柳林泉補(bǔ)水項(xiàng)目設(shè)計(jì)與分析

劉耀文

（柳林縣水利局，山西 柳林 033300）

1 概況

柳林泉是呂梁市最大的巖溶泉，也是山西省十大泉之一。泉域范圍主要涉及離石區(qū)、方山縣全域，中陽縣、柳林縣大部，臨縣東部、南部及興縣南部，總面積6 274 km2。柳林泉域巖溶地下水是呂梁市區(qū)、中陽和柳林縣城供水以及六縣（區(qū)）部分農(nóng)村生活用水和工業(yè)用水的主要來源，對保障泉域內(nèi)各縣（區(qū)）城鄉(xiāng)居民飲水安全、生態(tài)環(huán)境平衡、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、社會(huì)全面進(jìn)步，以及離柳能源基地建設(shè)具有重要的支撐作用。由于近年來氣候變化及泉域內(nèi)礦產(chǎn)開采滲漏、巖溶地下水超采、地表水補(bǔ)給減少，導(dǎo)致柳林泉呈現(xiàn)出流明顯衰減，且衰減速度逐年加快的趨勢；已嚴(yán)重危及泉域內(nèi)六縣（區(qū)）人民生活用水保障和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此，通過修建滲漏壩攔洪蓄水，增加巖溶地下水的補(bǔ)給量，是十分必要的，既對保護(hù)柳林泉起到了積極作用，又能改善庫區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境。

柳林泉補(bǔ)水項(xiàng)目于家溝滲漏壩位于呂梁市柳林縣于家溝村，處于柳林泉域補(bǔ)給區(qū)，山西省水文西區(qū)產(chǎn)流地類為灰?guī)r灌叢山地。項(xiàng)目擬建4 座滲漏壩，工程等別為Ⅴ等，主要建筑物為5 級(jí)，次要建筑物為5 級(jí)，臨時(shí)建筑物為5 級(jí)。工程區(qū)設(shè)計(jì)基本地震峰值加速度值為0.05 g，特征周期值為0.45 s，抗震設(shè)防烈度為6 度。

2 水文

2.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算

本次滲漏壩設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為200 年一遇。該項(xiàng)目4 座滲漏壩都位于主溝道內(nèi)，上游壩對洪水的調(diào)節(jié)作用，改變了下游天然洪水的時(shí)程分配及峰、量大小，從而直接影響下游壩的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。分析設(shè)計(jì)斷面的洪水就需要考慮上游壩的下泄洪水和上游壩～下游壩址區(qū)間洪水的遭遇和組合，因此，設(shè)計(jì)斷面洪水推求采用同頻率地區(qū)洪水組成法。該法是根據(jù)防洪要求，指定某一個(gè)分區(qū)出現(xiàn)與下游設(shè)計(jì)斷面同頻率的洪量，其余各分區(qū)的相應(yīng)洪量按實(shí)際洪量組成比例分配。設(shè)計(jì)斷面以上分為上游壩址和區(qū)間兩個(gè)分區(qū)。從流域內(nèi)面積與洪量分配關(guān)系考慮，本次同頻率地區(qū)組成按最不利情況考慮，方案為：“上游壩址與設(shè)計(jì)斷面同頻率，區(qū)間相應(yīng)”，即當(dāng)設(shè)計(jì)斷面發(fā)生頻率為P 的設(shè)計(jì)洪水（以設(shè)計(jì)洪量表示）W設(shè)，P時(shí)，上游壩址也發(fā)生同頻率洪水W上游壩，P，區(qū)間發(fā)生相應(yīng)的洪水W區(qū)間，即W區(qū)間=W設(shè)，P-W上游壩，P。

以同頻率的上游壩址下泄洪水與相應(yīng)的區(qū)間洪水疊加，推求設(shè)計(jì)斷面洪峰流量。

本次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算需要進(jìn)行滲漏壩的洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，雖然推理公式法的理論比較完備，《山西省水文計(jì)算手冊》也提供了一套完整的運(yùn)算系統(tǒng)，參數(shù)分析所選資料均來自省內(nèi)成果，但其洪水過程為概化過程線，與實(shí)際的洪水過程的擬合程度相差懸殊，用于調(diào)洪計(jì)算其精度不能保證，因此，各分區(qū)的洪水分析計(jì)算采用上述《手冊》中提供的流域模型法。

通過計(jì)算得出：1#壩的設(shè)計(jì)洪水位為1 044.04 m，校核洪水位為1 045.59 m。2# 壩的設(shè)計(jì)洪水位為1 018.94 m，校核洪水位為1 020.71 m。3#壩的設(shè)計(jì)洪水位為997.80 m，校核洪水位為999.42 m。4#壩的設(shè)計(jì)洪水位為974.12 m，校核洪水位為975.49 m。

2.2 設(shè)計(jì)洪水成果合理性分析

本次對1#～4# 壩各設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行了3.33%和0.5%的洪水分析計(jì)算，分析計(jì)算方法采用地區(qū)洪水同頻率組成法和《山西省水文計(jì)算手冊》提供的流域模型法。2#壩～4#壩設(shè)計(jì)斷面洪水計(jì)算選用了地區(qū)洪水同頻率組成法，洪水地區(qū)組成是大中型水利水電工程、防洪系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的重要內(nèi)容。本次分析計(jì)算在對各壩址上游洪水來源組成分析的基礎(chǔ)上，擬定了洪水組成的基本方案。用該方案推求的設(shè)計(jì)斷面洪水計(jì)算成果作為設(shè)計(jì)斷面的設(shè)計(jì)洪峰流量是安全可靠的。

3 工程地質(zhì)

