清沟水水库除险加固工程建设方案初探

张云辉

(河源市水利水电勘测设计院有限公司,广东 河源 517000)

1 工程概况

清沟水水库位于连平县三角镇清沟水,所在河流为大湖支流,工程于1966年竣工,建设规模为小(1)型,总库容212.77万 m3,是一座以灌溉、供水及防洪等综合利益的小(1)型水利枢纽工程[1]。水库建成以来,对保证水库下游的灌溉用水和防洪安全起到了较大的作用,也为当地经济的发展做出了较大的贡献。近年来,随着经济的发展,水工建筑物保护对象也越来越重要,对经济的发展影响也越来越大。但是,尽管水库在1979年、2008年分别对水库进行了除险加固,对枢纽溢洪道、涵管等进行加固改造,但水库本身存在的工程问题众多,目前已严重影响到水库的正常运用及自身安全,严重影响了水库功能的发挥[2],为了继续保证水库的灌溉效益及防洪安全并发挥更大的作用,对水库进行安全加固十分必要的[3]。

2 水库现状及存在的问题

为全面了解水库工程情况和存在的安全隐患,经现场对水库进行全面勘查,各主要建筑物的总体现状情况如下:

(2)输水涵。坝下输水涵管是为了满足下游的供水需求,出口接供水管道至水厂。原涵结构为0.6×0.8 m(宽×高)浆砌石方涵,2008年在涵内套内径0.54 m(外径0.56 m)焊接钢管,进口涵底高程12.0 m,进口开关为铸铁转动门盖,涵长72 m,坝顶设启闭机房。运行多年来输水涵管管身老化,启闭设施锈蚀已无法正常运行,输水涵结构已存在安全隐患。

(3)溢洪道。经1979年、2008年两次溢洪道加固设计后,现状堰型为驼峰堰,堰顶高程21.1 m,宽20.0 m,堰后消力池长7.3 m,池底高程19.28 m,池深0.83 m,溢洪尾水归入清沟水河,为天然渠道,河势较宽,归槽水流顺畅。

(4)供水管道。现状供水管道总长度0.98 km,为钢管、管两种管材,管径为DN500,长度分别为100 m和880 m。水库供水管道管径过小,供水能力不足,现有管道经常发生管道爆裂的问题,严重影响水厂供水。

(5)其他建筑物。其他建筑物主要水库观测设施,水库观测设施测压管、水位计、雨量站等,测压管淤堵严重,水位计及其它设施运行正常。

3 除险加固方案

3.1 除险加固的内容

水库除险加固的内容主要如下:水库主要及附属建筑物进行除险加固,包括主坝防渗、水库监测设施完善等;对水库供水涵管更新改造及附属设施建设,包括新建输水隧洞及附属设施,坝后供水管道改造等。

3.2 主要建筑物加固

3.2.1 大坝加固方案

根据《清沟水水库大坝渗漏原因分析及渗漏通道探查物探工作报告》资料,综合分析充电法、高密度电法、面波勘探法和伪随机流场法探测成果,发现清沟水水库主坝存在7条渗漏通道,因此,需对主坝采取防渗加固措施,以保证水库大坝安全。经研究,需采取以下两种方案进行坝体加固:

方案一:防渗帷幕灌浆

从左坝肩开始布孔至右坝肩止,布孔坝段全长225 m,灌浆位置位于坝顶中轴线,在坝面上布置灌浆孔两排,排距1 m,第一排孔孔距均为2 m[6],计灌浆孔150个,第二排孔孔距均为2 m,计灌浆孔151个,两排孔在平面上形成梅花型,孔深在剖面上呈阶梯状,由左、右坝头向坝中轴方向逐渐加深,最大孔深36.1 m,灌浆孔总计301个,灌浆钻孔总进尺10 690 m。预计工程投资约860万元。

方案二:混凝土防渗墙结合防渗帷幕

本防渗方案处理范围及深度均与方案一相同,其中防渗墙主要是处理坝体渗漏问题,形成地下连续墙,长225 m,最大墙高29.5 m,厚0.8 m,材料为C20砼,防渗墙以下及两侧的强风化、中风化采用防渗帷幕灌浆处理,处理方式均与方案二相同。工程投资约1 809.28万元。

