浅谈石门水库除险加固工程布置及特点

彭继乐，李 波，谢世军

（1.中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081；2.汉中市石门水库管理局，陕西 汉中 723000）

0 引言

水利工程在防洪减灾、蓄水灌溉、农村饮水等方面起着重要的作用，在国民经济和水利建设方面占有重要的地位。我国许多中小型水库建于上世纪六、七十年代，由于当时资金少，材料短缺，施工技术落后，造成先天不足，而且这些水库后期维修加固的投入少，许多工程都年久失修。这类水库带病运行对人民的生活和财产都有着巨大的威胁，迫切需要除险加固。通过对枢纽工程设施进行加固处理，确保工程能够达到原有设计需求，达到运行可靠安全的目标。

1 工程概况

石门水库位于陕西省汉中市汉江上游支流褒河峡谷出口以上1.8 km，距下游河东店镇3 km，南到汉中市18 km，是一座以灌溉为主、结合发电等综合利用的大（2）型水利工程。枢纽工程由混凝土拱坝、河床电站、东西干渠引水渠首、下游反调节池、南干渠首等建筑物组成，见图1。

图1 枢纽平面布置图

工程于1969 年10 月动工兴建，1972 年4 月下闸蓄水，1983 年建成。2014 年南京水科院受石门水库管理局委托开展大坝安全鉴定工作，结论为：石门水库大坝存在病险与安全隐患，坝顶超高不满足规范要求，左岸泄洪洞不能按设计正常使用而影响防洪安全；水库泥沙淤积较为严重，应属“三类坝”，建议除险加固。

2 除险加固工程布置方案

2.1 大坝除险加固处理原则

结合本工程特点，除险加固方案应因地制宜，拟定处理原则：（1）本工程已运行近40 余年，枢纽区与周边环境已协调，除险加固方案布置和施工组织设计选取应避免对拱坝结构、坝肩抗力体等造成破坏；（2）本工程为国家级4A 景区，方案布置应减少破土施工，特别应减少对景区环境和文化氛围的破坏；（3）本工程右岸坝前，左岸下游坝肩各有一处国家级文物，方案布置应避开文物保护范围，不能避开应采取措施对文物保护；（4）工程除险加固方案应尽量减小对工程任务的影响，减小除险加固期间发电损失。

2.2 除险加固方案拟定

本工程大坝除险加固设计方案主要围绕大坝自身防洪安全和水库排沙减淤进行，保持水库枢纽布置格局不变。

综合石门水库建筑物布置格局和地形地质条件，除险加固设计采用有两种思路：第一种思路为增大泄流和排沙能力，不增加防洪库容；第二种思路是增加防洪库容，增大排沙能力，不改变泄流能力。

围绕上述原则和思路，拟定三个方案：（1）扩建底孔方案；（2）右岸新增泄洪洞方案；（3）大坝加高+改造左岸泄洪洞方案。其中扩建底孔方案和右岸新增泄洪洞方案均属于第一种思路，其不加高大坝，不增加防洪库容；通过增、扩建泄洪建筑物，既增大泄流，又增加排沙能力。加高大坝+改造左岸泄洪洞方案属于第二种思路，通过加高大坝增加防洪库容；同时改建原泄洪洞，降低其进口高程，达到增大排沙能力的目的，基本不改变泄流能力。

2.3 除险加固方案比较分析

（1）石门水库建成后，坝踵8#～12# 坝段出现水平向拉裂缝、底孔也在1998 年安全鉴定时发现环缝，且根据大坝应力分析，坝体局部应力超标。石门水库建成40 余年，扩建泄洪底孔可能影响大坝结构安全；爆破和混凝土施工难度大、施工期度汛风险高；故扩建泄洪底孔方案不适宜本工程。

（2）右坝肩地质条件相对较差，山脊较为单薄，发育有E 号背斜，岩体挤压、扭曲强烈，裂隙发育，岩体完整性较差，地下洞室结构稳定性差；现已有导流洞和河床电站、西干渠引水管线，布置隧洞空间有限。且右岸坝前水下保存有国家级文物“山河堰遗址”，占据了泄洪洞进口区域。对其保护、搬迁等工作难度大，费用高，工期长，需长时段放空水库，影响工程灌溉任务，故右岸新增泄洪洞方案不适宜本工程。

（3）加高大坝增加了水库有效库容，除了防洪效益外，还可以增加水库灌溉和发电效益，利用大坝加高的有利时机改善防汛交通和坝顶形象面貌，使之与景区旅游规划相配套，提升景区星级，增加旅游收入；而改建左岸泄洪洞“龙抬头”段，降低进口高程，既能增大泄洪排沙规模，恢复库容，又能解决泄洪洞负压问题；该方案通过合理的施工组织设计能保证工程安全实施并将除险加固工程施工对汉中市供水、农业灌溉的影响降低到最小，技术、经济上可行。

