汇源水电站浆砌石拱坝除险加固处理方案比选

索岩松,岳文俊,段 州

(1.晋城市水务局,山西 晋城 048000;2.浙江水利水电学院 水利与环境工程学院,浙江 杭州 310018;3.晋城市供水保障中心,山西 晋城 048000)

1 工程概况

汇源水电站位于陵川县马圪当乡武家湾河上,是一个具备引水发电、兼顾防洪工程的小(1)型水利工程。该水电站主要由大坝和发电引水闸等组成[1]。汇源水电站水库大坝位于陵川县郜庄村南[2],坝址以上流域长度为58.3 km,控制流域面积为410 km2,流域平均宽度为7.03 km,流域纵坡13.6‰。

汇源水电站水库大坝修建于2005年10月,2008年4月投入运行,水库总库容为3.34×106m3。水库大坝为4级建筑物,大坝坝体为等外半径单曲浆砌石拱坝。水库大坝建基面高程589.5 m,坝顶高程617.9 m,最大坝高28.4 m,坝顶宽2 m,坝底宽6 m,坝顶外弧长114.36 m。水库溢流坝弧长56.5 m,非溢流坝弧长23.86 m,左岸重力墩长34 m[3]。大坝顶拱中心角100.2°,顶拱外弧半径46 m,坝顶最大弦长69 m。水库溢流坝段共8孔,堰顶高程611.0 m,溢流堰堰面型式为圆弧曲线。溢流坝下游用反弧段连接,并设挑流鼻坎,坎顶高程608.0 m。溢流坝段上设有交通桥,与非溢流坝段相连。大坝坝体导流底孔排水钢管布置在坝体中央底部。发电引水闸布置在溢流坝左侧重力墩下部,闸室底板高程为609.5 m,闸室段长8.0 m,出闸室后通过渐变段与渠道相接,接入发电厂房。

2 存在的问题

自2008年投入运行以来,汇源水电站累计发电6.00×106kW·h,为改善陵川县的生态环境、促进当地旅游资源开发、加快山区经济发展做出了贡献。汇源水电站水库大坝目前存在以下问题:1) 水库抗洪能力弱、防洪能力不足。在遭遇200年一遇校核洪水时,水库最高水位达到618.00 m,超过水库坝顶高程。2) 大坝坝体最大拉应力不满足规范要求,坝体有轻微渗漏现象,出溢点高程为597～599 m。3) 左右坝肩有绕坝渗漏问题[3],坝肩有明显出溢点,坝下游两岸岩体有渗水现象。左岸出溢点高程为590～600 m,右岸出溢点高程为591～608 m。

3 设计方案比选

3.1 大坝防洪问题解决方案比选

针对汇源水电站水库大坝防洪能力不足、抗洪能力弱的问题,初步拟定2种改造方案。

3.1.1 改造方案

1) 方案1(扩孔方案)

由于汇源水电站水库区域河道两岸山坡陡峻,受地形、地质条件的限制,没有适合开设溢洪道的地段。因此,就不考虑以增设溢洪道的方式来提高大坝的抗洪能力。本方案采用对坝体增设溢流堰的扩孔方案[4],即在维持坝顶原高程617.90 m不变的情况下,在大坝右侧非溢流坝段G-G处增设溢流堰1孔。溢流堰两侧以0.50 m厚导水墙与非溢流挡水坝段分隔,来宣泄库中多余来水,增强水库大坝的抗洪能力。该方案改造后大坝溢流堰由原来的8孔增加至9孔,每孔净宽6.5 m,溢流段堰顶高程仍为611.00 m。坝体平面布置情况见图1。

图1 坝体平面布置图(扩孔方案)

2) 方案2(加高方案)

为提高水库大坝的抗洪能力,本方案采用加高坝体的方式。即水库大坝溢流堰保持不变,坝顶整体加高0.50 m,加高后坝顶高程变为618.40 m。大坝加高实施过程中需对原溢流坝交通桥全部拆除,整体相应加高0.5 m。交通桥桥墩拆除至高程616.55 m,重新加高至高程618.40 m,新旧桥墩采用植筋相连接。原非溢流坝段坝顶加高至高程618.40 m。坝体横断面见图2。

