從工程經濟方面考慮對大石門水庫除險加固工程的方案優化

摘 要：文章針對平定縣大石門這座病險庫，提出了三種不同的除險加固方案，經過對各個方面的比較論證，確定出溢洪道+擴建輸水洞方案是一個既能使水庫較長期地發揮防洪效益，保證溢洪道安全泄洪，又能兼顧水庫潛在供水效益和有關各方利益的積極的、標本兼治的方案。

關鍵詞：大石門水庫 除險加固 方案優化

中圖分類號：F283 文獻標識碼：A

文章編號：1004-4914(2007)10-282-02

一、工程概況

1.水庫基本情況。大石門水庫位于山西省平定縣城南20km的大石門村南200m的陽勝河上，陽勝河屬海河流域的子牙河水系，是桃河支流南川河的支流。陽勝河發源于平定縣西南的范家掌，往東26km至壩址，壩址以下往北、東10km到西郊村匯入南川河，再往北走、西北約8km到亂流村入桃河，總長44km(入南川河之前長36km)，壩址以下主河道長26km，壩址處控制流域面積143km2，其中石山區面積86km2，土石山區面積57km2。

水庫開發目的灌溉農田2萬畝，解決山區人畜的飲水兼顧防洪、發電、養魚等，建庫以來，使下游免遭洪水危害，減免損失346.2萬 元，凈效益251.4萬元。由于水源不足，工程經30多年運行，設施日益老化，庫區內滲漏嚴重，淤積量逐年增加，發揮效益較差。自1979年以來，水庫主要解決4個鄉3萬多人及3000頭大畜吃用水，灌溉土地3000畝，并利用水面發展養魚生產。

水庫于1959年9月動工興建，1960年7月壩高建至31.15m，溢洪道底高程1026.5m，因材料困難，施工隊伍人員變動，工程由縣委決定停工緩建，開始蓄水運行。經1963年水文復核，防洪標準低，于1964年5月—9月續建，壩高增至31.7m，并加筑1m防浪墻，同時溢洪道底下挖3m至1023.5m，至此總投資221.6萬元。1964年9月未達設計標準而竣工，10月份進行階段驗收后正式投入運行。1971年為增加水庫蓄水量，溢洪道進口處筑起了3m高漿砌石子堰，堰頂高程達到1026.5m，1980年又因防洪不過關炸掉子堰，堰頂高程又恢復到1023.5m。

水庫為中型水庫三等工程。樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水管組成，為3級建筑物。根據《防洪標準（GB50201—94）》，本樞紐工程應達50年一遇洪水設計，500年一遇洪水校核的防洪標準。原設計防洪標準為100年一遇洪水，因壩高不達設計要求，更加多年來庫區泥沙淤積量大，現水庫可滿足50年一遇洪水設計，相應庫容為1263萬m³，但不能滿足500年一遇洪水校核標準，下游河道安全泄量只能達到5年一遇標準。該庫保護范圍土地1.2萬畝，鄉1個村莊4個，人口6556人，石太干線公路5km，太舊高速公路3km。

2.樞紐工程。樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水管組成。

大壩：漿砌石重力壩，底長30m，寬31.5m，壩底高程998m，壩頂主程1029.7m，相應壩高31.7m，壩頂長100m，寬3.5m，防浪墻1m，相應墻頂高程1030.7m。壩體迎水面邊坡1:0.1，背水面邊坡1:0.75，壩基面采用80#水泥砂漿勾縫，壩頂中部13m比兩面三刀邊高2.3m，相應高程1023m，修建4*4*3.5m3的啟閉室，以控制輸水管的泄量。壩體內設廊道排水，壩基采用齒槽防滲。

溢洪道：位于大壩右側，開敞陡坡式，無閘門控制，進口堰頂高程1032.5m，寬27m，寬頂堰長43m，溢洪道全長220m，平均縱坡12.95%。中部左岸有50m一段為漿砌石翼墻，底部和左部靠自然基巖消能。在溢洪道上有輸水渡槽和石拱橋各一座。

