某小型水庫泄水建筑物設計比選

韓鵬輝，張 浩，羅 杰

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

1 工程概況

某小型水庫位于黃土高原溝壑區，是一座以農業灌溉為主的IV 等小（1）型水庫。本工程目前處于施工階段，壩高43.70 m，總庫容 293 萬 m3。根據《防洪標準》(GB 50201-2014)、《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）[1,2]大壩、泄水建筑物等主要建筑物級別為4 級，洪水標準為設計洪水30 年一遇，校核洪水300 年一遇。

工程所在的河道全長20.1 km，平均比降24.9‰, 螞蟻溝壩址以上流域面積為47.3 km2。全流域為東西走向，東高西低，地形差異明顯，兼有塬、坡、溝、峁等多種地貌類型。溝道斷面主要多呈“U”型。

流域屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，多年平均年降水量583.7 mm。年內降水分配不均，降水主要集中在7 月～9 月份，多以暴雨的形式出現。壩址多年平均流量0.100 m3/s，平均年徑流量為315 萬m3。洪水多發生在6 月～9 月，洪水一般峰高量小，由于河槽調蓄能力較小，一次暴雨形成一個洪峰，在多雨季節形成陡漲陡落的連續洪峰。設計、校核洪峰流量分別為259 m3/s、541 m3/s[3]。

2 工程地質

2.1 庫區工程地質

工程區位于華北地層區的陜甘寧盆地分區，以發育中、新生代陸相地層為特征。三疊系主要為內陸盆地含油汽沉積地層，侏羅系、白堊系為內陸盆地含煤碎屑巖組合（J）及紅色碎屑巖組合（K）。新生代在本區以上第三系紅色碎屑巖組合及第四系沖洪積～沖湖積層為主，以第四紀黃土堆積為特色，為中國黃土高原的主要組成部分。

工程區地震動峰值加速度a=0.05 g，地震動反應譜特征周期T=0.45 s，相應的地震基本烈度為Ⅵ度。工程區屬構造相對穩定地區。

2.2 壩址區工程地質

（1）地形地貌

壩址區河道順直，河谷形狀為不對稱“V”型。左右岸均為土質岸坡，坡體為第四系殘坡積黃土層所覆蓋，植被茂密。右岸岸坡總體較緩，下部低高程有基巖出露。壩址區左右岸上下游均發育有沖溝。

（2）地層巖性

壩址地層主要為侏羅系中統（J2）、白堊系下統（K1）和第四系（Q）。第四系地主要為中更新統（Q2）黃土狀土，上更新統（Q3）黃土，全新統（Q4）沖洪積砂卵礫石、殘坡積黃土等。

（3）地質構造

壩址區巖體中未發現斷裂構造，河床兩岸岸坡基本為第四系所覆蓋，僅河槽右邊岸坡腳部位有侏羅系、白堊系近水平巖層出露，巖層傾角2°～4°，向NNW 緩傾，構造裂隙不發育。

（4）物理地質現象

壩址區物理地質現象不發育，兩岸未發現滑坡、變形體及規模較大的崩塌、泥石流等，物理地質現象主要表現為巖體的風化與卸荷。

3 壩址、壩型選擇

3.1 壩址選擇

壩址區河道僅150 m 長，且壩址左右岸、上下游均發育有沖溝，受此條件限制，壩線可選擇余地很小，只能將壩線布置于兩岸山脊中部，因此本工程壩線唯一。

在人群中的感染很普遍,存在于精液中的病毒,不僅使宮頸受到感染,還可通過胎盤感染胚胎或胎兒,導致胎兒死亡和流產的發生。

3.2 壩型選擇

壩址基巖深埋，出露高程較低，壩址區天然石料、骨料質量不滿足要求，均需要從外地采購，因此采用堆石壩和混凝土壩型不經濟。工程區域位于黃土高原，壩址區域分布有大范圍的黃土，土料儲量和質量均質壩的要求。根據現場調查情況，當地已建的小型水庫均采用均質土壩[4]，技術成熟，施工速度快。因此，推薦壩型為均質土壩。

