太原市南坪頭水庫改造工程泄水方案比選

樊亞婷

（山西省水利水電勘測設計研究院有限公司,山西 太原 030024）

1 工程概況

南坪頭水庫位于太原市東山南部南坪頭村東黑駝溝上游。工程所在黑駝溝屬于黃河流域,汾河的二級支流,匯入一級支流許坦排洪渠。壩址以上控制流域面積10.6 km2,多年平均降雨量467.1 mm,多年平均徑流量44 萬m3,是一座以城市防洪、攔沙為主,兼顧生態蓄水與景觀美化的小（1）型水庫。南坪頭水庫總庫容111.6 萬m3,其中死庫容23.4 萬m3,調洪庫容69.3 萬m3；死水位857.00 m,汛限水位859.00 m,正常蓄水位859.00 m,設計洪水位861.46 m,校核洪水位864.04 m。工程等別為Ⅳ等,根據工程等別確定主要建筑物為4 級。大壩洪水標準采用30 年一遇洪水設計,300 年一遇洪水校核。

現狀南坪頭水庫大壩為碾壓均質土壩,壩頂高程864.2 m~865.7 m,自北向南逐漸抬高,最大壩高16.5 m,壩頂長200.0 m,壩中設有折點,壩頂寬10.0 m,為瀝青混凝土路面。上游壩坡1∶2.2~1∶3.3,下游壩坡1∶2.0~2.2。壩基座落于已處理的基礎上,壩體中部為粘土截水槽防滲,槽底高程846.0 m；上游壩坡采用干砌石護坡,下鋪土工布防滲,坡腳采用多頭深攪等厚截滲墻防滲；下游壩坡采用草皮護坡,坡腳設貼坡排水[1]。水庫現狀為干庫,壩前河床淤積高程854.1 m~855.9 m。

現狀南坪頭水庫泄水建筑物由溢洪道和放水洞組成,水庫改造時既要滿足下游防洪及生態要求,還要考慮東山片區開發、路網規劃等因素。根據城市建設路網規劃,壩頂作為連接學府街東延和南中環東延的城市次干道,壩頂寬度由現狀10 m加寬至37 m,同時壩頂高度增加2.5 m~4.0 m。洪水調算時充分考慮壩高因素,保證在300 年一遇洪水時控制下泄流量不超過15 m3/s。

2 泄水方案

本次水庫改造工程設計考慮兩種泄水方案進行比選,方案一為單一泄洪洞方案,方案二為溢洪道結合放水洞方案。

2.1 泄水方案一

方案一封堵原放水洞,并拆除溢洪道,在溢洪道北側大壩樁號0+020 處新建泄洪洞。

本次改造對放水洞庫區引渠、出口消能段拆除,對洞身進行封堵。原放水洞經過幾十年運行,洞內雜物較多,洞底有一定厚度淤積物,考慮后期灌注混凝土的結合需要,封堵前必須對其進行清理及高壓水槍沖洗。待新建泄洪洞澆筑完成投入使用后,放水洞進口處設C25 混凝土擋墻封堵,洞身采用C15 混凝土（外摻10%膨脹劑）填充密實,并對放水洞頂部進行回填灌漿。回填灌漿預埋DN50 鍍鋅鋼管,漿液選用純水泥漿,采用普通硅酸鹽水泥,強度等級不低于42.5。灌漿壓力暫定為0.2 MPa,漿液水灰比0.5,施工初期應進行生產性試驗,通過試驗,逐步調整各施工參數。中間豎井應回填C15 混凝土至洞頂以上2 m,之后采用壩體土回填至豎井頂部。

由于現狀溢洪道為壩肩式溢洪道,全部采用漿砌石砌筑,大壩加高培厚后需增加溢洪道長度,且設置閘門控制洪水下泄,水庫蓄水后易造成不均勻沉降和滲水,因此本次改造需將該溢洪道全部拆除[2]。溢洪道漿砌石及混凝土全部拆除后,與壩體銜接部分須將雜物及墊層材料全部清理干凈,直至露出新鮮的壩體土,結合新建泄洪洞布置,完成后續壩體填筑要求。

待溢洪道拆除后,繼續下挖至高程853.0 m,基礎夯實后新建泄洪洞。泄洪洞平面呈折線布置,全長211.5 m（X0-034.5~X0+177.0）,在樁號X0+140.0 ~X0+153.48 設置轉彎段,轉角為38.6°,轉彎半徑為20 m。

泄洪洞由進口段、閘室段、無壓涵洞段、出口消能段和明渠組成。進口段包括喇叭口段和引水箱涵段,均布置在培厚壩體內。閘室段設岸塔式進水口,進口底高程853.0 m,設弧形工作閘門,孔口尺寸為3.0 m×3.0 m,門前設檢修平板閘門,孔口尺寸為3.0 m×3.6 m。無壓涵洞底坡1/100,斷面為城門洞形,斷面尺寸為3.0 m×4.0 m（寬×高）,頂拱中心角為180°。出口段包括陡坡段和消力池段,均采用C 25 鋼筋混凝土結構。消力池后接矩形明渠并入城市排水體系,明渠斷面為3.0 m×2.0 m（寬×高）,厚0.5 m,下設10 cm厚C15 混凝土墊層。

2.2 泄水方案二

溢洪道位于大壩左側,緊鄰庫區左岸,全長174 m,為矩形漿砌石結構,控制段為岸邊開敞式寬頂堰,凈寬4.0 m,無閘門控制,兩側邊墻均為漿砌石重力擋墻,底板與側墻為分離式結構,在橫穿壩體時采用蓋板涵結構。

