安全鉴定,大坝安全鉴定为“三类坝”,其中泄洪闸枢纽存在严重安全隐患,需要进行除险加固工程处理[1]。
2 泄洪闸枢纽除险加固的必要性2.1 工程现状存在的安全隐患2.1.1 溢洪道
溢洪道二级消力池首节U型槽左侧翼墙向临水侧倾斜,翼墙上游侧顶端倾斜近22cm,翼墙下游侧顶端倾斜10cm左右。右侧翼墙未见明显倾斜,存在结构缝张开、止水破坏情况。消力池首节U型槽底板下游分缝处左侧(靠近倾斜翼墙侧),底板高程明显低于上游底板,高差8cm左右。
溢洪道翼墙间分缝处存在止水缺失及撕裂现象,水流通过结构缝流出淘刷墙后坝体,泄洪闸、一级消力池及二级消力池翼墙分缝处背水侧均出现过淘刷现象,严重部分1d左右时间墙后淘刷出1m深的坑,现状均采用碎砖头、碎石等进行了回填,进而影响泄洪闸侧向渗流稳定。消力池末端挡土墙向临水侧倾斜,顶端倾斜位移达7cm。泄洪闸混凝土表面存在大面积剥蚀现象。泄洪闸海漫段干砌石护坡松动,局部块石缺失。
2020年11月管理单位采用钢桁架对消力池两侧边墙进行了临时支护,同时对墙后填料采用堆石替换。在墙后施工开挖期间,发现在上游开挖面有严重渗水现象。
泄洪闸检修门启闭平台挑板施工时钢筋绑扎不合理,结构强度不够,采用钢管临时支撑。泄洪闸工作门和检修门存在轻微锈蚀现象。泄洪闸检修门启闭机锈蚀严重,不能正常工作。泄洪闸闸室段及进口U型槽段存在大面积冻融剥蚀现象,2021年8月除险加固设计查勘期间,在上游进口段左侧翼墙与闸室分缝处背水侧,查勘人员用脚轻踩在上游坝肩侧便出现一塌陷坑,上口直径约50cm,深度无法探明。
2.1.2 输水洞
输水洞消力池末端挡土墙倾斜,分水闸室排架根部混凝土缺失漏筋,闸室已不能正常使用,分水闸多年不能正常运行。
输水洞进口工作门和检修门存在轻微锈蚀现象。输水洞两侧分水闸们锈蚀严重,基本失效。输水洞两侧分水闸启闭机锈蚀严重。
2.2 地区社会发展及防洪安全的需要双城区石人沟水库是一座以防洪、灌溉为主,兼顾养鱼等综合利用的中型水库。石人沟水库位于双城区万隆乡和杏山镇境内,地处拉林河和松花江三角地带。其地理位置及社会经济地位非常重要。
随着双城区域经济建设的发展,石人沟水库下游防护对象也随之发生变化,且日益重要。目前水库下游防护对象主要为板子房村、老烧锅、多口店、苏家崴子、增产村、顺利村、临江村、保国村等8个自然村,一个牛奶养殖场、一条乡级公路以及下游的松花江、拉林河堤防(韩阳堤防、多口店堤防)、保护人口约7500人,保护耕地1466.67hm2。灌溉耕地3393.33hm2,养鱼提供水面746.67hm2。且随着经济的不断发展,水库防洪保护人口及防护对象将不断增加,因此为了保障区域经济建设安全、稳步、快速发展,保障水库下游防护对象及人民生命财产安全,对石人沟水库进行必要的除险加固是非常必要的,也是十分迫切的。
2.3 水库工程本身的需要2020年10月,双城区石人沟水库大坝安全鉴定为“三类坝”,鉴定结论建议采取措施消除工程安全隐患。从水库实际运行情况看,水库大坝、溢洪道、输水洞等都存在严重的问题,水库为带病运行,尤其是水库泄洪建筑物险情严重,现状仅采取了临时支护措施。
石人沟水库地理位置重要,下游防洪保护8个村屯7500人,以及乡镇公路、1466.67hm2农田、2段国堤;水库每年可为3393.33hm2耕地提供灌溉保障,可为一个渔提供养殖水面。水库建成以来为双城区农业生产提供了有利条件,促进了该地区经济发展,发挥了巨大的经济效和社会效益。为确保石人沟水库大坝安全运行,巩固和发挥水库的已有效益和保护下游人民生命财产安全,水库存在比较严重的险情,一旦失事后果十分严重,进行水库除险加固十分必要。