4 泄水建筑物比選

4.1 泄水建筑物選擇及布置原則

（1）由于本工程規模小，從安全性、經濟性、運行管理的方便性等方面考慮，泄水建筑物由溢洪道和泄洪洞（兼導流洞）組成。

（2）本工程枯水期來水量較小，汛期洪水較大，大壩為均質土壩，因此泄水建筑物應滿足超泄能力較大、運行簡單、管理方便、造價低廉的原則，故溢洪道不設閘門，采用自由溢流方式。

（3）泄水建筑物布置應盡量選擇有利的地形和地質條件布置在岸邊，并盡量避免開挖而形成高邊坡。溢洪道進、出口的布置應使水流順暢。

（4）泄洪洞與導流洞結合，施工期參與導流，運行期參與泄洪。泄洪洞兼導流洞一次建成，滿足導流泄洪的要求，減少工程投資。

4.2 泄水建筑物孔口尺寸比選

本工程泄洪洞與導流洞結合，一次建成，前期導流，后期泄洪。根據本工程的特點，參考類似工程經驗，泄水建筑物孔口尺寸擬定，應使泄洪洞在滿足導流要求泄量的前提下，設計和校核洪水盡量采用溢洪道泄洪，以減小泄洪洞的斷面，減少工程投資。

本工程施工期度汛標準取20 年一遇，相應流量Q5%=230 m3/s，參考類似工程，并進行了泄流能力計算。滿足施工期度汛的泄洪洞（兼導流）底板高程1065.00 m，出口孔口尺寸為4 m×3 m。溢洪道堰頂高程與正常蓄水位同高，為1093.20 m，溢洪道寬度為12 m。

為降低泄水建筑物的規模，聯解有限差形式的水量平衡方程式、泄水量Q 與壩前庫水位關系式、蓄水量V 與庫水位Z 關系式，即可求得各時段的壩前水位、水庫泄量及蓄水量。根據上述原理，采用試算法迭代求解，逐時段連續演算，進行整個調洪過程。調洪演算工況為校核、設計工況下溢洪道、泄洪洞均參與泄洪。調洪演算成果見表1，泄量分配見表2。

表1 調洪演算成果表

表2 泄量分配表

4.3 泄水建筑物軸線比選

根據《溢洪道設計規范》（SL 253-2018）[5]，溢洪道應根據地形和地質條件布置在岸邊或者埡口，宜避免開挖形成高邊坡。壩址左右岸無明顯的埡口布置溢洪道，左岸地形較緩，右岸地形較陡。溢洪道布置在左岸，水流順暢，開挖量較小，歸槽條件較好。右岸地形也適宜布置溢洪道，開挖量較小。從地質條件看，左岸溢洪道基礎濕陷性Q4黃土厚度為2.1 m～7.9 m，Q3黃土厚度3 m～11 m，根據溢洪道體型布置，濕陷性黃土將全部挖除；根據地質分析，右岸溢洪道濕陷性黃土Q4厚9.6 m～10.0 m，Q3黃土厚16 m～20 m，基礎存在濕陷性處理問題。另一方面，右壩肩濕陷性黃土全部挖除后，溢洪道將位于壩體之上，若溢洪道發生破壞，滲水進入壩體，會對壩體穩定產生不利影響，存在一定的風險。綜上所述，左右兩岸地形地質條件均具備布置溢洪道的條件，相比而言，左岸不存在濕陷性問題，更適宜布置溢洪道。

（2）泄洪洞位置比選

壩址左右岸均有布置泄洪洞的地形條件。泄洪洞布置在左岸，水流順暢，開挖量較小，歸槽條件較好。泄洪洞初擬的洞徑為5 m，開挖高度6.6 m。根據壩址區地質條件，泄洪洞若布置在左岸，洞身長度159 m，圍巖最大厚度13.5 m，對洞身結構穩定有利，但進出口的開挖量較大，并造成高邊坡問題，尤其是進口開挖已經延伸至上游1 號滑坡處，開挖高度達到了70 m。泄洪洞布置在右岸，洞身長度達到246 m，洞線較長，地形相對平緩，圍巖最大厚度僅為6 m，洞身上部土層較厚，成洞困難；受上、下游沖溝的影響，進口水流條件及出口歸槽條件不好。

