張?jiān)戚x

(河源市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)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(shè)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(duì)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(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了較大的貢獻(xiàn)。近年來,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,水工建筑物保護(hù)對(duì)象也越來越重要,對(duì)經(jīng)濟(jì)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(duì)水庫進(jìn)行了除險(xiǎn)加固,對(duì)樞紐溢洪道、涵管等進(jìn)行加固改造,但水庫本身存在的工程問題眾多,目前已嚴(yán)重影響到水庫的正常運(yùn)用及自身安全,嚴(yán)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(duì)水庫進(jìn)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(chǎng)對(duì)水庫進(jìn)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(jìn)口涵底高程12.0 m,進(jìn)口開關(guān)為鑄鐵轉(zhuǎn)動(dòng)門蓋,涵長(zhǎng)72 m,壩頂設(shè)啟閉機(jī)房。運(yùn)行多年來輸水涵管管身老化,啟閉設(shè)施銹蝕已無法正常運(yùn)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(shè)計(jì)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(zhǎng)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(shì)較寬,歸槽水流順暢。

(4)供水管道?，F(xiàn)狀供水管道總長(zhǎng)度0.98 km,為鋼管、管兩種管材,管徑為DN500,長(zhǎng)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(yán)重影響水廠供水。

(5)其他建筑物。其他建筑物主要水庫觀測(cè)設(shè)施,水庫觀測(cè)設(shè)施測(cè)壓管、水位計(jì)、雨量站等,測(cè)壓管淤堵嚴(yán)重,水位計(jì)及其它設(shè)施運(yùn)行正常。

3 除險(xiǎn)加固方案

3.1 除險(xiǎn)加固的內(nèi)容

水庫除險(xiǎn)加固的內(nèi)容主要如下:水庫主要及附屬建筑物進(jìn)行除險(xiǎn)加固,包括主壩防滲、水庫監(jiān)測(cè)設(shè)施完善等;對(duì)水庫供水涵管更新改造及附屬設(shè)施建設(shè),包括新建輸水隧洞及附屬設(shè)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(bào)告》資料,綜合分析充電法、高密度電法、面波勘探法和偽隨機(jī)流場(chǎng)法探測(cè)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(duì)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(jìn)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(zhǎng)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(jì)灌漿孔150個(gè),第二排孔孔距均為2 m,計(jì)灌漿孔151個(gè),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(jì)301個(gè),灌漿鉆孔總進(jìn)尺10 690 m。預(yù)計(jì)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(zhǎng)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(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)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(jī)械復(fù)雜程度、施工工期及工程造價(jià)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(yàn),土壩防滲灌漿后效果大多不理想(主壩于2008年實(shí)施壩體灌漿加固),方案二雖然造價(jià)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(shè)計(jì)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(duì)壩下涵管采取相應(yīng)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(shí)進(jìn)口新設(shè)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(hù),在壩后新設(shè)蝶閥井,與供水管道連接,新建管道管底高程為11.15 m,進(jìn)水塔控制房檢修平臺(tái)高程24.3 m,壩下涵管每隔3m設(shè)截滲環(huán)一道,施工期壩前設(shè)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(zhǎng)112.28 m,其中進(jìn)水渠長(zhǎng)6.0 m,進(jìn)水塔段長(zhǎng)10.0 m,漸變段3.0 m,隧洞洞身段長(zhǎng)47.2 m,DN2000管道段長(zhǎng)13.0 m,DN800管道段長(zhǎng)33.08 m,隧洞段全洞段Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖,與現(xiàn)狀管道銜接處新建控制房便于維護(hù)。新建隧洞洞徑采用2.0 m,進(jìn)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(qiáng)風(fēng)化花崗巖層內(nèi),圍巖穩(wěn)定性較差,全洞段采用小導(dǎo)管加臨時(shí)鋼拱架支護(hù),全洞段設(shè)Ф20系統(tǒng)錨桿加C25混凝土噴錨臨時(shí)支護(hù),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(fèi))。

綜合比較,方案一優(yōu)點(diǎn)是工程不存在占地問題,涵管改造均在原涵管處實(shí)施,缺點(diǎn)是原壩下涵管拆除重建方案需拆除主壩壩體,一方面需設(shè)置施工圍堰工期較長(zhǎng),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(yùn)行中容易滲漏而存在較大安全隱患。方案二優(yōu)點(diǎn)是實(shí)施工期短,施工方便,缺點(diǎn)是隧洞下游出口需新增用地,工程實(shí)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(hù)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(cè)設(shè)施完善方案

