陸渾水庫壩頂排水系統(tǒng)設(shè)計方案優(yōu)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(nèi)，是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)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(shè)防標準為1 000年一遇設(shè)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(yè)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(chǎn)龍門石窟。故確保水庫下游廣袤區(qū)域社會環(huán)境安全具有重大戰(zhàn)略意義。

2 原壩頂排水系統(tǒng)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(shè)計沒有設(shè)置排水系統(tǒng)，壩頂積水無組織從東、西兩側(cè)下壩公路順路下排。1985年河南省水利廳批復(fù)資金對水庫進行第一期除險加固，其中對壩頂外側(cè)擋墻以下外壩坡排水溝進行橫向加密，并采用人工在外側(cè)擋墻鑿孔(80 mm)排水，排水系統(tǒng)初步形成。

由于原壩頂排水系統(tǒng)設(shè)置方案過于簡單，排水孔徑小且數(shù)量少，遇大雨極易淤堵，失去排水功能。2014年主汛期，壩區(qū)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(shè)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(cè)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(wěn)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(tǒng)構(gòu)建

3.1 系統(tǒng)初步設(shè)計方案

大壩系水利樞紐工程的核心建筑物，壩體安全事關(guān)重大。鑒于此，重新構(gòu)建壩頂排水系統(tǒng)進行初步規(guī)劃設(shè)計時，設(shè)計人員按照《公路排水設(shè)計規(guī)范》(JTG/TD33-2012)“公路排水系統(tǒng)設(shè)置應(yīng)以保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和行車安全為目的……保證公路排水系統(tǒng)的有效性和耐久性”的要求，依照水文調(diào)查、水力計算和結(jié)構(gòu)形式及材料選擇等方面進行設(shè)計計算；因水庫為飲用水源地，同時考慮水環(huán)境敏感路段防滲問題，并考慮溝渠連續(xù)長度大及車輛通行碾壓因素進行結(jié)構(gòu)計算。通過初步設(shè)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(shè)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(shè)計過于復(fù)雜、造價高，且單體造價超過規(guī)定的資金額度，需結(jié)合實際對該項目重新進行設(shè)計優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化后的設(shè)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(cè)防浪墻下部60 cm步道臺階和下游側(cè)設(shè)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(wǎng)日臻完善，加之相關(guān)涉水法律規(guī)定和水利反恐工作需要，目前已對水庫壩頂公路兩端設(shè)置安裝防沖撞硬質(zhì)隔離設(shè)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(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計原則確定為：參照標準、結(jié)合實際，簡單實用。

圖1 斷面優(yōu)化前后比對圖

3.2.1 邊溝橫斷面形式

按照《公路路基設(shè)計手冊》第三章“路基地面排水”、第三節(jié)“溝渠設(shè)計”規(guī)定，壩頂排水溝的水力計算參照路基邊溝設(shè)計，“流量僅作概略估計，不予計算”；根據(jù)排水需要以及對路側(cè)安全與環(huán)境景觀協(xié)調(diào)等選定，采用“矩形”形式，在不設(shè)護欄地段，應(yīng)設(shè)置帶泄水孔的鋼筋混凝土蓋板；按照規(guī)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(chǎn)流不大，加之水庫所處農(nóng)諺俗稱“十年九旱”的豫西地區(qū)，因而可參照“干旱地區(qū)”，故將原設(shè)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(nèi)；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(shè)計鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)配筋，改為素混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強度等級由原設(shè)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(cè)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(shè)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(yù)留30 mm空間，內(nèi)部填充中砂，以抵消因熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力。實際開挖施工過程中，由于該中軸線上已設(shè)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(shè)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(shè)置

由于壩頂緊鄰下游側(cè)欄桿設(shè)置有測水、測變形設(shè)施，且正好處于排水溝軸線上，因此，以觀測設(shè)施現(xiàn)有所處樁號為固定不變參照，若遇觀測設(shè)施阻礙，則以此為界自然分段設(shè)置，嚴禁人為擾動和損壞觀測設(shè)施；考慮排水問題，可靈活采用正向、逆向兩種方式結(jié)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(jù)觀測設(shè)施在排水溝軸線上的實際分布距離及對應(yīng)下部排水漏斗情況，自然將排水溝分設(shè)為7段。這樣設(shè)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(xiàn)澆“U”型混凝土需專門設(shè)置結(jié)構(gòu)伸縮縫的問題見圖2所示。

圖2 排水溝縱向分段設(shè)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(tǒng)泄水能力的兩個主要變量，設(shè)計時必須結(jié)合在一起考慮，同時管徑不宜過小，間距不宜過長，避免管內(nèi)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(shè)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(shè)計規(guī)范》(JTG/TD33-2012)第7章“公路構(gòu)造物、下穿道路及沿線設(shè)施排水”標準規(guī)定，近似采用“橋面”排水設(shè)置，排水管選取直徑200 mm的PVC管材；排水管間距依據(jù)外壩坡卵石護坡已有的縱向排水溝間距30 m為準設(shè)置，此剛好由與排水溝頂端“漏斗”承接，經(jīng)現(xiàn)場實測共需設(shè)置18根，總長72 m。

4 結(jié)語

壩頂新建排水系統(tǒng)于2015年11月20日實施完畢，優(yōu)化后的設(shè)計方案整體工程竣工決算與原設(shè)計方案造價對比，節(jié)約資金25%，特別是經(jīng)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(xiàn)場觀察和測試溝渠積水深度，優(yōu)化后的方案是經(jīng)濟、合理、可靠的，完全滿足排水需求。