除了左、右岸泄洪洞布置思路，另外考慮了壩下泄洪洞的布置方案。參考類似工程布置經驗[6]，結合當地類似已建工程案例，對壩下泄洪洞方案進行比選。根據左右岸地形條件，在河床右岸1065 m 高程的階地布置壩下泄洪洞，洞線與壩軸線垂直，上部為均質土壩，洞身為現澆鋼筋混凝土明拱結構，壩下洞身長度為160 m，基礎位于基巖之上。該方案的優點在于開挖量小，施工方便，工程造價小；缺點在于由于壩下為泄洪洞，一旦發生內水外滲，形成滲漏通道后，會對壩體帶來安全問題。故對防滲、洞身結構、混凝土澆筑質量以及洞身周圍的壩體填筑質量的要求較高。

4.4 泄水建筑物布置比選

根據泄水建筑物軸線的比選，共擬定2 個方案。方案1，左岸泄洪洞+右岸壩身溢洪道；方案2，壩下泄洪洞+左岸溢洪道。

方案1：溢洪道布置于右岸壩體之上，總長220.38 m，泄洪洞位于大壩左岸，總長度為474.18 m，洞身段圍巖為Ⅳ、Ⅴ類，穩定性較差。優點：①溢洪道布置在壩體上，引渠及泄槽段開挖量小，投資較省；②泄洪洞能充分利用左岸沖溝有利地形，水流歸槽條件好。缺點：①溢洪道引渠段、堰閘段、泄槽上游段位于均質土壩之上，存在不均勻沉降問題，溢洪道發生破壞，水流滲入壩體，會對壩體穩定產生不利影響，風險較大；②溢洪道的施工進度受壩體制約；③泄洪洞進口、出口明渠開挖量較大。進口開挖會影響到1 號滑坡，開挖最大坡高達78 m，造成高邊坡問題，泄洪洞投資較大。壩體、泄水建筑物投資1.40 億元。

方案2：溢洪道布置于左岸壩肩，總長308.91 m。泄洪洞位于右岸壩體之下總長度為378.50 m，基礎位于基巖上。優點：①溢洪道布置在壩體左岸，基礎位于沒有濕陷性的Q2黃土和基巖上，出口水流順暢，歸槽條件較好；②泄洪洞洞身段基礎為明挖，開挖量小；洞身段施工條件好，造價低。缺點：①左岸地形高，溢洪道開挖量較大；②泄洪洞位于均質壩體下，內水外滲對壩體有影響，存在一定風險；③泄洪洞位于均質壩體下，對壩體和泄洪洞結合處填筑以及洞身段的施工質量要求較高。壩體、泄水建筑物投資為1.25 億元。

通過地質條件、水流流態、工程投資等方面綜合比選，最終選定方案2 為推薦方案，即左岸溢洪道+右岸壩下泄洪洞的布置型式。

5 結論

（1）受地形、地質條件的限制，本工程的壩址、壩線、壩型唯一。

（2）本工程泄水建筑物布置較為困難。溢洪道布置在左岸，避免了基礎濕陷性黃土的處理。由于泄洪洞不宜按照常規布置于兩岸壩肩下部，最終采用了壩下泄洪洞的布置方式。

（3）根據以往工程類似工程的運行情況，壩下泄洪洞的布置方式雖然也存在一定的風險，但只要做好了基礎處理牢靠，管身防滲措施到位，結構穩定，就可以保證泄洪洞的安全運行。

（4）隨著水利事業的發展，將更多的小水庫興建，黃土高原地區相當一部分小水庫都位于濕陷性黃土地區，這類地區的壩型幾乎都為均質土壩，都存在濕陷性黃土的處理問題，泄洪洞或者放水管都位于壩下。本工程可為今后類似工程提供經驗。