清溝水水庫除險加固工程建設方案初探

張云輝

(河源市水利水電勘測設計院有限公司,廣東 河源 517000)

1 工程概況

清溝水水庫位于連平縣三角鎮(zhèn)清溝水,所在河流為大湖支流,工程于1966年竣工,建設規(guī)模為小(1)型,總庫容212.77萬 m3,是一座以灌溉、供水及防洪等綜合利益的小(1)型水利樞紐工程[1]。水庫建成以來,對保證水庫下游的灌溉用水和防洪安全起到了較大的作用,也為當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展做出了較大的貢獻。近年來,隨著經(jīng)濟的發(fā)展,水工建筑物保護對象也越來越重要,對經(jīng)濟的發(fā)展影響也越來越大。但是,盡管水庫在1979年、2008年分別對水庫進行了除險加固,對樞紐溢洪道、涵管等進行加固改造,但水庫本身存在的工程問題眾多,目前已嚴重影響到水庫的正常運用及自身安全,嚴重影響了水庫功能的發(fā)揮[2],為了繼續(xù)保證水庫的灌溉效益及防洪安全并發(fā)揮更大的作用,對水庫進行安全加固十分必要的[3]。

2 水庫現(xiàn)狀及存在的問題

為全面了解水庫工程情況和存在的安全隱患,經(jīng)現(xiàn)場對水庫進行全面勘查,各主要建筑物的總體現(xiàn)狀情況如下:

(2)輸水涵。壩下輸水涵管是為了滿足下游的供水需求,出口接供水管道至水廠。原涵結(jié)構(gòu)為0.6×0.8 m(寬×高)漿砌石方涵,2008年在涵內(nèi)套內(nèi)徑0.54 m(外徑0.56 m)焊接鋼管,進口涵底高程12.0 m,進口開關(guān)為鑄鐵轉(zhuǎn)動門蓋,涵長72 m,壩頂設啟閉機房。運行多年來輸水涵管管身老化,啟閉設施銹蝕已無法正常運行,輸水涵結(jié)構(gòu)已存在安全隱患。

(3)溢洪道。經(jīng)1979年、2008年兩次溢洪道加固設計后,現(xiàn)狀堰型為駝峰堰,堰頂高程21.1 m,寬20.0 m,堰后消力池長7.3 m,池底高程19.28 m,池深0.83 m,溢洪尾水歸入清溝水河,為天然渠道,河勢較寬,歸槽水流順暢。

(4)供水管道?，F(xiàn)狀供水管道總長度0.98 km,為鋼管、管兩種管材,管徑為DN500,長度分別為100 m和880 m。水庫供水管道管徑過小,供水能力不足,現(xiàn)有管道經(jīng)常發(fā)生管道爆裂的問題,嚴重影響水廠供水。

(5)其他建筑物。其他建筑物主要水庫觀測設施,水庫觀測設施測壓管、水位計、雨量站等,測壓管淤堵嚴重,水位計及其它設施運行正常。

3 除險加固方案

3.1 除險加固的內(nèi)容

水庫除險加固的內(nèi)容主要如下:水庫主要及附屬建筑物進行除險加固,包括主壩防滲、水庫監(jiān)測設施完善等;對水庫供水涵管更新改造及附屬設施建設,包括新建輸水隧洞及附屬設施,壩后供水管道改造等。

3.2 主要建筑物加固

3.2.1 大壩加固方案

根據(jù)《清溝水水庫大壩滲漏原因分析及滲漏通道探查物探工作報告》資料,綜合分析充電法、高密度電法、面波勘探法和偽隨機流場法探測成果,發(fā)現(xiàn)清溝水水庫主壩存在7條滲漏通道,因此,需對主壩采取防滲加固措施,以保證水庫大壩安全。經(jīng)研究,需采取以下兩種方案進行壩體加固:

方案一:防滲帷幕灌漿

從左壩肩開始布孔至右壩肩止,布孔壩段全長225 m,灌漿位置位于壩頂中軸線,在壩面上布置灌漿孔兩排,排距1 m,第一排孔孔距均為2 m[6],計灌漿孔150個,第二排孔孔距均為2 m,計灌漿孔151個,兩排孔在平面上形成梅花型,孔深在剖面上呈階梯狀,由左、右壩頭向壩中軸方向逐漸加深,最大孔深36.1 m,灌漿孔總計301個,灌漿鉆孔總進尺10 690 m。預計工程投資約860萬元。

方案二:混凝土防滲墻結(jié)合防滲帷幕

本防滲方案處理范圍及深度均與方案一相同,其中防滲墻主要是處理壩體滲漏問題,形成地下連續(xù)墻,長225 m,最大墻高29.5 m,厚0.8 m,材料為C20砼,防滲墻以下及兩側(cè)的強風化、中風化采用防滲帷幕灌漿處理,處理方式均與方案二相同。工程投資約1 809.28萬元。