经上述分析，扩建底孔方案、右岸新增泄洪洞方案仅理论上成立，均具备解决石门水库防洪和排沙减淤的问题，但存在过多限制条件，或实施难度大、工程风险难以接受，或代价昂贵、影响工程任务，不具备实施性。加高大坝+改建泄洪洞方案在技术、经济上均可行，该方案的实施将提高水库综合效益，且对汉中市供水、农业灌溉的影响最小，因此将其作为本次除险加固的推荐方案。

2.4 除险加固方案设计

（1）大坝加高

大坝坝体加高可采用垂直加高和按拱坝曲线加高两种方式，根据本工程大坝布置特点，坝顶较窄，坝顶设施设备较多，为满足坝顶设备设施布置要求，非溢流坝段按重力式垂直加高，见图2。加高后坝顶宽度仍维持原设计宽度，即最小宽度5 m。泄洪中孔坝段布置有斜拉检修门，为能延用原门机，上游仍按原11°斜坡加高，见图3。下游垂直加高，加高后的坝体采用接缝灌浆将拱坝结合为整体形成拱作用。

图2 坝体垂直加高剖面图

图3 坝体倾斜加高剖面图

大坝中孔、河床电站、东、西干渠渠首、底孔、泄洪洞进水口闸墩垂直加高至622.50 m，启闭排架拆除重建。新混凝土浇筑前，凿除表层已碳化的老混凝土，沿坝体分缝缝面应增设键槽，布置普通砂浆锚杆，做好层面处理。坝段间按照分缝设计方案布置接缝灌浆系统和止水，接缝灌浆后整个加高混凝土和原拱坝形成整体，联合受力。

（2）泄洪洞改建

原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，全长511.438 m，其中洞身段总长约432 m。原泄洪洞为非常泄洪洞，泄洪调度不灵活、低水位运行时部分洞段有负压、出口泄洪雾化对沿岸影响严重等问题。工程改建结合水库排沙清淤的需要，将其改建为泄洪排沙洞，并解决负压及泄洪雾化问题，按照尽可能利用已建建筑物，满足除险加固的功能要求进行设计。本次改建对左岸泄洪洞进水口及“龙抬头”段（桩号0+000.000 m～0+192.949 m）进行改造，泄洪排沙洞由进口明渠段、竖井段、有压隧洞段、出口闸室段、出口明渠段组成，岸塔式进水口位于大坝左岸东干渠进水口左侧，进水口后接内径6.8 m 圆形有压隧洞，闸门竖井位于隧洞0+114.93 m 桩号，竖井高度36 m，下游与原泄洪洞“龙抬头”底部（桩号0+192.949 m）处顺接，坡比6.69%，泄洪洞下游及出口段（桩号0+192.949 m～0+482.328 m）保持不变。见图4、图5。

图4 泄洪洞改造平面布置图

图5 泄洪洞改造剖面布置图

改造后的泄洪排沙洞进口底板高程降低至560.0 m，解决了洞身负压问题并满足水库排沙清淤的需要；结合水工模型试验成果，对消能工进行局部改造，采用较小的贴角体，改变水流流态，减弱泄洪雾化程度。

3 除险加固项目特点

（1）除险加固方案布置及施工组织设计要结合工程特点，因地制宜，尽可能避免对已有水工建筑物结构造成破坏，减少对周边环境和文化氛围的破坏。

（2）除险加固方案要尽量减小对工程任务的影响，减小除险加固施工期间效益损失。

（3）设计中要充分考虑工程特点、施工条件、施工道路等因素，确保工程顺利实施。

4 结论

石门水库是汉中市重要的灌溉水源、国家级水利风景区、汉江重要的滞洪错峰水库，水库大坝一旦失事，将造成巨大的社会和经济损失。石门水库进行除险加固后，将持续发挥水库的灌溉供水、滞洪错峰等综合效益，为城市发展注入新的活力。

对水利工程除险加固设计、施工而言，需要注意合理运用相关技术和各种施工工艺，尤其是对于有着较大安全隐患的水利工程，更应该结合与之相关的技术资料和勘探结果，对除险加固的方案进行不断推敲、完善和改进。本文除险加固方案选取过程中提出的原则和项目特点，可为同类项目在实现生态环境效益、社会效益、经济效益、公共服务效益等方面提供借鉴。