淤地壩除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)探討

李生惠 衛(wèi)三平

（呂梁市水利局）

淤地壩除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)探討

李生惠 衛(wèi)三平

（呂梁市水利局）

山西省現(xiàn)已確認(rèn)的中型以上病險(xiǎn)淤地壩1 020座，除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)任務(wù)繁重而艱巨。根據(jù)設(shè)計(jì)工作實(shí)踐，就病險(xiǎn)淤地壩除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)中的明渠修復(fù)、泄槽側(cè)墻高度計(jì)算、消力池?cái)嗝娲_定等問(wèn)題進(jìn)行了探討。

淤地壩 除險(xiǎn)加固 工程設(shè)計(jì) 溢洪道泄槽 消力池 尾水渠 山西省

結(jié)合2015-2016年間淤地壩除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，現(xiàn)就淤地壩除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 山西省淤地壩病險(xiǎn)情況

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)，山西省現(xiàn)有中型以上病險(xiǎn)淤地壩1 020座，其中骨干壩729座，中型壩291座，涉及9市48縣。在確認(rèn)的病險(xiǎn)淤地壩中，大壩下游影響范圍內(nèi)有村莊、學(xué)校、工礦、道路等重要設(shè)施，潰壩后可能影響下游人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全、急需除險(xiǎn)加固的壩863座，其中骨干壩628座，中型壩235座。在急需除險(xiǎn)加固的病險(xiǎn)淤地壩中，大壩運(yùn)行正常，工程管護(hù)良好，但淤地壩樞紐組成為“兩大件”、無(wú)配套泄洪建筑物，從安全角度考慮需增設(shè)泄洪建筑物的659座；壩體、放水建筑物、泄洪建筑物完整性發(fā)生變化或出現(xiàn)損毀，存在較嚴(yán)重的安全隱患，需除險(xiǎn)加固的204座。

2 淤地壩除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)問(wèn)題

2.1 涵洞（管）出口明渠修復(fù)

從近兩年的淤地壩除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)實(shí)踐看，修復(fù)涵洞（管）出口明渠大多采用矩形斷面：寬×高=80 cm×80 cm。據(jù)實(shí)地調(diào)查，淤地壩涵洞（管）出口明渠水毀的原因，主要是涵洞（管）滿洞出流以后，洪水溢過(guò)明渠側(cè)墻，掏刷明渠基礎(chǔ)造成垮塌。因此，緊鄰涵洞（管）出口的明渠側(cè)墻，擬高出涵洞20 cm，在涵洞出口明渠3 m處，明渠側(cè)墻宜降為80 cm高。

2.2 溢洪道寬度

從骨干壩除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)實(shí)踐看，增設(shè)的溢洪道黃土地基較多，在調(diào)洪前就應(yīng)考慮溢洪道的寬度。據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，壩控流域面積3 km2，溢洪道底寬可選3-3.5 m；壩控流域面積4 km2，溢洪道底寬可選4 m；壩控流域面積5 km2，溢洪道底寬可選5 m。校核洪水水深一般控制在3 m左右為宜。具體尺寸在粗調(diào)中確定。溢洪道寬度小于3 m的按3 m計(jì)算。

2.3 泄槽設(shè)計(jì)

2.3.1 泄槽水面曲線計(jì)算

泄槽的水面曲線計(jì)算有兩個(gè)目的：一是確定側(cè)墻高度；二是確定泄槽末端的水深，為消力池設(shè)計(jì)提供躍前水深。

《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 51018-2014）及《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》（SL 289-2003）中規(guī)定，“泄槽邊墻高度應(yīng)按設(shè)計(jì)流量計(jì)算，高出水面線0.5 m，并滿足下泄校核流量的要求?！?/p>

目前，設(shè)計(jì)人員確定泄槽側(cè)墻高度時(shí)一般采用的方法是：設(shè)計(jì)水深+摻氣高度+0.5 m，與校核洪水的水深+摻氣高度比較，取大值。起始斷面、泄槽10 m處斷面和泄槽末端斷面三個(gè)斷面的連線即為設(shè)計(jì)泄槽側(cè)墻高。筆者認(rèn)為，這種方法確定的泄槽側(cè)墻高度難滿足實(shí)際要求。因?yàn)橛俚貕斡倜娲嬖诼N尾巴現(xiàn)象，一般翹起高度1/200-1/100，這樣就減少了滯洪庫(kù)容，當(dāng)校核洪水來(lái)臨時(shí)，水位升高，洪水就會(huì)溢過(guò)側(cè)墻造成破壞。建議采用：泄槽邊墻高度=設(shè)計(jì)洪水水深+摻氣高度＋0.5 m，與校核洪水水深+摻氣高度+ 0.2 m相比較，取大值。若側(cè)墻高度低于80 cm，則取80 cm。

2.3.2 泄槽長(zhǎng)度計(jì)算

泄槽長(zhǎng)度計(jì)算，是指計(jì)算泄槽始端—末端的長(zhǎng)度。因消力池深暫時(shí)未定，計(jì)算時(shí)設(shè)計(jì)人員先假設(shè)消力池深，然后計(jì)算泄槽長(zhǎng)度。水面曲線計(jì)算完成后，根據(jù)設(shè)計(jì)洪水水面曲線計(jì)算的泄槽末端水深計(jì)算消力池深，對(duì)比計(jì)算消力池深與假設(shè)消力池深是否一致，通過(guò)幾次試算，最終確定消力池深。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)介紹兩種不需試算的方法：一是在計(jì)算時(shí)把泄槽段總落差值暫取為寬頂堰底到下游出水渠底的高差，這樣計(jì)算的坡長(zhǎng)是泄槽始端到尾水渠底高程的坡長(zhǎng)；二是先計(jì)算消力池，然后計(jì)算泄槽坡長(zhǎng)。具體步驟是：首先，確定下游尾水渠始端高程及底坡，計(jì)算尾水渠水深；然后，計(jì)算設(shè)計(jì)洪水正常水深及消力池?cái)嗝娉叽纾ㄩL(zhǎng)、深）；最后，計(jì)算陡槽長(zhǎng)度。

