塔家河病險(xiǎn)水庫(kù)溢洪道設(shè)計(jì)初探

高 佳

（延安市水利工作隊(duì) 陜西 延安 716000）

1 概述

塔家河水庫(kù)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(kù)。仙姑河發(fā)源于黃龍縣，流經(jīng)洛川縣，屬洛河一級(jí)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(wàn) m3，原設(shè)計(jì)庫(kù)容2765.0萬(wàn)m3。該水庫(kù)以農(nóng)業(yè)灌溉和農(nóng)村人飲為主，1996年開(kāi)始向延安煉油廠供水后效益較好，水庫(kù)的供水、灌溉和防洪功能也愈發(fā)突出。

水庫(kù)樞紐于1970年10月動(dòng)工，1975年10月建成受益。由于歷史的原因，水庫(kù)運(yùn)行30年來(lái)，暴露了諸多問(wèn)題：先后進(jìn)行過(guò)4次防滲堵漏處理；壩體曾出現(xiàn)20余條縱橫向裂縫；壩體下游邊坡不穩(wěn)定等。因受技術(shù)、資金條件限制，水庫(kù)一直帶病運(yùn)行。

2 病險(xiǎn)水庫(kù)工程地質(zhì)條件

該水庫(kù)早在1982年全國(guó)性水庫(kù)“三查三定”中，已被列為病險(xiǎn)水庫(kù)。2000年6月，延安市水利局依據(jù)水利部頒發(fā)的《水庫(kù)大壩安全鑒定辦法》及陜西省水利廳的要求，組織有關(guān)專家完成了《水庫(kù)大壩安全鑒定報(bào)告》等文件，水庫(kù)仍為三類病險(xiǎn)水庫(kù)。

水庫(kù)地層巖性由上至下分別為：首先土狀壤土，土質(zhì)均勻，密實(shí)，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(zhì)結(jié)構(gòu)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(qiáng)～弱風(fēng)化，巖面高程1060m～1073m。根據(jù)工程地質(zhì)類比，巖體基本質(zhì)量級(jí)別Ⅳ級(jí)，承載力特征值fa=800kPa，變形模量E=2.0MPa，沖坑系數(shù)α=1.5～1.8。

水庫(kù)溢洪道地質(zhì)構(gòu)造為：

（1）水庫(kù)位于西北黃土塬南部，洛河中游左岸支流仙姑河上游。水庫(kù)溢洪道開(kāi)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(yīng)襯砌；中部砂礫石、稍密；下部砂泥巖互層，強(qiáng)～弱風(fēng)化，沖坑系數(shù)α=1.5～1.8。

（3）工程區(qū)的地表水和地下水對(duì)砼均無(wú)侵蝕性。

根據(jù)規(guī)范（SL274-2001）的規(guī)定，原設(shè)計(jì)泄洪洞的主要目的是使庫(kù)水位在不形成壩體穩(wěn)定滲流的情況下，回落到大壩下游安全水位1079m以下，必須設(shè)置有效的控制庫(kù)水位的泄洪建筑物。原設(shè)計(jì)增設(shè)的泄洪洞位于左岸砂泥巖層中，洞長(zhǎng)174.6m，洞進(jìn)口高程1065.0m，采用洞徑為1.8m的圓形壓力隧洞。

由于在除險(xiǎn)加固施工中，安排不合理，在大壩泄空后，沒(méi)有先安排泄洪洞的施工，目前水庫(kù)水位已達(dá)到1074.0m，新增泄空洞無(wú)法施工。故只能更改工程設(shè)計(jì)。

為滿足大壩正常運(yùn)行安全，根據(jù)土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范（SL274-2001）的規(guī)定，并滿足水庫(kù)水位短時(shí)間內(nèi)回落到水庫(kù)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(jīng)多方案比較，確定將水庫(kù)原溢洪道進(jìn)行改造。溢洪道堰頂高程由1086m降到1079m，使用溢洪道泄流，達(dá)到降低庫(kù)水位的目的。

3 泄水建筑物變更設(shè)計(jì)

