水库输水洞除险加固设计方案研究

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1原工程概述

三架山水库位于驻马店市驿城区胡庙乡，在淮河流域洪汝河水系汝河支流玉皇河上游，水库控制流域面积4.5km2，总库容306万m3。水库始建于1964年冬季，1966年竣工。水库工程由大坝、溢洪道、输水洞组成。（1）大坝：粘土心墙砂壳坝，全长200m，坝顶高程178m，最大坝高24m，坝顶宽4.50m。（2）溢洪道：位于大坝左坝肩，无控制措施，左岸边墙为石英岩，右岸为浆砌石导水墙。（3）输水洞：位于大坝右坝肩桩号0+011处，进口座落于库区内右岸山坡之上。洞身分为三段，①进口至粘土心墙前为直径0.5m的现浇钢筋砼圆涵，该段洞身座落于石英岩和碎石上；②粘土心墙下部洞身为0.6×0.6m钢筋混凝土方涵，该段洞身斜交于大坝；③出口段洞身为直径0.5m的现浇钢筋砼圆涵。输水洞进口底高程为159.30m，出口底高程为157m，洞身长168m，进口斜拉闸门控制，出口为闸阀控制。2008年12月输水洞工程开工，施工中对输水洞上段拆除重建，保留下游段洞身，对出口消能工程进行加固，2009年4月完工。

2存在问题

（1）工程存在的问题：2009年9月，水库开始下闸蓄水，至2010年5月，库水位达到高程167m。2010年5月底，输水洞开闸放水，现场检查发现，输水洞下游闸房处排水沟及坝脚低洼处漏水严重。（2）存在问题的初步分析：①输水洞渗漏问题由来已久，险情发生后通过走访参加过处理输水洞渗漏的群众得知，输水洞自1965年建成后不久就存在渗漏，70年代末由当时的确山县水利局组织人员曾经进行过处理，计划处理的方案为：沿上游坝肩向下开挖竖井至漏水的箱涵部位，采用预制砼管固壁后再处理渗漏部位，后因开挖后的井壁坍塌严重，预制砼管无法沉入而放弃。②输水洞除险加固前，水库一直处于低水位运行，渗漏不太严重，2009年除险加固后开始下闸蓄水，高水位运行后才发现渗漏问题加剧。③输水洞运行方式由无压洞变为有压洞运行，粘土心墙下老箱涵接头处止水老化、失效，在高压水流的作用下被击穿，形成渗漏通道；④粘土心墙与老箱涵结合部可能已经形成接触渗流带，这是造成下游坝脚新建圆涵外侧渗漏的主要原因。

3方案比选

根据以上总结分析的输水洞存在的工程险情，本次输水洞除险加固设计重点解决输水洞洞身渗漏及洞壁接触渗漏问题，消除安全隐患。综合考虑工程安全、投资、运行管理、效益等制约因素，初步拟定重建、竖井、隧洞3种方案进行比选。

3.1重建方案设计

破坝拆除重建输水洞，新建进、出口控制设施。（1）坝体拆除：沿现状输水洞位置拆除坝顶路面、防浪墙、上下游护坡；开挖坝体，左岸开挖边坡坡比1∶3，右岸开挖至岩石岸坡；拆除老输水洞。（2）重建输水洞：新建钢筋砼塔式进水口、箱涵（断面尺寸1.50m×1.80m、宽×高）及出口连接段。输水洞轴线向右岸偏移，使建筑物座落在石英岩基础之上。（3）坝体恢复：按照大坝原设计断面尺寸回填粘土心墙和砂壳坝体，恢复大坝上游砼护坡、坝顶浆砌石防浪墙、砼路面。

3.2竖井方案设计

开挖竖井，直接处理粘土心墙下部已经查明的箱涵漏水部位。

3.2.1竖井开挖

(1）自坝顶处沿粘土心墙垂直开挖竖井至已经查明存在渗漏的箱涵部位，浇筑C20砼进行堵漏，形成一道外包箱涵的截水环进行截渗；(2）竖井开挖断面为正方形，边长3m，边开挖边支护，竖井开挖深度达到2m时随即采用标准钢模板固壁、钢管支撑进行支护，竖井底部开挖高程必须低于现状箱涵底部1m，即高程152m。

3.2.2充填灌浆防渗

(1）在竖井底部沿洞身外壁与粘土心墙结合部，分别在水平方向向上、下游采用水泥粘土浆充填灌浆。(2)垂直大坝轴线方向，对粘土心墙下箱涵外侧进行水泥粘土浆充填灌浆，灌浆长度为箱涵全段，灌浆孔沿洞顶和两侧洞壁布置3排，孔距0.8m。