2.4 溢洪道末端消力池長(zhǎng)度計(jì)算

溢洪道末端消力池長(zhǎng)度計(jì)算通常采用《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》中公式：L2=（3-5）h2計(jì)算，一般以取大值為宜。另一種方法是按《中型水庫(kù)設(shè)計(jì)》計(jì)算的水躍長(zhǎng)度確定消力池長(zhǎng)度。

2.5 尾水渠

目前，淤地壩消力池末端不再布設(shè)建筑物。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀況來(lái)看，淤地壩消力池末端最好設(shè)尾水渠，這樣有利于保護(hù)消力池。

3 設(shè)計(jì)案例

以臨縣甘溝骨干壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明涵洞出口明渠、泄槽、消力池、尾水渠的設(shè)計(jì)方法。

3.1 淤地壩簡(jiǎn)況

臨縣甘溝骨干壩，壩控流域面積2.84 km2，洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇設(shè)計(jì)，200年一遇校核。壩高17.4 m，總庫(kù)容50.6萬(wàn)m3，其中攔泥庫(kù)容29.0萬(wàn)m3；放水建筑物由豎井、涵洞及明渠組成，豎井內(nèi)徑1 m，涵洞的斷面尺寸為0.8 m×1.2 m（寬×高），明渠為矩形斷面0.8 m×0.8 m，長(zhǎng)20 m；溢洪道寬為3.5 m。詳調(diào)結(jié)果：P=5%時(shí)，寬頂堰最大水深1.1 m，最大泄量6 m3/s；P= 0.5%時(shí)，寬頂堰最大水深2.3 m，最大泄量18.1 m3/s。

3.2 淤地壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

3.2.1 涵洞明渠修復(fù)設(shè)計(jì)

涵洞明渠段長(zhǎng)20 m，始端斷面設(shè)計(jì)為寬×高= 0.8 m×1.2 m，3 m處斷面變?yōu)閷挕粮?0.8 m×0.8 m，出口處斷面寬×高=0.8 m×0.8 m；始端側(cè)墻高1.2 m，3 m處側(cè)墻高0.8 m，末端側(cè)墻高0.8 m。全部采用M7.5砂漿砌石。

3.2.2 溢洪道泄槽水面曲線計(jì)算

溢流堰高程890.6 m，溢洪道出口高程877 m，泄槽的落差為p=13.6 m，水平距離p×n=47.6 m，泄槽坡比1/3.5。經(jīng)計(jì)算，泄槽始端—消力池側(cè)墻頂端的泄槽坡長(zhǎng)為：

泄槽總坡長(zhǎng)（至消力池側(cè)墻底部）為：

表1 溢洪道陡槽末端正常水深計(jì)算表

泄槽設(shè)計(jì)洪水水面曲線計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可知，設(shè)計(jì)洪水在泄槽30.28 m處的水深是0.234 m，而正常水深為0.232 m，說(shuō)明設(shè)計(jì)洪水在泄槽內(nèi)出現(xiàn)正常水深。

表2 泄槽設(shè)計(jì)洪水水面曲線計(jì)算表

表3 泄槽校核洪水水面曲線計(jì)算表

泄槽校核洪水水面曲線計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可知：校核洪水在泄槽49.5 m處的水深是0.478 m，而正常水深為0.469 m，說(shuō)明校核洪水在泄槽內(nèi)不出現(xiàn)正常水深。

經(jīng)計(jì)算，泄槽段側(cè)墻從上向下，始端側(cè)墻高取1.7 m，10 m處側(cè)墻高取0.9 m，末端側(cè)墻高取0.8 m（詳見(jiàn)表4）。

表4 側(cè)墻高度取值表

3.2.3 消力池計(jì)算

第一種方法：按《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》中的公式（4.2.4-3）計(jì)算躍后水深：

下游河床段的水深0.687 m，池深d設(shè)=1.1×1.573-0.687=1.04 m，取消力池深1.1 m。

池長(zhǎng)L2=（3-5）h2=（3-5）×1.573=4.72-7.86 m，取消力池長(zhǎng)8 m。消力池結(jié)構(gòu)尺寸：長(zhǎng)×寬×深=8 m× 3.5 m×1.1 m。

第二種方法：按《中型水庫(kù)設(shè)計(jì)》計(jì)算水躍長(zhǎng)度，確定消力池尺寸。

已知泄槽末段設(shè)計(jì)洪水水深：h0=0.232 m；單寬流量：q5%=1.714 m3/s。

故躍前斷面的佛勞德數(shù)為：

代入《中型水庫(kù)設(shè)計(jì)》（14-22）式計(jì)算水躍長(zhǎng)度：

故取消力池長(zhǎng)8 m。消力池結(jié)構(gòu)尺寸：長(zhǎng)×寬×深= 8 m×3.5 m×1.1 m。

3.2.4 尾水渠設(shè)計(jì)

尾水渠一般取5-10 m長(zhǎng)，底寬和溢洪道底同寬，本壩取3.5 m。底坡與河道的坡度一致，本壩取1/100。用明渠均勻流公式計(jì)算水深，得0.687 m，側(cè)墻高取1.2 m。

S157.3+1

B

1008-0120（2017）01-0021-03

2016-11-28

李生惠（1960-）：男，工程師；通訊地址：山西省呂梁市濱河北西路1號(hào)，033000