陸渾水庫壩頂排水系統設計方案優化

韓明海，齊潤利，崔云龍

(河南省陸渾水庫管理局，河南 嵩縣 471003)

1 水庫樞紐基情

陸渾水庫位于黃河流域伊河支流的嵩縣境內，是一座以防洪為主，結合灌溉、發電和供水等綜合利用的大(1)型水利樞紐工程。水庫控制流域面積3 492 km2，總庫容13.20億m3，設防標準為1 000年一遇設計，10 000年一遇校核。水庫所處地理位置極為重要，下游有鄭州、洛陽和開封三個重要工業城市；修建有隴海、焦枝、京廣鐵路干線，鄭西高速鐵路客運專線和連霍、洛欒高速公路；座落有著名的世界文化遺產龍門石窟。故確保水庫下游廣袤區域社會環境安全具有重大戰略意義。

2 原壩頂排水系統基情

陸渾水庫攔河大壩呈東西走向，壩長710 m，壩頂高程333 m，壩高55 m，頂寬8 m。大壩原設計沒有設置排水系統，壩頂積水無組織從東、西兩側下壩公路順路下排。1985年河南省水利廳批復資金對水庫進行第一期除險加固，其中對壩頂外側擋墻以下外壩坡排水溝進行橫向加密，并采用人工在外側擋墻鑿孔(80 mm)排水，排水系統初步形成。

由于原壩頂排水系統設置方案過于簡單，排水孔徑小且數量少，遇大雨極易淤堵，失去排水功能。2014年主汛期，壩區遭遇短時強降雨，由于排水孔排水不暢，以及在壩頂樁號K0+425、K1+030處設置的混凝土減速帶(60 mm)影響，阻斷了雨水從東西兩端順路面排水，致使大量積水從東西兩側通往外壩坡的梯口呈“瀑布”型下泄，高速水流直接沖擊下游卵石護坡，危及壩坡穩定，后緊急采取“堵口”和拆除“減速帶”辦法消除險情。

3 壩頂新排水系統構建

3.1 系統初步設計方案

大壩系水利樞紐工程的核心建筑物，壩體安全事關重大。鑒于此，重新構建壩頂排水系統進行初步規劃設計時，設計人員按照《公路排水設計規范》(JTG/TD33-2012)“公路排水系統設置應以保障結構穩定和行車安全為目的……保證公路排水系統的有效性和耐久性”的要求，依照水文調查、水力計算和結構形式及材料選擇等方面進行設計計算；因水庫為飲用水源地，同時考慮水環境敏感路段防滲問題，并考慮溝渠連續長度大及車輛通行碾壓因素進行結構計算。通過初步設計，排水溝渠斷面形式確定為“矩形”(如下圖1a所示)，b×h=350 mm×500 mm,縱橫向通長配筋Ф10@100&Ф10@250，Ф110 mm PVC排水管，間隔20 m設置一道。2014年汛后，該項目作為“2015年重點防洪工程隱患治理項目”上報河南省水利廳，并納入年度隱患治理項目庫；通過專家評審，認為項目設計過于復雜、造價高，且單體造價超過規定的資金額度，需結合實際對該項目重新進行設計優化。

3.2 優化后的設計方案

陸渾水庫壩頂公路順直段長度為605 m，寬8 m，除去上游側防浪墻下部60 cm步道臺階和下游側設置的整排位移樁占道80 cm外，實際公路路面凈寬為6.60 m。近些年，由于水庫周邊交通路網日臻完善，加之相關涉水法律規定和水利反恐工作需要，目前已對水庫壩頂公路兩端設置安裝防沖撞硬質隔離設施，完全禁止機動車輛通行。鑒于壩頂公路已不作為正常交通公路使用，故而壩頂新建排水系統的規劃設計原則確定為：參照標準、結合實際，簡單實用。