3.2.3新建进水口控制设施（同重建方案）

3.3隧洞方案设计

老洞封堵，新开输水隧洞。（1）老洞封堵：自现状输水洞进口处，分别向洞身内和洞身外壁水平方向充填水泥粘土浆进行封堵，直至充填密实后在洞身进口处浇筑钢筋砼塞进行密封。（2）新开隧洞：位置选择在大坝右岸山体，进水口位于现状输水洞进口上游，出水口位于现状输水洞出口闸阀房右侧山坡处，洞身长192m；进口设塔式闸门控制，洞身断面为直墙圆拱型，采用“先拱后墙法”衬砌施工；隧洞纵坡3/1000；出口设消能段与下游河道连接。

3.4方案比选

对于上述比选的3个方案，主要不同之处在于破坝与否，从而带来对地形及地质适应性、工程施工难易程度、工程除险后安全性及工程投资等方面的差异，方案比选主要针对上述几点进行评价分析，最终选择较为理想的设计方案，比较如下。

3.4.1地形及地质情况

从地形、地质情况看，重建方案需要破坝，施工在地形上不受限制，坝体开挖后能直观的处理不良的地质情况，但需要高边坡开挖，土石方工程量大。竖井方案工作面狭窄，受地形限制，大型机械无法施工，地质情况不明，不确定因素较多。隧洞方案同样受地形限制，施工效率低。

3.4.2工程施工条件及难易程度

3个方案对外交通，用水、用电条件基本相同。重建方案：该方案施工设备简单，施工技术成熟、砼施工质量易于控制，工程较长，需要在一个非汛期内完成。坝体回填施工碾压质量要严格控制。竖井方案：该方案施工设备简单，竖井开挖施工风险大，不安全，施工环境差，质量不易于控制，施工队伍不易选择。隧洞方案：施工技术、地质情况复杂，施工受天气影响干扰较小。总之，从施工角度讲，3个方案各有千秋，重建方案施工较为简单、成熟；竖井方案施工设备简单，隧洞方案技术复杂。

3.4.3除险加固后的工程安全度

如前所述，该次设计的重点是解决输水洞洞身渗漏及洞壁接触渗漏问题，无论采取何种方案都要处理洞身渗漏问题。重建方案能彻底解决渗漏安全隐患，但受汛期影响，存在防汛风险；竖井方案处理位置明确，但充填灌浆质量不易控制、处理效果不太直观；隧洞方案对洞身的封堵理论能很好解决存在的渗漏问题，技术复杂。

3.4.4工程投资评价

重建方案工程投资498.35万元，竖井方案工程投资132.92万元，隧洞方案工程投资346.01万元。从工程投资上看，重建方案投资偏大，竖井方案投资较省，隧洞方案投资居中。

3.5推荐方案

综合上述比较，各方案在工程施工条件及施工难易程度，工程除险加固后安全度及工程投资等方面存在差异。但从长远来看，综合考虑工程防汛安全大局，本次方案比选认为：重建方案较为优越，该方案能彻底解决输水洞渗漏问题，施工技术成熟，且施工质量易于保证，工期虽长但有保障，故本次设计推荐重建方案。

4重建方案设计

4.1坝体拆除设计

本次设计沿现状输水洞位置拆除坝顶路面、防浪墙、上下游护坡；开挖坝体，左岸开挖边坡坡比1∶3，右岸开挖至岩石岸坡；老输水洞建筑物全部拆除。

4.2进口闸室段设计

根据输水洞进口的地形地貌，本次设计的输水洞进口建筑物采用塔式进水口，即在输水洞进口浇筑钢筋砼墩墙及排架，在排架顶部布置启闭机设备，并设工作桥与岸坡连接。输水洞塔式进口段各部分的结构布置如下。

4.2.1进水口段

进水口段为M7.5浆砌石斜降八字墙，顺水流方向长度6m,进口宽3m,与闸室连接处宽1.50m，八字墙高2.5m，底板高程159.50m，C20素砼结构。4.2.2闸室段闸室段为钢筋砼墩墙结构，闸孔净宽1.50m，闸底板顺水流方向长6m，宽4.50m，底板高程159.50m;检修层以下闸墩为钢筋砼结构，底宽0.4～1m，检修层高程为174.50m，启闭层高程为176.97m。

