孔頭溝水庫除險加固工程方案淺析

王雅杰

（寶雞市水利水電規劃勘測設計院 陜西 寶雞 721000）

1 概述

孔頭溝水庫大壩位于岐山縣故郡、蒲村鎮交界之孔頭溝，為小⑴型四等水利工程。水庫總庫容894萬m3，興利庫容590萬m3。該庫在渭河水系漆水河二級支流龍尾溝河上游，壩址斷面以上流域面積44.1km2，大壩下游300多米為牟家村所在地，常住人口400多人，3km處有西寶北線公路穿過。水庫大壩為均質土壩，壩頂長553 m，壩高42.1 m，壩頂寬23 m。馮家山水庫灌區的北干渠從壩頂通過，干渠的上下游為渠堤，亦為壩頂路面，下游兼做通村道路。大壩迎水面坡比從上到下依次為：1∶2、1∶2.5、1∶3，背水坡比從上到下依次為1∶1.7.5、1∶2、1∶2.25、1∶2.5。從壩頂向下每10 m設一戧臺，迎水坡二道，戧臺寬2 m，背水坡三道，戧臺寬1.5 m。下游利用原河床砂卵石覆蓋層作為褥墊式排水。上游護坡為干砌石護坡，下游壩坡草皮護坡，設有壩坡排水系統。該庫樞紐右岸布設有放水洞、馮家山灌區北干渠的退水道和抽水站。放水洞全長125 m，校核洪水情況最大泄流量為4.16m3/s，退水道功能一為北干渠的事故退水，二為馮家山水庫調節有余水時給孔頭溝水庫補蓄，長276.72 m，設計流量26m3/s。

孔頭溝水庫主要功能是壩頂承擔馮家山灌區北干渠的輸水，涉及到下游50多萬畝農田灌溉；再者，解決該庫大壩以上北干渠事故等退水問題。同時還有養殖、防洪、城鄉供水等綜合效益。

2 病險問題

孔頭溝水庫是上世紀70年代初興建，1973年4月完工。工程建設正處于“文革”期間，邊勘測，邊設計，邊施工，帶有“三邊工程”普遍的質量隱患，又經過了近40年的帶病運行，工程的安全問題以及可能次生危害令各級管理部門及運行單位、下游人民群眾等非常擔憂。根據中省有關病險水庫除險加固的決策部署任務要求，2000年9月，陜西省、寶雞市相關部門對該庫大壩進行安全鑒定，評定結果為三類壩。主要問題是：水庫現有的防洪能力不滿足防洪標準要求；大壩壩頂渠道不均勻沉降變形嚴重（安監后已經過改造）；大壩壩坡穩定系數不滿足規范要求；大壩監測系統不完善。

3 加固方案

3.1 大壩加固

大壩上游壩坡滲流及抗滑穩定滿足規范要求。原上游壩坡為干砌石護坡，經過多年水位升降浸蝕等原因，上游坡外觀凹凸不平，局部塌陷、塊石風化、殘缺不全。本次設計先拆除原干砌石護坡，全面探查，對于存在的塌陷及裂縫進行開挖回填夯實，按原設計坡比修整邊坡，重新鋪設砂卵石反濾層，砌筑干砌石坡面。

下游壩坡抗滑穩定經復核驗算不符合規范要求，需進行培厚處理，總的設計原則是在最危險滑坡體的前緣加重壓坡，將原來較陡的坡度變緩，提高壩體抗滑穩定性。設計中采用多個培厚方案，進行滲流及穩定計算，最終選用既滿足規范規定的安全系數要求，且工程量最小的方案。即從高程655.36 m平臺培厚8.5 m，以1∶2.5的坡一直到639.50 m(原建基面)。在壩腳新建棱柱式排水體，并沿排水體外側修建一條砌石排水渠，使壩體滲流能順利通過壩腳棱柱排水體排出并匯集大壩背水坡縱橫向排水溝水流，導入下游左岸主河槽，并對下游河道因勢利導、進行疏浚處理。

修復原損壞的縱橫向壩坡排水系統，并對背水坡種植草皮護坡。

3.2 新建溢洪道

按現行規范孔頭溝水庫校核洪水設防標準為500年，而該庫原設計為100年，加之該庫唯一的放水設施（放水洞）的泄量只有4.16m3/s，與宣泄洪水的需要相差甚遠。因此，增設作為水庫三大件之一的溢洪道是必需的。

該水庫大壩右岸已經建有退水道、放水洞以及抽水站，沒有布置溢洪道的條件，而左岸地形開闊，塬面較平坦，大壩下游主河槽水流靠近左岸，擬建溢洪道出口可與原主河槽水流平順連接。水庫大壩左岸為黃土斜坡地帶，地層主要為Q32eol黃土、古土壤，Q31eol+pl黃土，Q2eol+pl黃土狀壤土及古土壤。經分析比較，將溢洪道布置在左岸。

擬建溢洪道形式為河岸正堰開敞式溢洪道，自由式泄流。溢洪道初步設計確定有兩個方案。孔頭溝水庫為渠庫結合工程，馮家山北干渠以明渠形式從壩頂及壩肩通過，溢洪道與北干渠軸線平面上呈68°相交，溢洪道過北干渠段修筑涵洞，從北干渠和壩頂道路下面穿過。

