新技术在冯家山水库除险加固工程中的应用

赵宏章

（陕西省宝鸡市冯家山水库管理局 721300）

1 工程基本情况

冯家山水库位于关中西部陈仓、凤翔、千阳三县区交界处的冯家山峡谷，是一座以农业灌溉、城市与工业供水为主，兼有防洪、发电、养殖、旅游等综合效益的大（2）型水利工程。水库枢纽由大坝、输水洞、泄洪洞、溢洪洞、非常溢洪道、电站等工程设施组成。水库于1970年7月动工兴建，1974年3月下闸蓄水，当年灌溉受益，1982年1月竣工，可灌溉宝鸡、凤翔、岐山、扶风等7县9.07万hm2农田。

但是水库运行近30年来，工程设施老化，年久失修，存在诸多病害问题，按照省、市水利主管部门的要求，组织相关技术人员对冯家山水库大坝进行了全面、系统的安全鉴定。结论认为：冯家山水库大坝为三类坝，即水库为病险库。

依据上级部门初步设计的批复精神，结合冯家山水库工程实际情况，项目建设从2002年4月28日开工，在各参建方的紧密配合下，水库运行和项目实施按照“两不误、两确保、两促进”的原则，经过共同努力，主体工程于2005年8月基本完工，其他工程也相继于2006年12月完工。该库大坝为碾压式均质土坝，除险加固工程竣工后坝高75m，总库容4.27亿m3，有效库容2.86亿 m3，是山西省目前在关中最大的蓄水工程。

冯家山水库在除险加固改造项目中以科技创新为动力，积极开展新技术、新材料、新工艺的推广应用，从而使改造项目更加科学、经济、合理。回顾总结除险加固工程中所采用的新技术、新材料、新工艺，对今后工程运行管理水平的提高、类似水库除险加固工程建设，具有很好的指导作用和很强的借鉴意义。下面对新技术在该水库除险加固工程中的应用加以介绍。

2 新技术的应用

2.1 闸房排架、梁柱粘钢加固技术

泄洪洞进口事故检修闸门安装有2.2m×6.9m-63m的平面事故检修闸门两扇，启闭机改用固定卷扬启闭机QPG1400kN-63m；溢洪洞进口拱形检修闸门启闭机改造后为台车式启闭机，总重量约65.3t，由于泄洪洞、溢洪洞进口起吊设备吨位增加，以及荷载规范的变化，在闸房改造时，经对原排架结构复核，所有钢架梁柱在考虑8度地震时配筋量基本满足，但由于原设计梁柱断面偏大，同时考虑原结构钢筋损耗，不满足构造配筋要求。为此，要对原排架、梁柱进行加固，但是采用什么样的形式进行加固，既能达到规范要求，又能保证质量节省投资，经与设计、监理单位多次研究比较，最后采用了柱、梁外包粘钢法，并将植筋技术与外包粘钢板法技术综合运用，使外粘钢板加固技术可靠性有了很大提高。

所谓的柱外包粘钢加固技术，是将角钢、钢板箍通过胶栓和灌注高强无机粘结材料与原混凝土柱可靠地连结成一个整体。该方法在新增角钢截面提高柱子承载力的同时，还因新增钢板箍的横向约束作用，使原混凝土柱处于良好的三轴应力状态，因而可以大幅度提高柱子的承载力。外粘钢板加固技术运用高强建筑结构胶将钢板粘贴于混凝土构件的外表面，补充构件内部的配筋不足，以达到加固补强的目的。

对泄洪洞、溢洪洞进口排架高程714～725.5m钢架梁进行粘钢加固，先凿除原梁粉刷层，基面打磨平整并清扫干净；再在植筋位置处梁上及钢板钻孔，粘贴钢板，植筋，钢板表面粘粗砂。高程714m以上的排架立柱进行包钢加固，对柱表面粉刷层进行凿除，四角磨出小圆角，表面打磨平整，植筋处定位，打孔植筋；角钢和缀板定位固定，焊接；角钢内灌WSJ建筑结构胶。最后对钢构件表面进行清理，表面应无可见的油脂、污垢、铁锈、灰尘等着物，确保表面干净干燥，涂刷WSP建筑防护涂料，其配合比为A组分∶B组分=6∶1，涂层厚度要均匀，表面要平滑，不得有流挂、起皱、露底等缺陷。在WSP末干前，撒上干净的粗砂，以增加外粉刷层与钢板表面的粘结强度。

溢洪洞进口闸门排架梁柱粘钢加固从2003年5月开始实施，泄洪洞进口闸门排架梁柱粘钢加固从2004年7月开始实施，经过有荷载泄洪洞进口启闭机重100t、溢洪洞进口闸门启闭机重65t，另外在加上两处闸房自重，长达5年多时间运行，未发现有任何裂缝、弯曲和断痕，粘钢加固完毕后，经检查，钢板边缘溢胶色泽、硬化程度良好，用小锤打击时，无空洞声，表面粘结密实，柱外粘钢有效粘贴面积均大于85%以上。