从工程施工难度、施工机械复杂程度、施工工期及工程造价等方面比较[7],方案一均明显优于方案二,但从该地区土坝历史加固经验,土坝防渗灌浆后效果大多不理想(主坝于2008年实施坝体灌浆加固),方案二虽然造价较高,但可从根本上解决大坝渗漏问题,因此本次主坝防渗设计推荐采用方案二。主坝防渗断面图见图1。

图1 主坝防渗断面图

图2 清沟水水库—鹏城水厂原水管方案布置图

3.2.2 坝下输水涵管改造方案

主坝输水涵管原为浆砌石方涵,为保证下游供水,对坝下涵管采取相应的工程措施。

方案一:拆除重建方案。拆除主坝坝下旧涵管,改建为DN1000供水兼放空管道,同时进口新设控制塔及控制检修闸门及管理房,以便于涵管后期管理维护,在坝后新设蝶阀井,与供水管道连接,新建管道管底高程为11.15 m,进水塔控制房检修平台高程24.3 m,坝下涵管每隔3m设截渗环一道,施工期坝前设施工围堰,围堰采用土石围堰,围堰顶高程为13.87 m,堰顶宽度7.0 m。经初步估算,本方案总投资约950万元。

方案二:新建隧洞方案。新建供水建筑物总长112.28 m,其中进水渠长6.0 m,进水塔段长10.0 m,渐变段3.0 m,隧洞洞身段长47.2 m,DN2000管道段长13.0 m,DN800管道段长33.08 m,隧洞段全洞段Ⅳ、Ⅴ级围岩,与现状管道衔接处新建控制房便于维护。新建隧洞洞径采用2.0 m,进口底高程为9.65 m,出口底高程为9.15 m,新建隧洞全洞段基本位于强风化花岗岩层内,围岩稳定性较差,全洞段采用小导管加临时钢拱架支护,全洞段设Ф20系统锚杆加C25混凝土喷锚临时支护,隧洞永久衬砌采用400厚C35钢筋混凝土结构,全洞段采用固结灌浆提高围岩稳定性。经初步估算,本方案总投资约775.17万元(不含征地拆迁赔偿费)。

综合比较,方案一优点是工程不存在占地问题,涵管改造均在原涵管处实施,缺点是原坝下涵管拆除重建方案需拆除主坝坝体,一方面需设置施工围堰工期较长,另一方面开挖后要填筑坝体,填筑质量不易控制,土坝坝下埋管施工及后期运行中容易渗漏而存在较大安全隐患。方案二优点是实施工期短,施工方便,缺点是隧洞下游出口需新增用地,工程实施难度大。综合考虑,虽然新建隧洞方案存在用地难的问题,但是从工程的投资、施工难度、后期的维护管理等方面均较为优越,推荐采用新建隧洞方案。

3.2.3 水库监测设施完善方案

清沟水水库大坝排水及监测设施不完善,部分观测设施已损坏,不能满足水利工程安全达标建设要求。本次仅设计表面变形(水平位移和竖向位移)观测项目,具体布置根据规范要求,平行于主坝坝轴线方向布置4排,设4个断面,共计16个变形观测点。坝体与坝基渗流压力监测共计16个钻孔,埋设16支进口振弦式渗压计。现状测压管已堵塞,沿坝长方向布置三个观测横断面,共11孔,统计测压管总长160 m。在管理房的附近露天开阔地带设置气温计,并用玻璃钢钢百叶箱进行保护,雨量监测点和气温计布置在一处,雨量计采用翻斗式雨量计。

3.3 水库供水管改造方案

3.3.1 管径确定

原水管道按3.0万 m3/d规模计算,现状已有1根DN500原水管,因此本工程采用单管敷设,为防止外部环境的水流入或渗入原水,保证原水水质的安全可靠,本工程推荐采用管道输送原水。原水管道按3.0万 m3/d规模计算,输水模式采用为重力流压力管道输水,由于本段最小可利用水头较小,且最小可利用水头须大于总水头损失,因此本次采用倒推法计算同时满足流量和总水头损失小于最小可利用水头的最小管径。水力计算结果见表1。