3 泄洪闸枢纽工程方案3.1 泄洪闸枢纽方案比选鉴于溢洪道和输水洞均存在较严重的结构安全问题,进而影响到水库的泄洪安全,目前溢洪道消力池段翼墙仅采取钢管临时支撑,为保证水库泄洪安全,据大坝安全鉴定结论,本次除险加固设计主要对在现状泄洪闸枢纽下游消能实施进行拆除重建。考虑闸室和下游渠底高差较大,常用消力池结构型式有两级消力池和斜坡连接消力池两种型式,现对两方案进行比选。
3.1.1 方案一:两级消力池方案
现状泄洪闸闸室后消力池拆除重建,新建消力池采用二级消力池方案。
闸室后接一级消力池,结构为钢筋混凝土U型槽,池长26m,底流消能,池深2m,净宽由7m渐变到13m,一级消力池分三段布置,第一段为跌水段,长11m,跌差3.5m,第二段为平直段长9m,第三段为消力坎段长6m,横穿泄洪闸的灌溉洞洞身兼做消力坎。二级消力池长20m,净宽13m,池深0.7m,结构为钢筋混凝土U形槽,分两节布置,每节长10m,二级消力池为直跌型式,一级消力池坎顶到二级消力池底板高差6m,一级消力池底板设有辅助消能工,垂直水流方向每60cm设置一个。池后为干砌石海漫段,长40m,净宽由13m渐变至25m。
3.1.2 方案二:斜坡连接消力池方案
现状泄洪闸闸室后消力池拆除重建,新建消力池采用斜坡连接消力池方案。
陡坡段采用整体式钢筋混凝土U型槽结构,陡坡段水平长33.0m,分两节布置,每节16.5m长,底高程由129.0m通过1∶4.0的斜坡渐变至121.00m。陡坡段净宽7.0m。
陡坡段后接消力池,消力池为挖深式消力池,采用整体式钢筋混凝土U型槽结构,池深1.5m,池长22.0m,分两节布置,每节长11.0m,净宽由7.0m渐变至15.0m,底板高程121.00m,边墙顶高程128.00m,底板下游侧布置3排排水孔,孔径5cm,梅花形布置,消力池末端与下游海漫两岸连接设钢筋混凝土悬臂式挡土墙。
现将两方案从主体工程量、工程投资等方面进行比较,详见表1。
表1 泄洪闸枢纽除险加固方案比选表
通过比较表可以看出,斜坡连接消力池方案与两级消力池方案相比,投资低于两级消力池方案,混凝土浇筑量、钢筋制安量比两级消力池方案少,施工进度能短一些。考虑原泄洪闸枢纽为两级消力池方案,在实际运行中存在一级消力池末端下泄水流对二级消力池底板产生较大冲刷作用,尤其是对底板分缝处容易产生破坏作用。同时二级消力池两侧翼墙较高,结构型式受力条件不好[2]。
故从工程投资、混凝土浇筑量上比较,并结合实际运行情况,本次除险加固泄洪闸闸室段下游消能防冲设施拆除后采用斜坡连接消力池方案。
3.2 泄洪闸枢纽工程方案设计本次除险加固对泄洪闸枢纽进行维修加固,保留进口铺盖及两侧挡墙、坝顶以下闸室段,对剥蚀混凝土修复,对撕裂的止水凿除后进行更换,排架及启闭机房拆除重建。
原泄洪闸消力池段及海漫段拆除重建,输水洞闸室段下游洞身、消力池段及左右分水闸拆除重建。
维修加固后的泄洪闸枢纽由溢洪道、输水洞及下游左右灌溉分水闸组成。
除险加固内容如下:
3.2.1 进口铺盖段维修加固
本次除险加固进口铺盖段现状结构布置不变,对翼墙水位变动区以下(设计水位132.90m)剥蚀的混凝土进行凿除露筋并除锈后,涂抹界面剂,采用环氧混凝土进行修补。对翼墙、底板止水撕裂缺失的结构缝,在缝迎水侧两侧各凿除宽25cm,深25cm混凝土,将撕裂的止水取出,将铜片止水置入,通过铆钉将止水固定在现状翼墙上,后采用环氧混凝土对凿除的混凝土进行恢复。
将左侧刺墙前翼墙后坝体挖出,开挖断面顶宽5.0m,开挖边坡1∶2.0,在墙后涂抹水泥浆后重新填筑黏土压实。
3.2.2 闸室段维修加固