圖1 斷面優化前后比對圖

3.2.1 邊溝橫斷面形式

按照《公路路基設計手冊》第三章“路基地面排水”、第三節“溝渠設計”規定，壩頂排水溝的水力計算參照路基邊溝設計，“流量僅作概略估計，不予計算”；根據排水需要以及對路側安全與環境景觀協調等選定，采用“矩形”形式，在不設護欄地段，應設置帶泄水孔的鋼筋混凝土蓋板；按照規定“底寬與深度一般都≥0.40 m”，考慮到壩頂路面本身較窄，且壩長較短，匯流面積及產流不大，加之水庫所處農諺俗稱“十年九旱”的豫西地區，因而可參照“干旱地區”，故將原設計底寬0.35 m再次縮減為0.30 m，同時保持凈深0.50 m不變，如圖1b所示；邊溝縱坡坡度選擇與路線縱坡坡度一致，控制在0.20%范圍內；由于陸渾水庫壩頂公路已封閉、去交通功能，正常情況下不允許車輛通行，故取消原設計鋼筋混凝土結構配筋，改為素混凝土結構，混凝土強度等級由原設計C20提高到C30，水溝頂部安裝重型雨水篦子。

3.2.2 排水溝軸線定位

新建排水溝縱向軸線與大壩縱軸線平行，沿壩頂下游側擋墻上部仿漢白玉欄桿基座，以混凝土路面為正負零基準面，使用切割機對混凝土路面切縫后通長下挖開槽設置，基槽開挖寬深為500 mm×700 mm；考慮壩頂路面混凝土的橫向熱膨脹影響，溝壁外緣距基座和混凝土路面均預留30 mm空間，內部填充中砂，以抵消因熱膨脹產生的應力。實際開挖施工過程中，由于該中軸線上已設置有8個變形觀測樁(C1～C8)、5支浸潤線管(S1～S3、S10、S13)、1支斷層管(D2)和地下水管(H38)共15個觀測設施，采取“靠近下游，盡量避開”原則，確定水溝中線距離基座邊緣尺寸為280 mm。

3.2.3 排水溝分段設置

由于壩頂緊鄰下游側欄桿設置有測水、測變形設施，且正好處于排水溝軸線上，因此，以觀測設施現有所處樁號為固定不變參照，若遇觀測設施阻礙，則以此為界自然分段設置，嚴禁人為擾動和損壞觀測設施；考慮排水問題，可靈活采用正向、逆向兩種方式結合的辦法，確保路面積水匯入排水溝后集中一處排泄。在施工階段，根據觀測設施在排水溝軸線上的實際分布距離及對應下部排水漏斗情況，自然將排水溝分設為7段。這樣設置的利好在于，避免了排水溝渠線過長、溝底排水坡度難以控制和排水不暢的問題，同時亦可解決現澆“U”型混凝土需專門設置結構伸縮縫的問題見圖2所示。

圖2 排水溝縱向分段設置圖

3.2.4 排水管管徑、間距確定

排水管管徑和間距是影響排水系統泄水能力的兩個主要變量，設計時必須結合在一起考慮，同時管徑不宜過小，間距不宜過長，避免管內堵塞并便于疏通。1976年8月，陸渾水庫按照黃委編制的《伊河陸渾水庫工程特大洪水保壩初步設計方案》將大壩垂直加高3 m，全部為實體材料夯筑。參照《公路排水設計規范》(JTG/TD33-2012)第7章“公路構造物、下穿道路及沿線設施排水”標準規定，近似采用“橋面”排水設置，排水管選取直徑200 mm的PVC管材；排水管間距依據外壩坡卵石護坡已有的縱向排水溝間距30 m為準設置，此剛好由與排水溝頂端“漏斗”承接，經現場實測共需設置18根，總長72 m。

4 結語

壩頂新建排水系統于2015年11月20日實施完畢，優化后的設計方案整體工程竣工決算與原設計方案造價對比，節約資金25%，特別是經歷2016年主汛期短時強降雨和2017年10月份后華西秋汛(22 d)排水運行，現場觀察和測試溝渠積水深度，優化后的方案是經濟、合理、可靠的，完全滿足排水需求。