图2 坝体典型横断面布置图(加高方案)

3.1.2 方案比选

方案1对其进行防洪能力复核。水库在遭遇200年一遇洪水时,校核洪水位为617.46 m,水库最大下泄流量为2 049 m3/s,坝体扩孔后增加了下泄流量,可以抵御200年一遇校核洪水。该方案的主要优点是仅需对原溢流坝交通桥最右侧桥墩、桥面板部分进行拆除,施工范围较方案2小;施工相对比较简单;大坝顶部稳定性容易保证,总体投资较低。该方案的主要缺点是需要对坝体增设溢流堰扩孔,扩孔所需的混凝土消耗量相对大些。

方案2对其进行防洪能力复核。水库在遭遇200年一遇洪水时,校核洪水位为618.00 m,水库最大下泄流量为2 046 m3/s。对坝体加高后坝顶高程为618.40 m,能满足200年一遇洪水的校核标准。该方案的主要优点是不需要对坝体增设溢流堰进行扩孔,坝体加高所需钢筋混凝土用量相对较小。该方案主要缺点是由于需要整体对坝顶加高,且该坝为浆砌石拱坝,坝顶拱圈厚度较小,加高坝体稳定性难以保证,因此需对整个坝顶进行全部加高,对原溢流坝交通桥需全部拆除重建,施工涉及范围广,施工工艺比方案1要复杂得多;加高坝体所需的浆砌石用量较大;总体投资成本也较高。

从坝体稳定性、施工等多方面来综合考虑,本设计推荐方案1,即扩孔方案,作为解决该水库防洪能力弱问题的最优方案。

3.2 大坝应力问题解决方案比选

针对坝体最大拉应力不满足规范要求和大坝坝体存在轻微渗漏的问题,拟采取对高程600 m以下范围坝体下游面加厚的方案,以此来改善大坝坝体的应力和减少大坝坝体的轻微渗漏问题。初步拟定了4种坝体加固方案并以规范应力控制标准进行试算。

方案1坝基高程为589.50～596 m的坝体下游面统一加厚1.5 m;高程在596～600 m,以1.0∶0.5的坡度渐变;高程在600 m以上的坝体不用进行加厚处理。

方案2坝基高程为589.50～596 m的坝体下游面统一加厚2 m;高程为596～600 m,以1.0∶0.5的坡度渐变;高程在600.00 m以上的坝体不用进行加厚处理。

方案3坝基高程为589.50～596 m的坝体下游面统一加厚2.5 m;高程为596～600 m,以1.0∶0.5的坡度渐变;高程在600 m以上的坝体不用进行加厚处理。

方案4坝基高程为589.50～596 m的坝体下游面统一加厚3 m,高程为596～600m,以1.0∶0.5的坡度渐变,高程在600 m以上的坝体不用进行加厚处理。

采用拱冠分载法,根据SL 25—2006《砌石坝设计规范》及实际情况[5],最大拉应力允许值不超过1.0 MPa,分别计算坝体最大拉应力值[6-8],计算结果见表1。

表1 坝体最大拉应力结果汇总表

经试算可知,随着坝体厚度的增加,坝体最大拉应力随之减少,但坝体加厚厚度超过2.0 m时,坝体最大拉应力降低幅度变化不大,由于方案1计算的坝体最大拉应力1.03 MPa大于允许最大拉应力1.0 MPa,因此此方案不符合要求。

从表1可知,随着坝体加厚厚度的增加,方案4与方案3之间拉应力变化要大于方案3与方案2之间拉应力的变化。尽管方案4坝体最大拉应力最小,但加厚厚度均大于方案2和方案3,投资要远超方案2和方案3。