從工程施工難度、施工機械復雜程度、施工工期及工程造價等方面比較[7],方案一均明顯優(yōu)于方案二,但從該地區(qū)土壩歷史加固經(jīng)驗,土壩防滲灌漿后效果大多不理想(主壩于2008年實施壩體灌漿加固),方案二雖然造價較高,但可從根本上解決大壩滲漏問題,因此本次主壩防滲設計推薦采用方案二。主壩防滲斷面圖見圖1。

圖1 主壩防滲斷面圖

圖2 清溝水水庫—鵬城水廠原水管方案布置圖

3.2.2 壩下輸水涵管改造方案

主壩輸水涵管原為漿砌石方涵,為保證下游供水,對壩下涵管采取相應的工程措施。

方案一:拆除重建方案。拆除主壩壩下舊涵管,改建為DN1000供水兼放空管道,同時進口新設控制塔及控制檢修閘門及管理房,以便于涵管后期管理維護,在壩后新設蝶閥井,與供水管道連接,新建管道管底高程為11.15 m,進水塔控制房檢修平臺高程24.3 m,壩下涵管每隔3m設截滲環(huán)一道,施工期壩前設施工圍堰,圍堰采用土石圍堰,圍堰頂高程為13.87 m,堰頂寬度7.0 m。經(jīng)初步估算,本方案總投資約950萬元。

方案二:新建隧洞方案。新建供水建筑物總長112.28 m,其中進水渠長6.0 m,進水塔段長10.0 m,漸變段3.0 m,隧洞洞身段長47.2 m,DN2000管道段長13.0 m,DN800管道段長33.08 m,隧洞段全洞段Ⅳ、Ⅴ級圍巖,與現(xiàn)狀管道銜接處新建控制房便于維護。新建隧洞洞徑采用2.0 m,進口底高程為9.65 m,出口底高程為9.15 m,新建隧洞全洞段基本位于強風化花崗巖層內(nèi),圍巖穩(wěn)定性較差,全洞段采用小導管加臨時鋼拱架支護,全洞段設Ф20系統(tǒng)錨桿加C25混凝土噴錨臨時支護,隧洞永久襯砌采用400厚C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),全洞段采用固結(jié)灌漿提高圍巖穩(wěn)定性。經(jīng)初步估算,本方案總投資約775.17萬元(不含征地拆遷賠償費)。

綜合比較,方案一優(yōu)點是工程不存在占地問題,涵管改造均在原涵管處實施,缺點是原壩下涵管拆除重建方案需拆除主壩壩體,一方面需設置施工圍堰工期較長,另一方面開挖后要填筑壩體,填筑質(zhì)量不易控制,土壩壩下埋管施工及后期運行中容易滲漏而存在較大安全隱患。方案二優(yōu)點是實施工期短,施工方便,缺點是隧洞下游出口需新增用地,工程實施難度大。綜合考慮,雖然新建隧洞方案存在用地難的問題,但是從工程的投資、施工難度、后期的維護管理等方面均較為優(yōu)越,推薦采用新建隧洞方案。

3.2.3 水庫監(jiān)測設施完善方案

清溝水水庫大壩排水及監(jiān)測設施不完善,部分觀測設施已損壞,不能滿足水利工程安全達標建設要求。本次僅設計表面變形(水平位移和豎向位移)觀測項目,具體布置根據(jù)規(guī)范要求,平行于主壩壩軸線方向布置4排,設4個斷面,共計16個變形觀測點。壩體與壩基滲流壓力監(jiān)測共計16個鉆孔,埋設16支進口振弦式滲壓計。現(xiàn)狀測壓管已堵塞,沿壩長方向布置三個觀測橫斷面,共11孔,統(tǒng)計測壓管總長160 m。在管理房的附近露天開闊地帶設置氣溫計,并用玻璃鋼鋼百葉箱進行保護,雨量監(jiān)測點和氣溫計布置在一處,雨量計采用翻斗式雨量計。

3.3 水庫供水管改造方案

3.3.1 管徑確定

原水管道按3.0萬 m3/d規(guī)模計算,現(xiàn)狀已有1根DN500原水管,因此本工程采用單管敷設,為防止外部環(huán)境的水流入或滲入原水,保證原水水質(zhì)的安全可靠,本工程推薦采用管道輸送原水。原水管道按3.0萬 m3/d規(guī)模計算,輸水模式采用為重力流壓力管道輸水,由于本段最小可利用水頭較小,且最小可利用水頭須大于總水頭損失,因此本次采用倒推法計算同時滿足流量和總水頭損失小于最小可利用水頭的最小管徑。水力計算結(jié)果見表1。

表1 水力計算表

綜合DN600、DN700、DN800三種管徑的水力計算結(jié)果分析,選定本次原水管道公稱直徑為DN800。

3.3.2 管道壓力等級

本工程新建管道最大水壓線值即水庫設計洪水位24.27 m,管路最低管中心高程4.06 m,管道最大內(nèi)壓20.21 m,本次選擇管段壓力等級為PN0.6。

