石门水库除险加固工程泄洪洞改建方案研究

曹 畑，张 高，居 浩

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院,贵州 贵阳 550081）

1 工程概况

石门水库位于陕西省汉中市汉江上游支流的褒河峡谷出口以上1.8 km处,距汉中市18 km,坝址以上流域面积3861 km2,是一座以灌溉为主,结合防洪、发电、城市供水等综合利用的大（2）型水库。水库总库容1.09亿m3,正常蓄水位618 m,死水位595 m,设计洪水位615.87 m,设计灌溉农田51.5 万亩,电站装机40.5 MW,设计年发电量1.41 亿kW·h。水库枢纽由混凝土双曲拱坝、坝身泄洪中孔、泄洪排沙底孔、左岸泄洪洞、右岸河床电站等组成。其中,现状的左岸泄洪洞由进口引渠段、岸塔式进水口段、有压隧洞段、出口闸室段、出口明渠段组成,最大总泄量530 m3/s,进口引渠段长约30 m,渠底高程596.00 m。岸塔式进水口,进口底高程596.00 m,进水口后接内径6.8 m圆形有压隧洞,隧洞总长419.6 m。出口闸室段长22.0 m,闸底板高程542.00 m,出口明渠段水平长28.0 m,底坡2%,底宽由4.4 m扩大为10.3 m,采用底流消能方式。

2 现状左岸泄洪洞存在的问题

（1）洞身负压问题

根据水力学复核计算成果[1],库水位615.00 m、618.00 m、619.50 m全开泄洪时,隧洞洞顶最小水头均在隧洞第一水平转弯段末端,分别为-2.44 m、-0.15 m、0.99 m。模型试验成果表明[1],库水位615.00 m、619.50 m全开泄洪时,隧洞洞顶最小水头均在隧洞第一水平转弯段中间位置,分别为-2.61 m、0.79 m。隧洞第一水平转弯段中间位置横断面水压力测量值成果表明[1],弯道横断面左右两侧存在水压力差,弯道段隧洞内水压力最小值分别为-3.5 m、0 m。因此,泄洪洞在运行过程中洞身存在负压问题。

（2）泄洪调度问题

由于水库在低水位时洞内有负压存在,在实际运行中对泄洪洞出口工作弧门开启运行提出要求：设计洪水位615.87 m时,不允许开启工作门；正常蓄水位618.00 m时,可以局开工作闸门；校核洪水位619.50 m时,可以全开工作闸门。左岸泄洪洞仅适合在校核洪水位619.50 m以上时运行,不能充分发挥泄洪洞有效的调洪泄洪作用,对泄洪调度产生了一定的影响。

（3）水库排沙清淤问题

根据目前的测量成果[2],水库淤积量为4466 万m3,占总库容的42.54%。坝前的泥沙淤积和柴草树木石块的沉积已经对河床电站进水口、底孔的运行和东、西干渠正常引水构成威胁。由于淤积严重,降低了水库调蓄能力,甚至将威胁水库使用寿命及安全运行；水库淤积发展到坝前,除影响闸门的启闭外,还将使大量粗泥沙进入引水系统,造成灌溉渠道淤积影响农田灌溉,或严重磨损电站水轮机的过流部件；库区泥沙的大量淤积,可能造成有害物质沉积于库底,污染水库和周围环境,并且将会覆盖鱼类的产卵地,影响鱼类繁殖等。

现状左岸泄洪洞存在泄洪调度不灵活、低水位运行时部分洞段有负压及水库排沙清淤等问题,严重影响石门水库的运行调度,需要对泄洪洞布置及结构进行改造。

3 泄洪洞改建方案

3.1 改建方案初拟

基于左岸泄洪洞现状存在的问题,需对左岸泄洪洞进行改建,结合现场条件和已建建筑物情况,对左岸已有泄洪洞进水口及“龙抬头”段（桩号0+000.000 m～0+192.949 m）进行改造,0+192.949 m以后洞段保持不变,总共利用原泄洪洞244 m。改造段由进口明渠段、进水口段、有压隧洞段组成,总长度约320 m；同时结合水力学复核计算成果及模型试验成果[1],库水位615.00 m、619.50 m全开泄洪时,隧洞洞顶最小水头均在隧洞第一水平转弯段末端,分别为-2.44 m、0.99 m,数值较小,可以采用整体降低洞身段高程来解决该问题,结合水库排沙清淤计算研究[2],为了达到理想的排沙效果,要求泄洪洞进口底板高程降低至560.00 m,比原来底板高程596.00 m降低36 m,洞身负压问题随之解决；进口底板高程降低后,泄洪洞可以降低库前水位满足排沙需要和兼顾排沙的作用。

