塔家河病險水庫溢洪道設計初探

高 佳

（延安市水利工作隊 陜西 延安 716000）

1 概述

塔家河水庫位于仙姑河上游的拓家河村，壩址距縣城34km，距洛（川）——白（水）公路5km，是一座具有防洪、供水、灌溉綜合功能的中型水庫。仙姑河發源于黃龍縣，流經洛川縣，屬洛河一級支流。總流域面積603.8km2，壩址以上控制流域面積295.2km2，多年平均徑流量 671.5 萬 m3，原設計庫容2765.0萬m3。該水庫以農業灌溉和農村人飲為主，1996年開始向延安煉油廠供水后效益較好，水庫的供水、灌溉和防洪功能也愈發突出。

水庫樞紐于1970年10月動工，1975年10月建成受益。由于歷史的原因，水庫運行30年來，暴露了諸多問題：先后進行過4次防滲堵漏處理；壩體曾出現20余條縱橫向裂縫；壩體下游邊坡不穩定等。因受技術、資金條件限制，水庫一直帶病運行。

2 病險水庫工程地質條件

該水庫早在1982年全國性水庫“三查三定”中，已被列為病險水庫。2000年6月，延安市水利局依據水利部頒發的《水庫大壩安全鑒定辦法》及陜西省水利廳的要求，組織有關專家完成了《水庫大壩安全鑒定報告》等文件，水庫仍為三類病險水庫。

水庫地層巖性由上至下分別為：首先土狀壤土，土質均勻，密實，厚3.7mm～24.5mm，層底高程1062.22m～1074.43m，承載力特征值fa=230kPa，允許不沖流速V=0.75 m/s～0.90m/s。其次沙礫石層，雜色，中密，成分以砂巖和鈣質結構為主，層厚0.8m～4.0m。承載力特征值fa=280kPa，變形模量E=23MPa。下層砂、泥巖互層，強～弱風化，巖面高程1060m～1073m。根據工程地質類比，巖體基本質量級別Ⅳ級，承載力特征值fa=800kPa，變形模量E=2.0MPa，沖坑系數α=1.5～1.8。

水庫溢洪道地質構造為：

（1）水庫位于西北黃土塬南部，洛河中游左岸支流仙姑河上游。水庫溢洪道開挖于右壩肩膀黃土原邊斜坡地帶，溢洪道底板地基土層為Q2黃土狀壤土。

（2）溢洪道地基土層從上向下為三層，上部Q2黃土狀壤土，屬非濕陷性中壓縮土，允許不沖流速Vs=0.75m/s～0.90m/s，應襯砌；中部砂礫石、稍密；下部砂泥巖互層，強～弱風化，沖坑系數α=1.5～1.8。

（3）工程區的地表水和地下水對砼均無侵蝕性。

根據規范（SL274-2001）的規定，原設計泄洪洞的主要目的是使庫水位在不形成壩體穩定滲流的情況下，回落到大壩下游安全水位1079m以下，必須設置有效的控制庫水位的泄洪建筑物。原設計增設的泄洪洞位于左岸砂泥巖層中，洞長174.6m，洞進口高程1065.0m，采用洞徑為1.8m的圓形壓力隧洞。

由于在除險加固施工中，安排不合理，在大壩泄空后，沒有先安排泄洪洞的施工，目前水庫水位已達到1074.0m，新增泄空洞無法施工。故只能更改工程設計。

為滿足大壩正常運行安全，根據土石壩設計規范（SL274-2001）的規定，并滿足水庫水位短時間內回落到水庫下游壩坡允許的安全水位1079m，在保證下游壩坡安全的前提下，經多方案比較，確定將水庫原溢洪道進行改造。溢洪道堰頂高程由1086m降到1079m，使用溢洪道泄流，達到降低庫水位的目的。

3 泄水建筑物變更設計

3.1 規劃布局

溢洪道工程的規劃布局應盡量利用有利地形地貌，即要經濟合理又要保證安全。其規劃布置的主要原則是：基礎堅硬均一，線路短，無彎道，出口遠離壩體；工程嚴禁布置在滑坡或崩塌體地上。該水庫溢洪道位于水庫右岸，溢洪道右側為70m的高邊坡，坡比為1∶1，本次設計需將原溢洪道堰頂高程由1086.0m降至1079.0m，即在原溢洪道底再挖深7.0m。為確保右側邊坡的穩定，并滿足改造后溢洪道的平面布置要求，將原溢洪道軸線向左側（靠壩側）平移1.5m。溢洪道挖深部分兩側邊坡仍保持1∶1。沿軸線在樁號0+294.06處，溢洪道底部與原溢洪道底部相接，樁號0+294.06～0+302.18m段，縱邊坡i=0.125，與原溢洪道縱坡相同，以保證與原溢洪道挑流消能段平順連接。

溢洪道通常有四個主要部分組成：引流段（近口段）、控制段（堰流段）、泄流段（陡坡、急流段）及消能工。

（1）引流段（近口段）。為引流平順，其進口形狀最好做成喇叭口，且為減小損失其長度不宜過長。該工程進口0+000～0+047段，長47m，喇叭口；引流段截面一般選用梯形或矩形，當流速≤1m/s～2m/s時一般可不砌護，該溢洪道邊坡1∶1，底高程1079.0m。與壩端鄰近和緊接控制建筑物的范圍內應砌護一定長度，其中樁號0+035～0+047處，為0.4cm漿砌塊石。