輸水管：位于壩中下部，采用鋼筋混凝土預制管接分叉鑄鐵管。混凝土管內徑1.1m，外徑1.35m，長35.5m，兩支鑄鐵管內徑為0.6m，長11.5m，輸水管全長47m，閥安裝在出口鐵管上，進口處原有攔污柵、閘門及啟閉設備已壞，并將搖臂架的12m角鐵幾乎全部淤埋，進口屢遭堵塞，現在緊靠出口處閘閥控制放水，進口底高程1008.5m，出口底高程1000m。

二、方案比較

1.方案Ⅰ—溢洪道加固+新建泄道排沙洞+加粗排沙管

經過水文分析計算，新建泄洪排沙洞同現有溢洪道聯合泄洪，當溢洪道進口底高程保持1023.5m時，在設計洪水情況下最高洪水位為1027.7m，相應下泄流量為476m³/s(其中溢洪道404 m³/s，泄洪洞72 m³/s)；在校核洪水情報況下最高洪水位為1029.94m，相應下泄流量為845 m³/s(其中溢洪道768 m³/s，泄洪洞77 m³/s)。這里，最高洪水位加上風浪高后達到1030.56m（防浪墻頂高程1030.6m），安全超高已經很少。但考慮到目前溢洪道進口處的堰頂高程實際為1023.2m左右，因此也還是安全的，不再專門降低溢洪道堰頂高程。根據溢洪道的現狀，可以將其劃分為四段：進口段、中部陡坎段、陡坡段和出口陡坎段。其中中部陡坎段長48m，高差卻為13.5m，平均坡降達0.281；出口陡坎段長50m，高差11.8m，平均坡降0.236，這兩段落差較為集中。特別是中部陡坎段地處斷層破碎帶，巖體抗沖能力差，現在已經形成很多不規則的沖坑，應該是防護的重中之重。處理措施是：中部陡坎段建一座消力池，集中消除該段及以上的能量；接下來的陡坡段整修成鋼筋混凝土襯砌的規則渠床；出口陡坎段通過一小一大兩個自然沖坑按一級水躍計算（依據流量的大小，實際發生的可能依次是底流水躍、挑射加戽流和面流混合消能）屬于淹沒水躍。由于計算泄流流速大于巖石抗沖流速，故防護工程均采用鋼筋混凝土。只在局部坑槽內填筑M7.5水泥砂漿砌石。

新建泄洪沙洞布置在距石壩頭約10m處（洞身高程處距壩體約30m）。利用泄洪排沙洞可以相成槽庫容，加大水流縱坡，有利于排沙、減緩淤積和蓄水興利。新建泄洪排沙洞距壩較近，施工中不適當的爆破作業可能對水庫大壩產生不利影響，需要特別加以注意。

由于新建泄洪排沙洞進口距壩內輸水洞進口之間還有一段距離，而現在的輸水洞前尚未形成穩定的漏斗形，更無法使二者連通。故須配套加粗壩后排沙管。

此外，由于水庫建成近四十間壩內輸水洞放水流量很小，壩下游河道不再行洪，因此灘面淤高，栽種很多樹木；更加之大石門村沿河建宅院，其地基高程與河灘高程幾乎不相上下。因此還須沿河岸 修建護村堤。而新建泄洪排沙洞的泄流規模也就是權衡壩后河段允許泄量的基礎上確定的。

2.方案Ⅱ—溢洪道加固+擴建輸水洞。本方案同方案Ⅰ基本相同，不同的是采用現有的輸水洞人工撬挖擴大，以其使泄流規模同新建泄洪排沙洞基本相當。溢洪道的加固同案Ⅰ完全一樣。擴建輸水洞的布置、結構形式、閘門設置均為與新建泄洪排沙洞相同。但由于輸水洞同壩后輸水管在同一位置，槽庫容可以充分利用，從而使泄洪排沙、蓄水與供水得到完全的統一。

