从工程经济方面考虑对大石门水库除险加固工程的方案优化

从工程经济方面考虑对大石门水库除险加固工程的方案优化

从工程经济方面考虑对大石门水库除险加固工程的方案优化摘要：文章针对平定县大石门这座病险库，提出了三种不同的除险加固方案，经过对各个方面的比较论证，确定出溢洪道+扩建输水洞方案是一个既能使水库较长期地发挥防洪效益，保证溢洪道安全泄洪，又能兼顾水库潜在供水效益和有关各方利益的积极的、标本兼治的方案。关键词：大石门水库除险加固方案优化中图分类号：F283文献标识码：A文章编号：1004-4914(2007)10-282-02一、工程概况1.水库基本情况。大石门水库位于山西省平定县城南20km的大石门村南200m的阳胜河上，阳胜河属海河流域的子牙河水系，是桃河支流南川河的支流。阳胜河发源于平定县西南的范家掌，往东26km至坝址，坝址以下往北、东10km到西郊村汇入南川河，再往北走、西北约8km到乱流村入桃河，总长44km(入南川河之前长36km),坝址以下主河道长26km,坝址处控制流域面积143km2,其中石山区面积86km2,n土石山区面积57km2。水库开发目的灌溉农田2万亩，解决山区人畜的饮水兼顾防洪、发电、养鱼等，建库以来，使下游免遭洪水危害，减免损失346.2万元，净效益251.4万元。由于水源不足，工程经30多年运行，设施日益老化，库区内渗漏严重，淤积量逐年增加，发挥效益较差。自1979年以来，水库主要解决4个乡3万多人及3000头大畜吃用水，灌溉土地3000亩，并利用水面发展养鱼生产。水库于1959年9月动工兴建，1960年7月坝高建至31.15m,溢洪道底高程1026.5m,因材料困难，施工队伍人员变动，工程由县委决定停工缓建，开始蓄水运行。经1963年水文复核，防洪标准低，于1964年5月―9月续建，坝高增至31.7m,并加筑1m防浪墙，同时溢洪道底下挖3m至1023.5m,至此总投资221.6万元。1964年9月未达设计标准而竣工，10月份进行阶段验收后正式投入运行。1971年为增加水库蓄水量，溢洪道进口处筑起了3m高浆砌石子堰堰顶高程达到1026.5m，1980年又因防洪不过关炸掉子堰，堰顶高程又恢复到1023.5m。水库为中型水库三等工程。枢纽工程由大坝、溢洪道、输水管组成，为3级建筑物。根据《防洪标准(GB50201―94)》，本枢纽工程应达50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核的防洪标准。原设计防洪标准为100年一遇洪水，因坝n高不达设计要求，更加多年来库区泥沙淤积量大，现水库可满足50年一遇洪水设计，相应库容为1263万m3,但不能满足500年一遇洪水校核标准，下游河道安全泄量只能达到5年一遇标准。该库保护范围土地1.2万亩，乡1个村庄4个，人口6556人，石太干线公路5km，太旧高速公路3km。2.枢纽工程。枢纽工程由大坝、溢洪道、输水管组成。大坝：浆砌石重力坝，底长30m,宽31.5m,坝底高程998m,坝顶主程1029.7m,相应坝高31.7m,坝顶长100m,宽3.5m,防浪墙1m,相应墙顶高程1030.7m。坝体迎水面边坡1:0.1，背水面边坡1:0.75，坝基面采用80#水泥砂浆勾缝，坝顶中部13m比两面三刀边高2.3m,相应高程1023m,修建4*4*3.5m3的启闭室，以控制输水管的泄量。坝体内设廊道排水，坝基采用齿槽防渗。