3.2 改建方案比选

（1）岸塔式进水口方案

在原进水口上游44 m处开挖一段明渠,长度约80 m,底板高程560 m,明渠与原进水口之间采用隧洞连接,隧洞进口处设置岸塔式进水口,结构形式与原进水口保持一致,布置一道事故检修闸门和一道拦污栅,进水口顶部高程622.50 m,拆除原进水口排架柱及启闭设备,新老进水口之间采用跨度为44 m的交通桥连接,下游与原泄洪洞“龙抬头”底部（桩号0+192.949 m）处顺接,坡比6%,泄洪洞下游及出口段（桩号0+192.949 m～0+482.328 m）保持不变。

（2）竖井式进水口方案

结合已有左岸泄洪洞布置形式,对其进水口及“龙抬头”段（桩号0+000.000 m～0+192.949 m）进行改造,在原进水口上游10 m处设置事故检修闸门竖井,竖井底板高程560 m,竖井高度36 m,竖井上部浇筑进水口,顶部高程622.50 m,拆除原进水口排架柱及启闭设备,新老进水口之间采用跨度为10 m的交通桥连接。竖井上游通过约93 m长隧洞连接库区,隧洞进口处设置一道拦污栅,下游与原泄洪洞“龙抬头”底部（桩号0+192.949 m）处顺接,坡比7.04%,泄洪洞下游及出口段（桩号0+192.949 m～0+482.328 m）保持不变。

3.3 方案比选结论

（1）从工程布置来看,岸塔式进水口方案离原进水口约44 m,需要大面积进行土石方明挖,对库区和大坝扰动较大,最大开挖高度达76 m,存在地质条件变化、高边坡稳定等问题；竖井方案紧靠原进水口,距离约10 m,地形、地质条件与原进水口相当,主要为洞挖和井挖,对库区和大坝扰动较小,且该方案只需设置跨度为10 m的交通桥便可与大坝交通连接,而岸塔式进水口方案需要设置跨度为44 m的交通桥,增加了结构布置和施工组织难度,不利于加快施工进度,因此竖井式进水口方案较优。

（2）从泄洪洞过流能力方面来看,两个方案底板均降低至高程560 m,竖井式进水口方案隧洞略比岸塔式进水口方案长,流量系数稍小,两个方案泄洪洞均可以全开运行,泄洪量基本相当,两个方案均无负压问题。

（3）从施工条件、水库效益、社会影响方面：竖井方案泄洪洞进口和竖井之间有约100 m长的洞身,进口和竖井进水塔混凝土可以分开施工,相互不受影响；施工时段较短,水库低水位运行时间短,可以尽量满足灌溉需求；出渣利用履带吊运至坝顶后转运至渣场,不需要单独布置施工道路进行出渣。岸塔式进水塔只能在明渠开挖完成后才能施工,开挖土石方量8万m3,开挖难度大,时段长,开挖渣料容易落入水库内,且需要布置施工临时公路,施工难度大,投资高,另外临时公路施工占用枯期时段长,需要水库降低水位运行的时间约6个月,对下游汉中市及农业灌溉用水将产生极大的影响,因此竖井式进水口方案较优。

（4）从主要工程量及投资对比表可以看出,岸塔式方案建筑工程投资为3456 万元,竖井式方案建筑工程投资为3117 万元,竖井式方案比岸塔式方案低339 万元,竖井式进水口方案较优。

表1 主要工程量及投资对比表

经工程布置条件、运行条件、排沙效果、施工导流、施工安全风险、工期、工程量及投资等综合比选分析,竖井式方案布置简单,运行条件好,施工难度不大,水库恢复功能时段短,投资小,推荐其作为泄洪洞改建方案。

4 结语

石门水库左岸泄洪洞改建后,可以降低库前水位满足排沙需要和兼顾排沙的作用,泄洪洞泄流能力与原泄洪洞基本相当,洞顶压坡线满足规范要求,泄洪运行调度不再受到洞身负压的影响,可以根据实际需要启用泄洪洞参与泄洪,操作较为灵活。本次泄洪洞改建方案,解决了原泄洪洞洞身负压、泄洪调度和排沙减淤等问题,可为类似除险加固工程提供借鉴。