石門水庫除險加固工程泄洪洞改建方案研究

曹 畑，張 高，居 浩

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院,貴州 貴陽 550081）

1 工程概況

石門水庫位于陜西省漢中市漢江上游支流的褒河峽谷出口以上1.8 km處,距漢中市18 km,壩址以上流域面積3861 km2,是一座以灌溉為主,結合防洪、發(fā)電、城市供水等綜合利用的大（2）型水庫。水庫總庫容1.09億m3,正常蓄水位618 m,死水位595 m,設計洪水位615.87 m,設計灌溉農田51.5 萬畝,電站裝機40.5 MW,設計年發(fā)電量1.41 億kW·h。水庫樞紐由混凝土雙曲拱壩、壩身泄洪中孔、泄洪排沙底孔、左岸泄洪洞、右岸河床電站等組成。其中,現(xiàn)狀的左岸泄洪洞由進口引渠段、岸塔式進水口段、有壓隧洞段、出口閘室段、出口明渠段組成,最大總泄量530 m3/s,進口引渠段長約30 m,渠底高程596.00 m。岸塔式進水口,進口底高程596.00 m,進水口后接內徑6.8 m圓形有壓隧洞,隧洞總長419.6 m。出口閘室段長22.0 m,閘底板高程542.00 m,出口明渠段水平長28.0 m,底坡2%,底寬由4.4 m擴大為10.3 m,采用底流消能方式。

2 現(xiàn)狀左岸泄洪洞存在的問題

（1）洞身負壓問題

根據(jù)水力學復核計算成果[1],庫水位615.00 m、618.00 m、619.50 m全開泄洪時,隧洞洞頂最小水頭均在隧洞第一水平轉彎段末端,分別為-2.44 m、-0.15 m、0.99 m。模型試驗成果表明[1],庫水位615.00 m、619.50 m全開泄洪時,隧洞洞頂最小水頭均在隧洞第一水平轉彎段中間位置,分別為-2.61 m、0.79 m。隧洞第一水平轉彎段中間位置橫斷面水壓力測量值成果表明[1],彎道橫斷面左右兩側存在水壓力差,彎道段隧洞內水壓力最小值分別為-3.5 m、0 m。因此,泄洪洞在運行過程中洞身存在負壓問題。

（2）泄洪調度問題

由于水庫在低水位時洞內有負壓存在,在實際運行中對泄洪洞出口工作弧門開啟運行提出要求：設計洪水位615.87 m時,不允許開啟工作門；正常蓄水位618.00 m時,可以局開工作閘門；校核洪水位619.50 m時,可以全開工作閘門。左岸泄洪洞僅適合在校核洪水位619.50 m以上時運行,不能充分發(fā)揮泄洪洞有效的調洪泄洪作用,對泄洪調度產生了一定的影響。

（3）水庫排沙清淤問題

根據(jù)目前的測量成果[2],水庫淤積量為4466 萬m3,占總庫容的42.54%。壩前的泥沙淤積和柴草樹木石塊的沉積已經對河床電站進水口、底孔的運行和東、西干渠正常引水構成威脅。由于淤積嚴重,降低了水庫調蓄能力,甚至將威脅水庫使用壽命及安全運行；水庫淤積發(fā)展到壩前,除影響閘門的啟閉外,還將使大量粗泥沙進入引水系統(tǒng),造成灌溉渠道淤積影響農田灌溉,或嚴重磨損電站水輪機的過流部件；庫區(qū)泥沙的大量淤積,可能造成有害物質沉積于庫底,污染水庫和周圍環(huán)境,并且將會覆蓋魚類的產卵地,影響魚類繁殖等。

現(xiàn)狀左岸泄洪洞存在泄洪調度不靈活、低水位運行時部分洞段有負壓及水庫排沙清淤等問題,嚴重影響石門水庫的運行調度,需要對泄洪洞布置及結構進行改造。

3 泄洪洞改建方案

3.1 改建方案初擬

基于左岸泄洪洞現(xiàn)狀存在的問題,需對左岸泄洪洞進行改建,結合現(xiàn)場條件和已建建筑物情況,對左岸已有泄洪洞進水口及“龍?zhí)ь^”段（樁號0+000.000 m～0+192.949 m）進行改造,0+192.949 m以后洞段保持不變,總共利用原泄洪洞244 m。改造段由進口明渠段、進水口段、有壓隧洞段組成,總長度約320 m；同時結合水力學復核計算成果及模型試驗成果[1],庫水位615.00 m、619.50 m全開泄洪時,隧洞洞頂最小水頭均在隧洞第一水平轉彎段末端,分別為-2.44 m、0.99 m,數(shù)值較小,可以采用整體降低洞身段高程來解決該問題,結合水庫排沙清淤計算研究[2],為了達到理想的排沙效果,要求泄洪洞進口底板高程降低至560.00 m,比原來底板高程596.00 m降低36 m,洞身負壓問題隨之解決；進口底板高程降低后,泄洪洞可以降低庫前水位滿足排沙需要和兼顧排沙的作用。