2.2 微型控制爆破技术

泄洪洞出口闸室为钢筋混凝土结构，闸室框架平台由4根80cm×80cm断面的钢筋混凝土立柱组成，上面支承着长1220cm、宽830cm、厚15cm的闸室，立柱之间用主梁连接，平台板下由纵横主次梁组成整体结构。按照除险加固工程计划，泄洪洞出口弧形钢闸门启闭机钢筋混凝土框架及平台将拆除后重建。由于受地形环境条件限制，机械无法拆除。为此，拆除有两种方案：一种是采用人工凿除；另一种是采用控制爆破拆除。人工凿除从结构上看，其混凝土强度高，内部钢筋粗、密度大，人工凿除难度大；另外人工作业时间长、工期长，影响即将到来的防汛，经方案比较采用微型控制爆破技术。

微型控制爆破技术的特点是各药包的起爆时间相差微小，被爆破的岩块在移动过程中互相撞击，形成极其复杂的能量再分配，使岩石破碎均匀，能缩短抛掷距离，减弱地震波和空气冲击波的强度，既可改善爆破质量，不致砸坏附近的设施，又能提高作业机械的使用效率，有较大的经济效益。

该框架及平台虽然仅有65m3的混凝土工程量，但框架高9m，且钢筋量大，这给拆除爆破增加了一定的难度，尤其是该设施邻近大坝及泄洪洞，必须采取相应措施减少爆震，确保大坝、泄洪洞等建筑物的安全。为此采用微型控制爆破技术，重点是抓好微、控、爆三个关键技术环节。所谓“微”就是根据孔深、孔径及孔距精确计算药量、时间，使达到起爆时间相差微小；所谓“控”就是严格控制爆破范围，严格控制装药量，严格验收孔网参数，把好爆破材料质量关，尽量减少爆破震动，确保相邻建筑物的安全；所谓“爆”就是通过不同时差组成的爆破网络，一次起爆后，应按设计要求顺序使各炮孔内的药包依次起爆，获得良好的爆破效果。

该控制爆破技术，经过采取严格的技术措施、精确的计算及参数试验，以及完善的安全防护措施和观测仪器监测，拆除仅用了10天时间，比人工凿除提前了30天，大大加快了工程进度，节约了工程投资。据估算，仅此一项就可节约投资约5万元。事实证明：控制爆破对坝体泄洪洞等建筑物未造成任何影响；爆破后，立柱下端3.5m的钢筋及保留的混凝土未受到任何损伤，且表面干净。

2.3 泥沙跟踪自动测报技术

该库自建库以来，虽然利用异重流在排沙减淤方面取得了较好的成绩，但在异重流排沙的实际运用中，仍存在一些问题，影响着水库排沙效率的进一步提高。其主要问题是：异重流行进到坝前时，应立即开闸排沙，晚了会形成浑水水库，泥沙落淤，降低排沙效率，增加排沙水量；若过早开闸排水，则浪费过多的水量。要做到适时排沙，必须知道异重流到达坝前的时间。关于异重流到达坝前的时间，目前还没有测试的方法，也没有通用的计算公式，仅有一些经验公式，各个经验公式又受各库具体条件限制，没有普遍意义，而且公式中的参数，在实际中又不能及时取得，难以应用。只能靠人工观测异重流到达坝前的时间，来开闸排沙。这样，往往错过了最佳的排沙时机，降低了排沙效率，甚至存在异重流到达坝前，没有开闸排沙的可能，造成坝前的大量淤积。为了用最少的水量获得最优的排沙效果，必须解决异重流到达坝前时间、排沙泄量关系确定问题。

鉴于上述存在的问题我们与省内科研院校合作，在室内外试验的基础上，建立了冯家山水库泥沙跟踪自动测报系统。该系统是无人值守的实时水文泥沙数据采集系统。其特征是数据自动采集、自动传输，数据直接由计算机处理、显示，主要的水文泥沙要素实现实时监测。克服了以往人工观测水沙不及时、速度慢和凭经验进行水沙调度的缺点。自动测控系统能及时准确地观测和跟踪异重流的发生发展过程，自动测量含沙量，通过数据处理，实现优化调度，按最佳运行方式自动控制排沙过程。

该系统建设规模为“1∶1∶4”，即系统由 1 个中心站、1个中继站和4个泥沙遥测断面组成。主中心站设在冯家山水库枢纽管理处院内中心控控制楼，中继站设在水库库区左岸灵山上，4个泥沙遥测断面中有3个在库区，布设方式均为一点法，1个在坝后河道，布设方式为三点法。其中12号断面为入库断面，有泥沙传感器9个，主要跟踪入库洪峰流量的泥沙含量、入库时间等；6号断面为库区断面，有泥沙传感器3个，主要跟踪泥沙在库区运行的厚度、含沙量及泥沙的温度等情况；2号断面为坝前断面，有泥沙传感器3个，主要跟踪泥沙运行到坝前含沙量和到达坝前的时间等；坝后泥沙观测断面，有泥沙传感器9个，主要跟踪出库泥沙含沙量、泥沙温度等。