溢洪道：位于大坝右侧，开敞陡坡式，无闸门控制，进口堰顶高程1032.5m,宽27m,宽顶堰长43m,溢洪道全长220m,平均纵坡12.95%o中部左岸有50m一段为浆砌石翼墙，底部和左部靠自然基岩消能。在溢洪道上有输水渡槽和石拱桥各一座。输水管：位于坝中下部，采用钢筋混凝土预制管接分叉铸铁管。混凝土管内径1.1m,外径1.35m,长35.5m,两支铸铁管内径为0.6m,长11.5m,输水管全长47m,阀安装在出口铁管上，进口处原有拦污栅、闸门及启闭设备已坏，并n将摇臂架的12m角铁几乎全部淤埋，进口屡遭堵塞，现在紧靠出口处闸阀控制放水，进口底高程1008.5m，出口底高程1000m。二、方案比较1.方案I一溢洪道加固+新建泄道排沙洞+加粗排沙管经过水文分析计算，新建泄洪排沙洞同现有溢洪道联合泄洪，当溢洪道进口底高程保持1023.5m时，在设计洪水情况下最高洪水位为1027.7m,相应下泄流量为476m3/s（其中溢洪道404m3/s,泄洪洞72m3/s）;在校核洪水情报况下最高洪水位为1029.94m,相应下泄流量为845m3/s（其中溢洪道768m3/s，泄洪洞77m3/s）。这里，最高洪水位加上风浪高后达到1030.56m（防浪墙顶高程1030.6m），安全超高已经很少。但考虑到目前溢洪道进口处的堰顶高程实际为1023.2m左右，因此也还是安全的，不再专门降低溢洪道堰顶高程。根据溢洪道的现状，可以将其划分为四段：进口段、中部陡坎段、陡坡段和出口陡坎段。其中中部陡坎段长48m，高差却为13.5m,平均坡降达0.281;由口陡坎段长50m,高差11.8m，平均坡降0.236，这两段落差较为集中。特别是中部陡坎段地处断层破碎带，岩体抗冲能力差，现在已经形成很多不规则的冲坑，应该是防护的重中之重。处理措施是：n中部陡坎段建一座消力池，集中消除该段及以上的能量；接下来的陡坡段整修成钢筋混凝土衬砌的规则渠床；出口陡坎段通过一小一大两个自然冲坑按一级水跃计算（依据流量的大小，实际发生的可能依次是底流水跃、挑射加戽流和面流混合消能）属于淹没水跃。由于计算泄流流速大于岩石抗冲流速，故防护工程均采用钢筋混凝土。只在局部坑槽内填筑M7.5水泥砂浆砌石。新建泄洪沙洞布置在距石坝头约10m处（洞身高程处距坝体约30m）。利用泄洪排沙洞可以相成槽库容，加大水流纵坡，有利于排沙、减缓淤积和蓄水兴利。新建泄洪排沙洞距坝较近，施工中不适当的爆破作业可能对水库大坝产生不利影响，需要特别加以注意。由于新建泄洪排沙洞进口距坝内输水洞进口之间还有一段距离，而现在的输水洞前尚未形成稳定的漏斗形，更无法使二者连通。故须配套加粗坝后排沙管。此外，由于水库建成近四十间坝内输水洞放水流量很小，坝下游河道不再行洪，因此滩面淤高，栽种很多树木；更加之大石门村沿河建宅院，其地基高程与河滩高程几乎不相上下。因此还须沿河岸修建护村堤。而新建泄洪排沙洞的泄流规模也就是权衡坝后河段允许泄量的基础上确定的。2.方案n一溢洪道加固+扩建输水洞。本方案同方案I基本相同，不同的是采用现有的输水洞人工撬挖扩大，以其使n泄流规模同新建泄洪排沙洞基本相当。溢洪道的加固同案I完全一样。扩建输水洞的布置、结构形式、闸门设置均为与新建泄洪排沙洞相同。但由于输水洞同坝后输水管在同一位置，槽库容可以充分利用，从而使泄洪排沙、蓄水与供水得到完全的统一。扩建输水洞要遇到以下三个问题。