方案2和方案3的坝体最大拉应力结果相差不大,都满足要求,但方案2坝体加厚厚度要比方案3小,加厚工程量小,工程投资要小于方案3。

综上所述,加厚方案选择方案2,即从坝基高程589.50 m至高程596.00 m统一加厚2 m,高程596.00 m以1.0∶0.5渐变至高程600 m,高程600.00 m以上不对坝体进行加厚处理。坝底厚变为8 m。大坝加厚后,上游坝坡为铅直面,下游溢流坝段高程596.00 m以下为铅直面,高程在596.00～600.00 m段为1.0∶0.5,高程600.00 m处设置1.10 m平台,高程在600.00～604.50 m段为1.0∶0.2,高程在604.50～608.00 m为铅直面,高程在608.00～611.00 m段为溢流坝面;下游非溢流坝在617.90～615.00 m段为铅直面,高程在615.00～611.25 m段为1.0∶0.4,高程在611.25～604.50 m段为铅直面,高程604.50 m以下至原地面段尺寸同溢流坝段的尺寸。

3.3 大坝渗漏问题解决方案

针对大坝左右坝肩绕坝渗漏、坝肩有明显出溢点和大坝下游两岸岩体渗水现象等问题,本方案对大坝左右岸坝肩及坝基均采取固结和帷幕灌浆的方法[9-10]。

3.3.1 固结灌浆

固结灌浆为新砌坝体的坝基及坝肩。灌浆深度至建基面以下5 m。坝基固结灌浆在590.50 m高程上进行,按单排孔布置,孔距3 m。采用斜孔灌浆,斜向向上游倾斜30°,平均孔深8.8 m,基岩部分斜长5.77 m,垂直深度5 m,孔径50 mm。坝肩固结灌浆按单排布置,孔距3 m,钻孔与岩体垂直方向夹角30°,孔位应按上下层错开的方式布设。平均孔深5 m,基岩部分斜长3 m,孔径50 mm。坝肩固结灌浆应在大坝每上升3 m时钻孔灌浆1次。

3.3.2 帷幕灌浆

帷幕灌浆范围为新砌坝体及旧坝体。由于坝肩有明显出溢点,本次帷幕灌浆左右坝肩分别向外延伸15 m[9-10]。新砌坝体在高程593.50 m处钻孔灌浆,垂直伸入基岩15 m。灌浆孔按单排布置,孔距2 m,采用斜孔灌浆,向上游倾斜30°,平均孔深21.3 m,基岩部分斜长17.3 m,孔径50 mm。灌浆分3个序次进行[11-13]。灌浆方法采用自下而上分段循环灌浆法,灌浆段长度5 m,采用纯水泥浆进行灌注,水泥标号不低于425[11-13]。由于新砌坝体及旧坝体段基岩比较完整,可在最上一段灌浆后再进行接触灌浆。大坝灌浆平面布置见图3。

图3 大坝灌浆平面布置图(单位:m)

4 加固后应力分析

应力分析采用拱冠分载法,沿高程617.9,614.5,609.5,604.5,599.5,594.5,589.5 m共切取7个水平拱圈和拱冠处的梁,来求得拱冠、拱端和梁荷载的分配和应力。除险加固后坝体参数见表2。根据规范并结合工程实际情况,静力分析计算采用6种荷载组合,其条件见表3。

表2 拱坝参数

表3 不同荷载组合

坝体应力分析计算结果见表4。经过计算可知,坝体按照上述选定方案进行除险加固后,在各种工况情况下,坝体应力均满足规范要求。拱坝最大压应力为1.37 MPa,出现在工况5拱端上游处。最大拉应力为0.92 MPa,出现在工况5拱端下游处。拱坝各部位的应力分布与状态都满足规范要求,说明除险加固后的坝体应力能够满足强度要求。

表4 坝体应力计算成果表

5 结 语

汇源水电站浆砌石拱坝除险加固后,水库坝体稳定,运行正常。除险加固后的大坝不仅改善了其抗洪能力,而且有效解决了大坝坝体渗漏及绕坝渗漏等问题。在有效解决渗漏问题的情况下,水库蓄水能力得到较大改善,更好地保障了汇源水电站的发电能力和安全运行。在水电站运行过程中,由于受多方面因素影响,水电站管理机构需加强对加固后水库的安全监测和运行管理,从而更好地保障汇源水电站的安全运行。