清溝水水庫大壩排水及監(jiān)測(cè)設(shè)施不完善,部分觀測(cè)設(shè)施已損壞,不能滿足水利工程安全達(dá)標(biāo)建設(shè)要求。本次僅設(shè)計(jì)表面變形(水平位移和豎向位移)觀測(cè)項(xiàng)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(shè)4個(gè)斷面,共計(jì)16個(gè)變形觀測(cè)點(diǎn)。壩體與壩基滲流壓力監(jiān)測(cè)共計(jì)16個(gè)鉆孔,埋設(shè)16支進(jìn)口振弦式滲壓計(jì)?，F(xiàn)狀測(cè)壓管已堵塞,沿壩長(zhǎng)方向布置三個(gè)觀測(cè)橫斷面,共11孔,統(tǒng)計(jì)測(cè)壓管總長(zhǎng)160 m。在管理房的附近露天開闊地帶設(shè)置氣溫計(jì),并用玻璃鋼鋼百葉箱進(jìn)行保護(hù),雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)和氣溫計(jì)布置在一處,雨量計(jì)采用翻斗式雨量計(jì)。

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(jì)算,現(xiàn)狀已有1根DN500原水管,因此本工程采用單管敷設(shè),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(jì)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(jì)算同時(shí)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(jì)算結(jié)果見表1。

表1 水力計(jì)算表

綜合DN600、DN700、DN800三種管徑的水力計(jì)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(jí)

本工程新建管道最大水壓線值即水庫設(shè)計(jì)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(jí)為PN0.6。

3.3.3 管材選擇

目前,普遍應(yīng)用原水管道工程中輸水管材有鋼管、三階段預(yù)應(yīng)力鋼筋砼管(PCP)、預(yù)應(yīng)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(shí)例[8]。DIP管鑄造難度較大、價(jià)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(yīng)地形變化,抗內(nèi)外壓大,但造價(jià)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(jià)稍高;PCP管雖防腐能力強(qiáng),最經(jīng)濟(jì),但接頭復(fù)雜,維修不方便,抗?jié)B性能較差。鋼管價(jià)格最高,PCCP管較便宜,PCP管價(jià)格最低,從經(jīng)濟(jì)角度考慮宜選擇造價(jià)較低的管材,PCP管和PCCP管較有優(yōu)勢(shì),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(hù)管理、對(duì)地基不均勻沉降適應(yīng)能力強(qiáng)的管材。因此,結(jié)合各種管材的應(yīng)用實(shí)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(jì)性能及廠家生產(chǎn)供應(yīng)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(chǎng)踏勘,本次新建原水管分A、B、C三段進(jìn)行設(shè)計(jì),各段管道根據(jù)各自情況分不同方案進(jìn)行埋地敷設(shè)。

(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(shè)計(jì)起點(diǎn)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(shè),該段設(shè)計(jì)管道總長(zhǎng)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(shè)計(jì)管道總長(zhǎng)度15 m。

(2)B段輸水管

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

(3)C段輸水管

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(shè),設(shè)計(jì)管道總長(zhǎng)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(shè),設(shè)計(jì)管道總長(zhǎng)735m。該方案新建原水管施工對(duì)現(xiàn)狀原水影響較小,且無需跨橋,對(duì)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(duì)比情況見表2。

表2 C段輸水線路方案對(duì)比表

4 結(jié)語

實(shí)施清溝水水庫除險(xiǎn)加固是供水安全和防洪安全基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成內(nèi)容,是以規(guī)范化建設(shè)促進(jìn)正規(guī)化管理的重要措施,符合國(guó)家關(guān)于切實(shí)治理病險(xiǎn)水庫、確保安全度汛的要求。本次主要對(duì)主壩進(jìn)行加固,并新輸水隧洞以及供水主管,水庫經(jīng)除險(xiǎn)加固后,可恢復(fù)和保證水庫的正常功能,效益是顯著的,對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)是很大的。工程于2022年竣工,水庫目前運(yùn)行良好,除險(xiǎn)加固效果較好。工程建成后應(yīng)加強(qiáng)水庫管理,保護(hù)庫區(qū)生態(tài),防止水土流失,定期進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)分析,定期對(duì)水工建筑物進(jìn)行檢修,以確保水質(zhì)和大壩安全。