4.2.3工作桥

启闭机房与右岸岸坡之间采用工作桥连接。

4.3洞身段设计

输水洞洞身原设计位于大坝桩号0+010处，该处坝基为强风化破碎石英岩基础。设计将输水洞轴线向右岸偏移至桩号0+014处，使进口闸室段、洞身段座落在新鲜的石英岩基础之上。洞身采用单孔C20钢筋砼箱形涵洞，全长88m，底板纵坡3/1000，考虑施工及今后检修因素采用孔径1.5×1.8m（宽×高），洞身每10m分缝一道，分缝处设截水环及651橡胶止水。

4.4出口段设计

洞身出口设消能防冲段与下游尾水渠道连接，由斜坡段、消力池段、渐变段、尾水渠段组成。斜坡段长3.78m,采用1∶3的坡度与消力池连接；消力池深0.5m,池宽2m，池长5m；渐变段为浆砌石扭面结构形式，长5m；尾水渠段长5m，梯形断面，底宽2m。4.5坝体恢复设计输水洞建筑物施工完毕后，需对坝体恢复重建。坝体结构形式仍采用原设计，位置不变，即粘土心墙砂壳坝。坝顶高程178m，坝顶宽5m，上有1.0m高防浪墙，大坝上、下游均在165.0m处设一道宽2m的戗台；上游戗台以上坝坡为1∶2.5，以下坝坡为1∶3，均采用为砼护砌；下游戗台以上坝坡为1∶2.5，以下坝坡为1∶3，为草皮护坡；坝脚设贴坡排水；坝坡及右岸岸坡设纵横排水沟；上、下游坝坡各设踏步一道。

4.5.1粘土心墙

(1）粘土心墙设计顶部高程176.5m，顶宽3m，上、下游边坡均为1∶1，上、下游边坡均设置反滤层（3层反滤料），反滤层自心墙顶部深入截水槽底部。(2）在心墙底部开挖截水槽，横贯整个坝基并延伸到大坝右岸，设计将坝基强风化石英片岩全部清除至未风化岩基，截水槽开挖断面呈梯形，深3m，槽宽48.38m，边坡1∶1，底部高程154.8m；(3）在未风化岩基之上浇筑C20素砼垫层后开始回填粘土心墙，以免心墙填土与裂隙发育的岩石接触，心墙填土被裂隙内集中渗漏冲刷造成管涌。(4）粘土心墙填筑土料不再使用原心墙开挖粘土，设计采用新选粘土料场开挖土料，粘土料场位于大坝上游2km山坡脚处，储量完全满足要求；根据击实试验求得最优含水量16.8％，最大干密度1.72g/cm3。(5）粘土心墙填筑标准：压实度不小于96%，压实后的渗透系数不大于1×10-4cm/s。

4.5.2砂壳坝体

坝壳仍采用破坝开挖的坝体砂卵石或石渣料进行回填。砂壳坝体压实标准按相对密度确定，要求不低于0.75，具体压实参数以现场碾压试验确定的为准。

4.5.3上、下游坝坡

(1）上游坝坡设计采用C20砼进行护砌，护坡板厚为14cm，单块尺寸3×3m，板面设D75排水孔及反滤层，排水孔间距1m，板下设12cm厚的碎石垫层。

4.5.4下游坝坡

下游坝坡自戗台以上采用草皮护坡；戗台以下至坝脚采用干砌块石护砌，干砌块石下部设反滤层。4.5.5坝顶工程坝顶设计宽5m，上游坝肩设M7.5浆砌石防浪墙，净高1.0m；下游坝肩设路缘石；坝顶路面采用C20素砼浇筑，厚20cm，每5m分缝一道，缝内充填沥青填料。4.5.5排水沟及踏步下游坝坡每间距50m设排水沟一道，岸坡、戗台、坝脚各设排水沟一道，均采用C20素砼结构。为检修方便，在大坝上、下游坝坡各设踏步一道，踏步宽1.4m，坡度砼坝坡，均采用C20素砼结构。

5结语

三架山水库地理位置重要，下游有商桐公路、驻南公路及小型水库1座，保护人口1万余人、耕地2.5万亩，安全意义重大。由于输水洞存在病险隐患，为确保大坝安全，自2010年5月以来一直处于空库运行状态，水库防洪、养殖、灌溉等效益得不到充分发挥。2014年8月，三架山水库输水洞除险加固工程开工，水库的除险加固，对发展该地区旅游业，提高人民生活水平和生活质量具有重要的作用。

作者:杨伟娟 单位:驻马店市水利勘测设计研究院