溢洪道由進水渠、控制段、陡槽段、消力池、出水渠等組成。

溢洪道陡槽段根據實際地形經過反復比較確定采用一坡到底（i=0.148），這種布置導致從0+128樁號以下的底板處于地下水位以下，這可以通過在底板下設置縱橫向排水設施來解決。如果將一坡改為兩坡，抬高底板，雖說使陡槽段建筑物不受地下水的影響，但是第二道坡坡度太陡，接近1∶1（一般為1/3～1/10），將使陡坡末端流速在校核工況時達到22.74m/s（采用一坡時為15.66m/s），流速太大，可能帶來空蝕、沖擊波和脈動等不利影響，陡槽緊接的消力池深度和長度將增大，結構要求也比較高。

溢洪道橫斷面是采用矩形還是梯形，經過比較，總體來說，梯形工程量較矩形大。這是由于在同等開挖深度情況下，梯形開口大，兩側渠岸再留平臺后，在高邊坡情況下，挖方量顯著增加。經過對采用兩種橫斷面的工程項目進行造價核算，矩形為321.83萬元，梯形為350.53萬元。矩形造價低28.7萬元，還具有水流流態好等優點，因此選用選用矩形橫斷面方案。

表1 校核工況(Q=128.50m3/s)時陡槽水面線計算表

表2 設計工況(Q=61.54m3/s)時陡槽水面線計算表

溢洪道總長度為331.20 m。其中：

（1）進水渠(0-011.699～0-000.699)。長度11 m，平面上為八字型。

（2）控制段(0-000.699～0+008.341)。水平長9.04 m，包括溢流堰及兩邊側墻。堰頂高程為水庫正常高水位，也是溢洪道的起調水位670.5 m。在壩頂和溢洪道堰頂高程已定的情況下，經過反復多次比較，選定堰型為WE S實用堰。堰寬B=10 m，在校核洪水位時，堰上最大水頭Hmax=3.31 m，堰面曲線定型設計水頭Hd=2.48 m，選取WE S堰的流量系數m=0.483，最大泄洪流量Q=128.50m3/s，單寬流量q=12.85m2/s。堰后接一收縮消力塘(0+008.341～0+032.341)來縮窄寬度，其總長度24 m，采用自由出流形式，底寬從10 m縮窄為5 m，其中收縮段(0+008.341～0+020.341)長度L1=12 m，調整段(0+020.341～0+032.341)長度L2=12 m，該段比降為0，堰后收縮段起點(0+008.341)壅水水深通過能量公式試算得6.29 m，流速2.04m/s。

（3）陡槽段(0+032.341～0+215.061)。為一直段，水平總長為182.717 m。根據地形條件，確定陡槽的有關參數為：比降i=0.148，寬B=5 m，單寬流量q=25.7m3/s。陡槽段分為二段，依次為涵洞（水平長82.55 m），明槽（長100.17 m）。采用分段求和法計算陡槽水面線，起始點hk2=4.08 m,Vk2=6.30m/s,底板高程為663.70 m，其陡槽末收縮水深hc'=1.37 m，考慮摻氣后水深hc=1.60 m，V=18.79m/s。

（4）消力池(0+215.061～0+245.061)。據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252—2000）規定，消能防沖建筑物設計洪水標準：4等建筑物洪水重現期為20年，且出現超過消能設計標準的洪水時，不危及主要建筑物的安全。孔頭溝水庫溢洪道為4等建筑物，消力池防洪標準應為20年，但考慮壩腳安全，消力池設計防洪標準定為50年，即為水庫的設計洪水重現期。

經調洪驗算得：50年一遇洪水，溢洪道下泄流量Q=63.2m3/s，堰上水頭為1.98 m，經重新計算各部分過流情況（堰，過渡收縮段，陡槽段），采用分段求和法計算陡槽水面線，起點臨界水深為2.50 m，臨界流速為4.92m/s，陡槽末端水深hc′=0.79 m，加摻氣水深后為hc=0.90 m，Vc=15.66m/s。

根據溢洪道末端地形及計算的有關水力參數進行比較，確定采用漸擴式矩形斷面消力池。其參數如下：

起始斷面寬b1=5 m，結束斷面寬b2=10 m；

收縮水深hc=0.90 m；

共軛水深hc＂=4.43 m；

消力池長度L1=30 m；

（5）出水渠(0+245.061～0+317.461)。消力池后接出水渠，總長72.40 m,采用矩形明渠,其中有一轉彎，R=50 m，i=1/500，B=10 m，水深ht=1.89 m，因hc＂=4.43 m＞ht=1.89 m，將產生遠驅式水躍，故需做消力坎，其高度d=1.05hc＂－ht=2.76 m，取d=2.80 m。

出水渠末有10 m長漸擴段，首端寬度為10 m，末端寬度為20 m，其后設5 m長鉛絲籠護坦與下游河道平順連接。

3.3 重建大壩安全監測設施

孔頭溝水庫在上世紀八十年代初設置了大壩浸潤線觀測管和沉陷位移觀測樁，觀測工作斷斷續續、資料不完整，目前大部分觀測設施已被破壞，不能實施有效的觀測。除險加固中重新建立以下觀測內容：

（1）變形監測

在壩頂沿壩軸線方向設一道觀測斷面，將沉降和位移觀測樁結合布設。工作基準點和校核基準點均布設在兩岸原狀堅實土基上。

（2）浸潤線及滲流監測

在壩體最大橫斷面處布設一道浸潤線觀測斷面，每個測點設置常規測壓管、觀測采用便攜式電測水位計操作。

4 結語

針對孔頭溝水庫存在的安全隱患，提出了大壩下游坡壓腳、新修溢洪道、重建觀測設施等適宜的除險加固方案，技術可靠，施工便利，經濟實用。經過除險加固后的孔頭溝水庫，徹底消除了安全隱患，水庫面貌煥然一新，水庫已經發揮了應有的防洪、退水、灌溉、養殖及城鄉供水等綜合效益。