3.3.3 管材選擇

目前,普遍應用原水管道工程中輸水管材有鋼管、三階段預應力鋼筋砼管(PCP)、預應力鋼筒混凝土管(PCCP)、球墨鑄鐵管(DIP)、玻璃鋼夾砂管(RPMP)五種,且在以往都有一定的工程實例[8]。DIP管鑄造難度較大、價格較高,RPMP管抗沖擊能力較差,曾多次出現(xiàn)過爆管現(xiàn)象,因此不建議采用DIP管和RPMP管;鋼管的抗?jié)B性能最好,適應地形變化,抗內(nèi)外壓大,但造價高,防腐要求高;PCCP管抗?jié)B性能好,抗內(nèi)壓較好,但管材較重,造價稍高;PCP管雖防腐能力強,最經(jīng)濟,但接頭復雜,維修不方便,抗?jié)B性能較差。鋼管價格最高,PCCP管較便宜,PCP管價格最低,從經(jīng)濟角度考慮宜選擇造價較低的管材,PCP管和PCCP管較有優(yōu)勢,從技術(shù)角度考慮宜選用管道安裝方便、防滲性能好、便于后期維護管理、對地基不均勻沉降適應能力強的管材。因此,結(jié)合各種管材的應用實例情況、本工程具體情況以及管材自身的技術(shù)性能、經(jīng)濟性能及廠家生產(chǎn)供應能力綜合分析,本工程輸水管采用PCCP管。

3.3.4 輸水線路

為提高清溝水水庫向水廠的供水保障率,本次保留清溝水水庫—水廠現(xiàn)有原水管,現(xiàn)狀DN500原水管依然發(fā)揮作用,與新建DN800原水管互為備用。根據(jù)地形圖和現(xiàn)場踏勘,本次新建原水管分A、B、C三段進行設計,各段管道根據(jù)各自情況分不同方案進行埋地敷設。

(1)A段輸水管:根據(jù)新建DN1000壩下涵管和新建DN2000隧洞兩種方案,本工程供水部分輸水管線設計起點段(A段)有兩種可行性方案。

方案一:接主壩下DN1000涵管

水庫主壩下現(xiàn)有輸水涵管管徑加大至DN1000,新管建成后,利用岔管將新建涵管與現(xiàn)狀DN500和新建DN800原水管連接,新建DN800管沿現(xiàn)狀原水管的南側(cè)至西向北敷設,該段設計管道總長度140 m。

方案二:接新建DN2000隧洞

新建DN2000隧洞后,利用斜丁字管將新建隧洞與現(xiàn)狀DN500和新建DN800原水管連接,前半段的現(xiàn)狀DN500原水管拆除,該段設計管道總長度15 m。

(2)B段輸水管

本次設計DN800原水管道B段沿現(xiàn)狀DN500原水管的南側(cè)敷設,本段設計管道總長度105m,現(xiàn)狀為開闊且地勢平穩(wěn)地塊,施工條件較好。

(3)C段輸水管

根據(jù)現(xiàn)場踏勘,C段輸水線路有兩種可行方案,其中方案一是新建原水管與現(xiàn)狀原水管在清溝水水庫溢洪道的同一側(cè)布置,新建DN800原水管、現(xiàn)狀DN500原水管布置在水庫溢洪道西側(cè),新建原水管沿現(xiàn)狀原水管的西側(cè)敷設,設計管道總長720 m。方案二是新建原水管與現(xiàn)狀原水管分別布置在水庫溢洪道東、西兩側(cè)。新建DN800原水管、現(xiàn)狀DN500原水管分別布置在水庫溢洪道東西側(cè),新建原水管沿水庫溢洪道東側(cè)敷設,設計管道總長735m。該方案新建原水管施工對現(xiàn)狀原水影響較小,且無需跨橋,對魚塘處橋梁結(jié)構(gòu)或溢洪道行洪能力無影響,但新建原水管與現(xiàn)狀管存在一處交叉,兩處跨河段,輸水管線局部可能涉及基本農(nóng)田范圍。C段兩種輸水線路方案對比情況見表2。

表2 C段輸水線路方案對比表

4 結(jié)語

實施清溝水水庫除險加固是供水安全和防洪安全基礎(chǔ)設施建設的重要組成內(nèi)容,是以規(guī)范化建設促進正規(guī)化管理的重要措施,符合國家關(guān)于切實治理病險水庫、確保安全度汛的要求。本次主要對主壩進行加固,并新輸水隧洞以及供水主管,水庫經(jīng)除險加固后,可恢復和保證水庫的正常功能,效益是顯著的,對國民經(jīng)濟的貢獻是很大的。工程于2022年竣工,水庫目前運行良好,除險加固效果較好。工程建成后應加強水庫管理,保護庫區(qū)生態(tài),防止水土流失,定期進行水質(zhì)檢測分析,定期對水工建筑物進行檢修,以確保水質(zhì)和大壩安全。