3.1 規(guī)劃布局

溢洪道工程的規(guī)劃布局應(yīng)盡量利用有利地形地貌，即要經(jīng)濟(jì)合理又要保證安全。其規(guī)劃布置的主要原則是：基礎(chǔ)堅(jiān)硬均一，線路短，無(wú)彎道，出口遠(yuǎn)離壩體；工程嚴(yán)禁布置在滑坡或崩塌體地上。該水庫(kù)溢洪道位于水庫(kù)右岸，溢洪道右側(cè)為70m的高邊坡，坡比為1∶1，本次設(shè)計(jì)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(cè)邊坡的穩(wěn)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(cè)（靠壩側(cè)）平移1.5m。溢洪道挖深部分兩側(cè)邊坡仍保持1∶1。沿軸線在樁號(hào)0+294.06處，溢洪道底部與原溢洪道底部相接，樁號(hào)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(gè)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(jìn)口形狀最好做成喇叭口，且為減小損失其長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)。該工程進(jìn)口0+000～0+047段，長(zhǎng)47m，喇叭口；引流段截面一般選用梯形或矩形，當(dāng)流速≤1m/s～2m/s時(shí)一般可不砌護(hù)，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(nèi)應(yīng)砌護(hù)一定長(zhǎng)度，其中樁號(hào)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(jù)地形條件和泄流需要設(shè)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(shè)有引流段外，一般應(yīng)使堰頂寬度≤3h（h為上水頭，單位m），該工程經(jīng)計(jì)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(shè)計(jì)因地制宜地根據(jù)地形、地質(zhì)而選用陡坡形式。陡坡段應(yīng)采用縱坡i=0.002均一比降，其坡度≤1/2.5，過(guò)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(yīng)按允許流速與地質(zhì)條件選擇進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(yīng)設(shè)0.3m～0.5m厚的漿砌石底砌護(hù)）。

3.2 溢洪道平面布置及分段設(shè)計(jì)

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

輸水洞為馬蹄形，高1.8m，寬1.8m，洞長(zhǎng)64.9m，無(wú)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(kù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)中，1077m為汛期水位，1079m為大水庫(kù)正常蓄水位。在本次泄水建筑物變更設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)多方面的方案比較，確定對(duì)原溢洪道進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，以達(dá)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(yīng)在不影響大壩安全運(yùn)行的前提下，將溢洪道的堰頂高程確定為1079m，經(jīng)過(guò)調(diào)洪演算水庫(kù)校核洪水位為1081m。

3.2.2 溢洪道設(shè)計(jì)

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

（2）控制段。控制段樁號(hào)0+047～0+059，長(zhǎng)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(cè)墻為底寬400mm，頂寬200mmC20砼；右側(cè)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(hào)0+059m，陡坡末端樁號(hào)0+302.18m，縱坡i=0.002，過(guò)流斷面為梯形。從樁號(hào)0+059～0+063.5m底寬由6.0m漸變?yōu)?.0m，縱坡i=0.05，樁號(hào)0+294.06～0+302.18m段縱坡 i=0.125。

（4）出口段。溢洪道出口從樁號(hào)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(jié)構(gòu)，泄槽末端與原溢洪道相接。

3.2.3 排水系統(tǒng)及分縫設(shè)計(jì)

溢洪道底板邊墻分縫：依據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》，并參考《水工建筑物》（清華大學(xué)出版）溢洪道工程，確定漿砌石護(hù)底沿溢洪道縱向每10m設(shè)一道橫向工作縫。砼護(hù)底，沿縱向每5m設(shè)一道橫向工作縫，縫寬2cm，內(nèi)填底發(fā)泡泡沫板。排水設(shè)施布置從寬頂堰開(kāi)始沿陡坡及挑流段由側(cè)墻經(jīng)鼻坎底安全排出。

工程排水采用網(wǎng)格暗溝縱橫連通，經(jīng)橫向排水管導(dǎo)向兩側(cè)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(fù)合排水管。

4 小結(jié)

該設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)都是從安全角度和經(jīng)濟(jì)效益兩方面考慮。從安全角度講，溢洪道可以在短時(shí)期內(nèi)使洪水位降落到大壩安全控制水位1079m，因此，壩體不會(huì)形成新的穩(wěn)定浸潤(rùn)線，不致因庫(kù)水位短暫的升高而影響大壩下游的安全。從經(jīng)濟(jì)效益上講，可節(jié)約泄空水庫(kù)費(fèi)用55.4萬(wàn)元，總投資可減少40%左右。

修改后的溢洪道的設(shè)計(jì)方案滿足《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，且建設(shè)周期短，建成后即可投入使用。該工程的加固使得水庫(kù)的供水、灌溉和防洪功能得以充分發(fā)揮，為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)力的發(fā)展提供了有力支撐。陜西水利