一是坝体质量如何，是否允许开挖以及能否成洞；二是挖洞后减小了大坝的重量；三是洞口处结构基础如何处理，以及同坝体能否连成一体。上述问题已经初步得到了解答。首先，从现有资料和当时参加施工人员回忆中可以肯定1018m高程以下坝体质量是好的，人工开挖是可以成洞的。现有的混凝土管的人工凿除虽比较费力，但破口砌石的撬挖并不困难；其次，前面已经提到过，大坝由于没有建到设计高程，而施工已按设计底宽放了线，大坝应该是安全的。扩挖输水洞净减少的坝体积为121m3，其重量约为坝体总重量的0.5%，这一影响实际上是微不足道的；至于洞进口处闸室结构的基础问题，经过对粉喷桩、旋嘞桩、混凝土灌注桩和预制混凝土打入桩等四种方案从承载力、变形特性、施工难易和工程造价几方面比较后胸墙着坝下游坡并用插筋锚固等措施，整体稳定问题就解决了。2.方案in一溢洪道加固扩建+加粗排沙管。根据水文分析计算成果，水库泄洪设施为单一溢洪道时，在校核洪n水情况下设定了几种水位进行调洪计算，其结果为：n溢洪道进口底向程为1023.5m时，相应洪水位1030.92m；溢洪道进口底向程为1022.5m时，相应洪水位1030.92m；溢洪道进口底向程为1029.5m时，相应洪水位1029.92m；由于现状坝顶高程为1029.60m，防浪墙顶高程为1030.6m。按校核洪水情况风浪高0.62m，安全超高0.3m计，则溢洪道进口底高程必须降低至1022.0m，即在目前1023.5m的基础上下挖1.5m。而在此情况下，溢洪道三十年一遇洪水时的计算泄流量为534m3/s,比方案I、n增加约57%,防护工期程量因此而加大，按允许不冲流速计算急流陡槽段必须采用混凝土护面。而且溢洪道未端（该段宽度偏小，且有渡槽和交通桥两处建筑物。暂不作防护，待其在自然冲刷过程中取得平衡后再作处理）消能不够充分，须待下游冲深后才能形成淹没水跃。本方案除进口段下深外，其余部分加固内容同方案I、n基本相同。由于目前的输水洞进口经常淤堵，不能正常工作。因此，本方案还必须同时改造输水洞与之配套，将输水洞的出口段直径加大为1m，以形成稳定的进口淤积漏斗，减少输水洞淤堵的机会。三、结纶从上述三个方案的基础情况看，方案田仅从消极的角度n就防洪论防洪，其结果防洪效益既不能持久，供水效益也无法兼顾，缺点较为时显。方案田可能最省。但其最大缺点一是水库的淤积速度不可能减缓，直接影响水库使用寿命；二是不可能产生槽库容，因此无法满足今后对水库供水的要求。而方案I、n则既兼顾了水库防洪，又兼顾了今后的供水效益，尤其是方案田在500年一遇洪水时，溢洪道最大泄量达1005.3m3/s,方案n在500年一遇洪水时，溢洪道最大泄量可降至767.6m3/s,比方案出减少237.7m3/s,方案I同样可使溢洪道减少200多个流量，因此均优于方案出。各方案的直接费用比较见下表。方案I、n的效益基本相同。方案I费用最高（计入闸门、启闭机后），但除了隧洞爆破施工对水库大坝可能的不利影响外，顾虑较少。方案n费用较方案I要低，效益统一性好。不过，尽管作为进水闸地基的水库淤积物已经有30多年的沉积历史，但其物理力学性质尚须进一步探明。综上所述，方案n是一个既能使水库较长期地发挥防洪效益，保证溢洪道安全泄洪，又能兼顾水库潜在供水效益和有关各方利益的积极的、标本兼治的方案。特别是泄洪排沙底洞对槽库容形成，加大排沙比、减少溢洪道泄流量等方面有着重要的、无可替代的作用。（作者单位：水利部山西水利水电勘测设计研究院n西太原030024）（责编：小青）