本次除险加固设计,泄洪闸及输水洞墩顶以下结构布置不变,对泄洪闸水位变动区以下剥蚀的混凝土及输水洞闸室段剥蚀的混凝土进行修复,修复方式同进口铺盖段。排架及启闭房拆除重建,交通桥保留,排架采用钢筋混凝土框架式结构,排架高4.0m,排架基础分别通过锚筋固定在泄洪闸闸墩上,排架上设有工作桥,工作桥顶高程139.10m。工作桥上及输水洞上新建启闭机房65.7m2,采用砖混结构[3]。
3.2.3 闸室下游段拆除重建
3.2.3.1 泄洪闸下游段
本次除险加固,拆除现状两级消力池,新建陡坡段及消力池和海漫段,同时对海漫下游河道弯道处进行护砌。
陡坡段采用整体式钢筋混凝土U型槽结构,陡坡段水平长33.0m,分两节布置,每节16.5m长,底高程由129.0m通过1∶4.0的斜坡渐变至121.00m。陡坡段净宽7.0m。
陡坡段后接消力池,消力池为挖深式消力池,采用整体式钢筋混凝土U型槽结构,池深1.5m,池长22.0m,分两节布置,每节长11.0m,净宽由7.0m渐变至15.0m,底板高程121.00m,边墙顶高程128.00m,底板下游侧布置3排排水孔,孔径4cm,梅花形布置,消力池末端与下游海漫两岸连接设钢筋混凝土悬臂式挡土墙。
消力池末端接海漫段,海漫段长41m,末端接抛石防冲结构,总长47.0m,净宽由15.0m渐变至25.0m,海漫底高程122.50m,岸顶高程128.00m。海漫段上游12.0m长护底采用50cm厚钢筋石笼护砌,下设20cm厚碎石垫层、10cm厚砂砾石垫层及无纺布一层。海漫段后29.0m长护底及海漫段两侧边坡护砌均采用40cm厚格宾石笼护砌,下设20cm厚碎石垫层、10cm厚砂砾石垫层及无纺布一层,海漫两侧岸坡坡比1∶2.0。根据现状海漫段块石质量情况,新建海漫段考虑部分利用原海漫段拆除的块石[4]。
对下游渠道弯道处河道采用40cm厚格宾石笼护砌,下设20cm厚碎石垫层、10cm厚砂砾石垫层及无纺布一层,坡比1∶2.0。
3.2.3.2 输水洞下游段
本次除险加固,拆除重建输水洞闸室段以下的涵洞段、消力池段。
重建涵洞段长33.0m,分二节布置,均16.5m长,洞底坡度1∶4.0,底高程由128.00m渐变至126.00m,孔口尺寸2.0m×2.0m(宽×高)。
涵洞段后接消力池段,消力池长14.75m,采用整体式钢筋混凝土U型槽结构,净宽2.0m,底高程126.00m,墙顶高程129.80m。在消力池末端两侧翼墙距离底板1m高程处各预留一分水口,分水口尺寸1.5m×1.5m(宽×高)。
3.2.3.3 左右灌溉分水闸
本次除险加固,拆除重建左右灌溉分水闸,分水闸由闸室段、渡槽段及U型槽渠道段组成。闸室内设机闸一体铸铁闸门。
其中闸室段布置在输水洞消力池末端两侧翼墙上,孔口尺寸1.5m×1.5m,闸室内设机闸一体铸铁闸门。
左灌溉分水闸最大分水流量2.42m3/s,闸室段后接混凝土U型槽渠道,U型槽渠道净宽1.5m,槽底比降1∶300,U型槽渠道末端与现状土渠通过挡土墙衔接。
右灌溉分水闸,最大分水流量1.36m3/s,闸室后接渡槽段,采用钢筋混凝土矩形槽结构,长12.5m,净宽1.5m,基础坐落在泄洪闸陡坡段左右翼墙上,下游段接混凝土U型槽渠道,U型槽渠道净宽1.5m,槽底比降1∶300,U型槽渠道末端与现状土渠通过挡土墙衔接。
4 结 论石人沟水库溢洪道因年久失修及强降水引发的洪水,造成了水库溢洪道破坏,溢洪道可能丧失泄洪能力,同时影响坝体安全,存在安全隐患,水库灌溉效益无法得到保障。通过采取工程措施,消除了水库安全隐患,保证了水库功能,为类似的水库泄水建筑物除险加固方案设计提供借鉴。
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