3.2 改建方案比選

（1）岸塔式進水口方案

在原進水口上游44 m處開挖一段明渠,長度約80 m,底板高程560 m,明渠與原進水口之間采用隧洞連接,隧洞進口處設置岸塔式進水口,結構形式與原進水口保持一致,布置一道事故檢修閘門和一道攔污柵,進水口頂部高程622.50 m,拆除原進水口排架柱及啟閉設備,新老進水口之間采用跨度為44 m的交通橋連接,下游與原泄洪洞“龍?zhí)ь^”底部（樁號0+192.949 m）處順接,坡比6%,泄洪洞下游及出口段（樁號0+192.949 m～0+482.328 m）保持不變。

（2）豎井式進水口方案

結合已有左岸泄洪洞布置形式,對其進水口及“龍?zhí)ь^”段（樁號0+000.000 m～0+192.949 m）進行改造,在原進水口上游10 m處設置事故檢修閘門豎井,豎井底板高程560 m,豎井高度36 m,豎井上部澆筑進水口,頂部高程622.50 m,拆除原進水口排架柱及啟閉設備,新老進水口之間采用跨度為10 m的交通橋連接。豎井上游通過約93 m長隧洞連接庫區(qū),隧洞進口處設置一道攔污柵,下游與原泄洪洞“龍?zhí)ь^”底部（樁號0+192.949 m）處順接,坡比7.04%,泄洪洞下游及出口段（樁號0+192.949 m～0+482.328 m）保持不變。

3.3 方案比選結論

（1）從工程布置來看,岸塔式進水口方案離原進水口約44 m,需要大面積進行土石方明挖,對庫區(qū)和大壩擾動較大,最大開挖高度達76 m,存在地質條件變化、高邊坡穩(wěn)定等問題；豎井方案緊靠原進水口,距離約10 m,地形、地質條件與原進水口相當,主要為洞挖和井挖,對庫區(qū)和大壩擾動較小,且該方案只需設置跨度為10 m的交通橋便可與大壩交通連接,而岸塔式進水口方案需要設置跨度為44 m的交通橋,增加了結構布置和施工組織難度,不利于加快施工進度,因此豎井式進水口方案較優(yōu)。

（2）從泄洪洞過流能力方面來看,兩個方案底板均降低至高程560 m,豎井式進水口方案隧洞略比岸塔式進水口方案長,流量系數(shù)稍小,兩個方案泄洪洞均可以全開運行,泄洪量基本相當,兩個方案均無負壓問題。

（3）從施工條件、水庫效益、社會影響方面：豎井方案泄洪洞進口和豎井之間有約100 m長的洞身,進口和豎井進水塔混凝土可以分開施工,相互不受影響；施工時段較短,水庫低水位運行時間短,可以盡量滿足灌溉需求；出渣利用履帶吊運至壩頂后轉運至渣場,不需要單獨布置施工道路進行出渣。岸塔式進水塔只能在明渠開挖完成后才能施工,開挖土石方量8萬m3,開挖難度大,時段長,開挖渣料容易落入水庫內,且需要布置施工臨時公路,施工難度大,投資高,另外臨時公路施工占用枯期時段長,需要水庫降低水位運行的時間約6個月,對下游漢中市及農業(yè)灌溉用水將產生極大的影響,因此豎井式進水口方案較優(yōu)。

（4）從主要工程量及投資對比表可以看出,岸塔式方案建筑工程投資為3456 萬元,豎井式方案建筑工程投資為3117 萬元,豎井式方案比岸塔式方案低339 萬元,豎井式進水口方案較優(yōu)。

表1 主要工程量及投資對比表

經工程布置條件、運行條件、排沙效果、施工導流、施工安全風險、工期、工程量及投資等綜合比選分析,豎井式方案布置簡單,運行條件好,施工難度不大,水庫恢復功能時段短,投資小,推薦其作為泄洪洞改建方案。

4 結語

石門水庫左岸泄洪洞改建后,可以降低庫前水位滿足排沙需要和兼顧排沙的作用,泄洪洞泄流能力與原泄洪洞基本相當,洞頂壓坡線滿足規(guī)范要求,泄洪運行調度不再受到洞身負壓的影響,可以根據(jù)實際需要啟用泄洪洞參與泄洪,操作較為靈活。本次泄洪洞改建方案,解決了原泄洪洞洞身負壓、泄洪調度和排沙減淤等問題,可為類似除險加固工程提供借鑒。