由于原溢洪道為漿砌石結構,為滿足控制泄水要求,提高蓄水可靠性,需拆除原溢洪道進口段、控制段及泄槽部分,改建為C25 鋼筋混凝土結構,改建后全長188 m,由進口段、閘室段、箱涵、消能段及明渠段組成,控制最大下泄流量不超過15 m3/s。進水塔底高程859.0 m,單孔,凈寬3.0 m,設1 扇3 m×3.0 m弧形工作門,弧門前設3 m×3.6 m檢修平門。閘室段后接箱涵橫穿壩體,箱涵段總長58 m,坡度為1/100,斷面為3.0 m×3.0 m（寬×高）。之后接1∶2.5陡坡進入消力池，消力池池深4.6 m,平面尺寸為21.0 m×3.0 m（長×寬）,池后明渠在平面上設置轉彎段，轉角39°,轉彎半徑15 m。交通要求在檢修平臺與壩頂之間設工作橋,橋長16 m,寬3.0 m。

原放水洞為建庫時修建,位于大壩主河槽段壩體內,呈直線布置,其軸線與壩軸線夾角86°。放水洞為單孔方形混凝土結構,無閘門,全長60 m,設計斷面尺寸為1.2 m×1.2 m,涵洞進口底高程853.0 m,出口底高程852.0 m,設計底坡1/61。涵洞中部設有豎井,豎井尺寸為1.2 m×1.2 m,頂高程863.8 m,無門槽及啟閉設施,出口無消能設施。

放水洞改造后全長199.5 m,由進口段、閘室段、洞身段、消力池段等組成,最大放水流量5.0 m3/s。進口采用岸塔式進水塔,孔口尺寸為1.2 m×1.2 m（寬×高）,布置事故檢修門和工作門,均采用單孔平板門。在檢修平臺與壩頂之間設臺階連接。洞身段上下游沿原混凝土箱涵延長,維持原方形斷面,過水斷面涂刷聚氨酯新型材料，洞進口底高程854.25 m,出口高程850.95 m[3]。出口采用底流消能接下游排洪渠。

3 泄水方案比較

由于現狀水庫無蓄水能力,自建庫多年以來均為干庫,大壩及泄水建筑物未經蓄水考驗,且地質勘探揭露壩體土干密度偏小,滲透系數偏大,均一性差,局部段土體較疏松。

為了響應太原市對東山區域整體規劃,打造太原東山生態景觀,水庫改造時需保持一定的蓄水面積,泄水建筑物應增設閘門控制。同時根據水文計算成果,水庫多年徑流量偏低,不能滿足水庫景觀蓄水要求。因此水庫蓄水需要穩定水源補水,經調查可利用原東山灌溉供水系統,從汾河東干渠引水入庫,保證水庫常年蓄水要求。

根據水庫蓄水以后對建筑物的影響,方案比較可從泄水建筑物結構布置、投資及運行調度管理等方面進行比較。

3.1 結構布置

方案一將原壩體中部放水洞封堵,并拆除現有溢洪道,在溢洪道北側新建泄洪洞,閘室段底高程853.0 m,將泄水和放空建筑物合二為一,既能放空水庫又可泄洪使用,同時泄水建筑物的減少可降低滲漏水風險。并且新建泄洪洞基礎完全置于庫底原狀土上,泄洪洞四周回填高塑性粘土,并在閘室段設碎石樁提高基地承載力,可降低水庫蓄水后土體沉降及洞周滲水幾率。

方案二原放水洞為建庫時修建,建庫至今放水洞未經歷水庫蓄水,且結構本身老化,接縫處凸凹不平,加之改造工程需對壩體加高培厚,溢洪道和放水洞均要增加長度，存在新舊壩體土及新老混凝土結合，且溢洪道及放水洞延長部分基礎位于新回填土基上,水庫長期蓄水后,存在不均勻沉降問題。

優化組合后的水庫樞紐由三大件變為兩大件,但它們的功能并未改變,取消原漿砌石溢洪道,封堵放水洞,新建泄洪洞,減少穿壩建筑物數量,就減小了泄水建筑物損壞所造成的土壩事故隱患[4]。

3.2 投資對比

方案一為單一泄洪洞方案,與方案二中改建溢洪道規模相當,工程量變化主要是洞身加長、增加壩體開挖回填工程量,但減少了原放水洞加固,便于施工管理；方案二溢洪道和放水洞分別設置閘室段,造成混凝土工程量增加。

對兩方案主要工程量及投資進行了比較，結果見表1。

表1 主要工程量及投資對比表

3.3 運行管理

方案一僅設單一泄洪洞,通過控制閘門開度,保證下泄流量不超過規定15 m3/s,操縱簡單,便于維護、維修和管理,特別在汛期時便于精確控制下泄洪水流量。

方案二需要同時控制放水洞和泄洪洞兩處閘門,嚴格根據水位調整閘門開啟高度,協調難度大,下泄流量不易匹配,為將來運行管理帶來不便。

3.4 方案選擇

通過對泄水建筑物結構布置、直接投資及運行調度管理等多方面綜合比較分析,方案一水利直接投資較方案二少,并且在降低工程施工風險及工程運行管理等方面優勢比較明顯,因此確定方案一為推薦方案。

4 結語

通過以上多方面兩種泄水方案比選,對太原市南坪頭水庫改造工程選用單一泄洪洞泄水方案作為推薦方案。所選推薦方案可滿足工程改造需求及控制下泄流量要求,同時可減少滲漏通道、降低壩體不均勻沉降風險,且有利于工程運行管理。綜合經濟費用及工程安全運行等因素,選擇單一泄洪洞泄水方案可有效提升南坪頭水庫蓄水調洪能力,滿足此次水庫改造的工程要求。