表1 水力计算表

综合DN600、DN700、DN800三种管径的水力计算结果分析,选定本次原水管道公称直径为DN800。

3.3.2 管道压力等级

本工程新建管道最大水压线值即水库设计洪水位24.27 m,管路最低管中心高程4.06 m,管道最大内压20.21 m,本次选择管段压力等级为PN0.6。

3.3.3 管材选择

目前,普遍应用原水管道工程中输水管材有钢管、三阶段预应力钢筋砼管(PCP)、预应力钢筒混凝土管(PCCP)、球墨铸铁管(DIP)、玻璃钢夹砂管(RPMP)五种,且在以往都有一定的工程实例[8]。DIP管铸造难度较大、价格较高,RPMP管抗冲击能力较差,曾多次出现过爆管现象,因此不建议采用DIP管和RPMP管;钢管的抗渗性能最好,适应地形变化,抗内外压大,但造价高,防腐要求高;PCCP管抗渗性能好,抗内压较好,但管材较重,造价稍高;PCP管虽防腐能力强,最经济,但接头复杂,维修不方便,抗渗性能较差。钢管价格最高,PCCP管较便宜,PCP管价格最低,从经济角度考虑宜选择造价较低的管材,PCP管和PCCP管较有优势,从技术角度考虑宜选用管道安装方便、防渗性能好、便于后期维护管理、对地基不均匀沉降适应能力强的管材。因此,结合各种管材的应用实例情况、本工程具体情况以及管材自身的技术性能、经济性能及厂家生产供应能力综合分析,本工程输水管采用PCCP管。

3.3.4 输水线路

为提高清沟水水库向水厂的供水保障率,本次保留清沟水水库—水厂现有原水管,现状DN500原水管依然发挥作用,与新建DN800原水管互为备用。根据地形图和现场踏勘,本次新建原水管分A、B、C三段进行设计,各段管道根据各自情况分不同方案进行埋地敷设。

(1)A段输水管:根据新建DN1000坝下涵管和新建DN2000隧洞两种方案,本工程供水部分输水管线设计起点段(A段)有两种可行性方案。

方案一:接主坝下DN1000涵管

水库主坝下现有输水涵管管径加大至DN1000,新管建成后,利用岔管将新建涵管与现状DN500和新建DN800原水管连接,新建DN800管沿现状原水管的南侧至西向北敷设,该段设计管道总长度140 m。

方案二:接新建DN2000隧洞

新建DN2000隧洞后,利用斜丁字管将新建隧洞与现状DN500和新建DN800原水管连接,前半段的现状DN500原水管拆除,该段设计管道总长度15 m。

(2)B段输水管

本次设计DN800原水管道B段沿现状DN500原水管的南侧敷设,本段设计管道总长度105m,现状为开阔且地势平稳地块,施工条件较好。

(3)C段输水管

根据现场踏勘,C段输水线路有两种可行方案,其中方案一是新建原水管与现状原水管在清沟水水库溢洪道的同一侧布置,新建DN800原水管、现状DN500原水管布置在水库溢洪道西侧,新建原水管沿现状原水管的西侧敷设,设计管道总长720 m。方案二是新建原水管与现状原水管分别布置在水库溢洪道东、西两侧。新建DN800原水管、现状DN500原水管分别布置在水库溢洪道东西侧,新建原水管沿水库溢洪道东侧敷设,设计管道总长735m。该方案新建原水管施工对现状原水影响较小,且无需跨桥,对鱼塘处桥梁结构或溢洪道行洪能力无影响,但新建原水管与现状管存在一处交叉,两处跨河段,输水管线局部可能涉及基本农田范围。C段两种输水线路方案对比情况见表2。

表2 C段输水线路方案对比表

4 结语

实施清沟水水库除险加固是供水安全和防洪安全基础设施建设的重要组成内容,是以规范化建设促进正规化管理的重要措施,符合国家关于切实治理病险水库、确保安全度汛的要求。本次主要对主坝进行加固,并新输水隧洞以及供水主管,水库经除险加固后,可恢复和保证水库的正常功能,效益是显著的,对国民经济的贡献是很大的。工程于2022年竣工,水库目前运行良好,除险加固效果较好。工程建成后应加强水库管理,保护库区生态,防止水土流失,定期进行水质检测分析,定期对水工建筑物进行检修,以确保水质和大坝安全。