（2）控制段（堰流段）。為使泄流均勻，使近口水流垂直于控制段建筑物。根據地形條件和泄流需要設置寬頂堰，堰頂高程1079.0m，梯形斷面；堰寬度可按允許單寬流量選定，巖基上單寬流量為40m3/s～70m3/s，非巖基上為 20m3/s～40m3/s，土基上為20m3/s。除近口段設有引流段外，一般應使堰頂寬度≤3h（h為上水頭，單位m），該工程經計算采用底寬6.0m，邊坡 1∶1。

（3）泄流段（陡坡、急流段）。該段平面采用直線布置；其縱斷面設計因地制宜地根據地形、地質而選用陡坡形式。陡坡段應采用縱坡i=0.002均一比降，其坡度≤1/2.5，過流斷面為梯形。由于泄水段流速很高，故布置在巖基上。如為非巖基則該段襯砌厚度應按允許流速與地質條件選擇進行設計，一般漿砌石用0.5m～1.0m，砼0.2m～0.5m，鋼筋砼0.15m～0.3m（砼與鋼筋砼基部還應設0.3m～0.5m厚的漿砌石底砌護）。

3.2 溢洪道平面布置及分段設計

溢洪道全長308.5m，梯形斷面，其中進口段長47m，控制段長12m，底寬20m，堰頂高程1086.0m，漸變段長20m，底寬20m～14m，比降 i=0.002，陡坡段長 222.7m，底寬14.0m。其中，i=0.002段長 162.7m；i=0.125段長60m。挑流消能段長6.0m，出口高程1077.3m。

輸水洞為馬蹄形，高1.8m，寬1.8m，洞長64.9m，無壓輸水最大泄流量為3m3/s。

3.2.1 溢洪道控制段堰頂高程的確定

在水庫除險加固工程設計中，1077m為汛期水位，1079m為大水庫正常蓄水位。在本次泄水建筑物變更設計中，經過多方面的方案比較，確定對原溢洪道進行改造設計，以達到泄洪的目的。因原溢洪道的出口高程為1077.3m，因此，在原溢洪道中改造，就應在不影響大壩安全運行的前提下，將溢洪道的堰頂高程確定為1079m，經過調洪演算水庫校核洪水位為1081m。

3.2.2 溢洪道設計

（1）進口段。進口0+000～0+047段，長47m，喇叭口，邊坡 1∶1，底高程 1079.0m。其中樁號0+035～0+047處，為0.4cm漿砌塊石。

（2）控制段。控制段樁號0+047～0+059，長12m，采用寬頂堰，堰頂高程1079.0m。梯形斷面，底寬 6.0m，邊坡 1∶1，底板采用厚100mmC20砼襯砌，下墊300m m厚M7.5漿砌塊石；側墻為底寬400mm，頂寬200mmC20砼；右側墻原溢洪道襯砌部分拆除，溢洪道襯砌高度按水深加安全超高，安全超高取0.5m～1.5m。

（3）泄槽段。泄槽段起始樁號0+059m，陡坡末端樁號0+302.18m，縱坡i=0.002，過流斷面為梯形。從樁號0+059～0+063.5m底寬由6.0m漸變為4.0m，縱坡i=0.05，樁號0+294.06～0+302.18m段縱坡 i=0.125。

（4）出口段。溢洪道出口從樁號0+241.9～0+294.06段由4m漸變到14m與原溢洪道相接。

（5）挑流消能段。挑流消能段仍采用原溢洪道結構，泄槽末端與原溢洪道相接。

3.2.3 排水系統及分縫設計

溢洪道底板邊墻分縫：依據《溢洪道設計規范》，并參考《水工建筑物》（清華大學出版）溢洪道工程，確定漿砌石護底沿溢洪道縱向每10m設一道橫向工作縫。砼護底，沿縱向每5m設一道橫向工作縫，縫寬2cm，內填底發泡泡沫板。排水設施布置從寬頂堰開始沿陡坡及挑流段由側墻經鼻坎底安全排出。

工程排水采用網格暗溝縱橫連通，經橫向排水管導向兩側總排水管，總排水管匯流后通向下游排水出口。排水總管采用D200，橫管采用D150土工復合排水管。

4 小結

該設計由方案的比較確定新建泄空洞變更為原溢洪道改造及溢洪道的改造設計都是從安全角度和經濟效益兩方面考慮。從安全角度講，溢洪道可以在短時期內使洪水位降落到大壩安全控制水位1079m，因此，壩體不會形成新的穩定浸潤線，不致因庫水位短暫的升高而影響大壩下游的安全。從經濟效益上講，可節約泄空水庫費用55.4萬元，總投資可減少40%左右。

修改后的溢洪道的設計方案滿足《溢洪道設計規范》要求，且建設周期短，建成后即可投入使用。該工程的加固使得水庫的供水、灌溉和防洪功能得以充分發揮，為當地生產力的發展提供了有力支撐。陜西水利