擴建輸水洞要遇到以下三個問題。一是壩體質量如何，是否允許開挖以及能否成洞；二是挖洞后減小了大壩的重量；三是洞口處結構基礎如何處理，以及同壩體能否連成一體。上述問題已經初步得到了解答。首先，從現有資料和當時參加施工人員回憶中可以肯定1018m高程以下壩體質量是好的，人工開挖是可以成洞的。現有的混凝土管的人工鑿除雖比較費力，但破口砌石的撬挖并不困難；其次，前面已經提到過，大壩由于沒有建到設計高程，而施工已按設計底寬放了線，大壩應該是安全的。擴挖輸水洞凈減少的壩體積為121 m³，其重量約為壩體總重量的0.5%，這一影響實際上是微不足道的；至于洞進口處閘室結構的基礎問題，經過對粉噴樁、旋嘞樁、混凝土灌注樁和預制混凝土打入樁等四種方案從承載力、變形特性、施工難易和工程造價幾方面比較后胸墻著壩下游坡并用插筋錨固等措施，整體穩定問題就解決了。

3.方案 Ⅲ —溢洪道加固擴建+加粗排沙管。根據水文分析計算成果，水庫泄洪設施為單一溢洪道時，在校核洪水情況下設定了幾種水位進行調洪計算，其結果為：

溢洪道進口底向程為1023.5m時，相應洪水位1030.92m；

溢洪道進口底向程為1022.5m時，相應洪水位1030.92m；

溢洪道進口底向程為1029.5m時，相應洪水位1029.92m；

由于現狀壩頂高程為1029.60m，防浪墻頂高程為1030.6m。按校核洪水情況風浪高0.62m，安全超高0.3m計，則溢洪道進口底高程必須降低至1022.0m，即在目前1023.5m的基礎上下挖1.5m。而在此情況下，溢洪道三十年一遇洪水時的計算泄流量為534 m³/s，比方案Ⅰ、Ⅱ增加約57%，防護工期程量因此而加大，按允許不沖流速計算急流陡槽段必須采用混凝土護面。而且溢洪道未端（該段寬度偏小，且有渡槽和交通橋兩處建筑物。暫不作防護，待其在自然沖刷過程中取得平衡后再作處理）消能不夠充分，須待下游沖深后才能形成淹沒水躍。本方案除進口段下深外，其余部分加固內容同方案Ⅰ、Ⅱ基本相同。

由于目前的輸水洞進口經常淤堵，不能正常工作。因此，本方案還必須同時改造輸水洞與之配套 ，將輸水洞的出口段直徑加大為1m，以形成穩定的進口淤積漏斗，減少輸水洞淤堵的機會。

三、結綸

從上述三個方案的基礎情況看，方案Ⅲ僅從消極的角度就防洪論防洪，其結果防洪效益既不能持久，供水效益也無法兼顧，缺點較為時顯。方案Ⅲ可能最省。但其最大缺點一是水庫的淤積速度不可能減緩，直接影響水庫使用壽命；二是不可能產生槽庫容，因此無法滿足今后對水庫供水的要求。而方案Ⅰ、Ⅱ則既兼顧了水庫防洪，又兼顧了今后的供水效益，尤其是方案Ⅲ在500年一遇洪水時，溢洪道最大泄量達1005.3 m³/s，方案Ⅱ在500年一遇洪水時，溢洪道最大泄量可降至767.6 m³/s，比方案Ⅲ減少237.7 m³/s，方案Ⅰ同樣可使溢洪道減少200多個流量，因此均優于方案Ⅲ。

各方案的直接費用比較見下表。

方案Ⅰ、Ⅱ的效益基本相同。方案Ⅰ費用最高（計入閘門、啟閉機后），但除了隧洞爆破施工對水庫大壩可能的不利影響外，顧慮較少。方案Ⅱ費用較方案Ⅰ要低，效益統一性好。不過，盡管作為進水閘地基的水庫淤積物已經有30多年的沉積歷史，但其物理力學性質尚須進一步探明。

綜上所述，方案Ⅱ是一個既能使水庫較長期地發揮防洪效益，保證溢洪道安全泄洪，又能兼顧水庫潛在供水效益和有關各方利益的積極的、標本兼治的方案。特別是泄洪排沙底洞對槽庫容形成，加大排沙比、減少溢洪道泄流量等方面有著重要的、無可替代的作用。

（作者單位：水利部山西水利水電勘測設計研究院 山西太原 030024）(責編：小青)