系统的建成，可对入库流量和含沙量、库区泥沙的运动情况，以及出库流量和含沙量等水文泥沙要素进行实时监测，为水库最优排沙方案提供科学依据。以2003年汛期来洪来沙作对比，若按每年2场洪水，其洪水量级按100m3/s计，据估算，年排沙可节约水量100万m3左右，年可多向库外排出泥沙50～100万t，直接经济效益为150万元，基本上达到了用最小的水量排出更多泥沙的目的，运行一年均可收回成本。因而它对减少水库淤积、延长水库寿命、提高水库综合效益及水库工程正常运行和科学管理等都具有不可代替的重要作用。

2.4 利用原金属结构设深水挡水围堰

溢洪洞进口拱形检修闸门为钢结构，由上下两节拼装，利用螺杆连接，其底板高程为693.5m，检修平台高程714.5m，两者相差20.5m，按当初库水位计算水深约8.5m，而溢洪洞进口两侧挡水墙相距10m，挡水墙两侧向外呈喇叭口状。要高质量按期完成对溢洪洞进口闸门的改造，其难点是如何处理好深水挡水围堰和止水问题，目前省内外还无成熟、可靠的处理此类问题的技术方案。我们与监理、施工单位精心研究、优化方案，利用拆除的原拱门钢结构，进行加工改造后，安装在挡水墙喇叭口段，作为深水挡水钢围堰，这不仅为闸槽施工提供空间，也达到了保证工期和节约投资的目的。

2.5 开关站采用微机自动监控技术

枢纽地区开关站是水库各闸门动力用电及管理设施运行调度、防汛和生产生活的唯一电源。电源的可靠性关系着水库的安全，水库的安全关系着宝鸡市和关中经济带的安全，为提高电源可靠性，我们与设计单位通过市场调研，从提高继电保护系统的安全可靠性入手，对10kV输电线路开关站采用了微机保护监控自动化系统。该系统采用分层分布式技术，一体化、模块化设计，兼容性强，设计维护方便，可全面实现变电站、开关站的综合自动化及无人值班。其选用的JSY—2000系列化微机保护测控智能单元，可实现对变电站电器设备的保护、遥测、遥控、遥调及遥信功能、远程传输；配置的多通信转换功能模块，具备不同的通讯方式，能与上端控制中心构成以太网。

2.6 深孔灌浆探视裂缝

在原来大坝加固灌浆工程施工中，右坝肩基岩高程695m以上砂卵石层为混凝土防渗墙，其下为防渗帷幕。在混凝土防渗墙内，单位吸水率一般小于0.03L/（min·m·m）；在混凝土防渗墙以下7～23m的基岩层内，单位吸水率在0.1L～0.03L/（min·m·m）之间，23m以下单位吸水率一般小于0.03L/（min·m·m）。从资料可以看出，混凝土防渗墙质量是好的，基本能满足防渗要求。但由于在混凝土防渗墙施工时，对砂卵石层下部风化破碎基岩处理不彻底，造成该接触带渗漏较为严重。地面30～40m以下弱风化基岩，整体看透水性弱，局部渗漏较大。按照该次除险加固设计要求，帷幕灌浆轴线采用原设计轴线，孔位在原设计灌浆孔间内插对原帷幕进行补强。因帷幕施灌各区段地质条件有很大差异，特别是右坝段混凝土防渗墙运行20多年质量到底如何，钻孔能在原帷幕轴线上吗？钻孔内基岩是否破碎，裂缝是否发育，渗漏量程度到底如何等，带着这些疑问，为了做到有的放矢，在右坝肩帷幕灌浆中，依据设计图纸对右岸防渗帷幕灌浆K98、K94、K82三个先导孔进行了孔内电视测试。测试仪器采用改装的ST—1型水井检查彩色电视系统，利用准50探头，在准75的孔内进行测试。通过微型摄像机探视孔内地质状况，使坝体孔内70多m深地质情况尽收眼底，屏幕右上角显示的数字为孔深数，以孔管口上沿作为零点测试孔的深度。通过测试，进一步弄清了混凝土防渗墙深度、基岩状况及与基岩的接触状况，完善了灌浆程序，验证并确定了钻孔单位吸水量、吸浆量、灌浆压力、钻孔深度、结束标准等技术指标和施工参数，为大面积帷幕灌浆打下了基础，取得了很好的效果。

3 结语

冯家山水库经过几年的除险加固工程建设，彻底摘掉了病险库的帽子。在除险加固工程中通过新技术的应用，使水库除险加固方案科学、经济、合理，从而有力地确保了除险加固工程的质量和进度，又为国家节省投资上百万元，经济效果十分显著。