據(jù)中國巖溶地質(zhì)研究所資料和踏勘結(jié)果，滲漏壩庫區(qū)地層近南北以條狀出露。庫區(qū)內(nèi)出露有奧陶系上馬家溝組第三系和第四系地層；庫區(qū)處東部出露為寒武系和變質(zhì)巖地層，西部出露奧陶系峰峰組地層。滲漏壩庫區(qū)僅洪雨季節(jié)有洪水排泄。地下水僅有第四系松散巖類接受降水入滲補(bǔ)給形成的少量地下水，但形不成區(qū)域統(tǒng)一水位，地下水以蒸發(fā)、低洼處倚出地表和越層下滲流出壩庫區(qū)排泄。

壩址區(qū)經(jīng)踏勘地層巖性簡單，1 號(hào)至4 號(hào)壩址地層僅有奧陶系灰?guī)r和第四系土類松散層、第四系沖洪卵礫石和砂土三類。奧陶系灰?guī)r向西傾但傾角較小，灰?guī)r單層厚度小，層理明顯，間夾多層細(xì)小溶孔，棱角交叉節(jié)理表層發(fā)育。巖性以薄層白云質(zhì)泥灰?guī)r為主，頂部為薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r居多。第四系土類松散層，只在1 號(hào)壩址溝東壩的上部分布，表層為黃土類，巖性為灰黃色砂土為主。第四系沖洪積卵礫石砂土層，僅在3 號(hào)、4 號(hào)壩址溝谷底不連續(xù)不規(guī)則分布，且厚度小而不一致，巖性為近年小洪水沖積殘留的卵礫、砂土，卵礫棱角明顯，基本無磨圓度，砂土以粉砂為主。

壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，只有巖層層理，垂直巖層的節(jié)理，以及間夾多層細(xì)小溶孔三種現(xiàn)象。壩址區(qū)地下水類型有第四系松散巖類孔隙水和變質(zhì)巖裂隙水兩種類型。壩址區(qū)河水及第四系孔隙水均屬HCO3—Ca 型水，侵蝕性CO2為零，環(huán)境水對混凝土不具腐蝕性。

壩址區(qū)物理地質(zhì)現(xiàn)象以風(fēng)化為主，壩基強(qiáng)風(fēng)化層基巖變形模量按800～1 000 MPa 考慮，泊松比按0.35考慮；全強(qiáng)風(fēng)化層凝聚力c 按100 kPa 考慮，φ 值按31°考慮。壩基中等風(fēng)化層基巖變形模量按2×104MPa考慮，泊松比按0.18～0.20 考慮。

根據(jù)勘測結(jié)果，將壩基風(fēng)化層全部清理，壩體直接座在新鮮基巖上，即可解決壩基滲漏、保證滲透穩(wěn)定性；各壩址處左右壩肩基巖裸露，清除風(fēng)化表層后將壩肩頂在新鮮基巖上，不存在明顯繞壩滲漏問題；兩岸巖體完整，巖性較硬，自然坡角在40°—55°，壩坡較穩(wěn)定。

4 滲漏壩主體設(shè)計(jì)及穩(wěn)定計(jì)算

結(jié)合地質(zhì)情況和實(shí)地地形，4 座滲漏壩座于基巖上，型式采用堆石自密實(shí)混凝土重力壩，頂寬3.0 m，1#壩、2#壩、3#壩、4#壩從上到下依次布置。上游壩坡1∶0.1，下游壩坡1∶0.5。中間設(shè)6 m 寬溢流孔，溢流孔分別高2.59 m、2.71 m、2.42 m、2.49 m。溢流段表層為厚20 cm 的C25 混凝土溢流面，由WES 曲線段、直線段和反弧段組成。溢流壩段采用挑流消能方式，溝道下游底部為基巖，不進(jìn)行防護(hù)。

滲漏壩入庫泥沙較小，基流穩(wěn)定且基流流量較小，洪水在庫區(qū)調(diào)節(jié)后全部從溢流孔通過，不設(shè)其它泄洪設(shè)施。泥沙和洪水主要由1#壩攔截調(diào)蓄，1#壩設(shè)置沖沙管和放水管，當(dāng)1#壩達(dá)到淤積年限時(shí)，打開沖沙孔并進(jìn)行沖淤，2#壩、3#壩和4#壩只設(shè)置放水管。滲漏壩參數(shù)見表1。

表1 滲漏壩參數(shù)表

壩體受力情況：大壩受自身重力、水壓力、飽和土壓力、揚(yáng)壓力和冰壓力。水壓力按靜水總壓力計(jì)算；本次壩基未設(shè)防滲帷幕和上游排水孔，壩底處的揚(yáng)壓力和飽和土壓力為梯形分布；冰壓力按靜冰壓力計(jì)算，冰層厚度按80 cm 計(jì)算，查表B.4.1 為215 KN/m，將表中值乘以0.87 后按187.05 KN/m 計(jì)算冰壓力。經(jīng)過對地基承載力、抗傾和抗滑計(jì)算，均能滿足穩(wěn)定要求。

5 大壩堆石混凝土施工

土、石方開挖前首先考慮土石方平衡問題，通過合理調(diào)配施工工序，最大限度減少物料往返運(yùn)輸。壩基開挖到新鮮基巖后，先對基巖面進(jìn)行清理，又用水沖洗干凈，切實(shí)做到?jīng)]有浮渣、雜物等；然后放線安裝模板，模板采用膠木板、每層立模高度為1 m。模板安裝好后，進(jìn)行堆石填裝，堆石入倉前先對石塊進(jìn)行沖洗、嚴(yán)禁把雜物帶進(jìn)倉面內(nèi)；使用挖掘機(jī)進(jìn)行堆石入倉作業(yè)，人工輔助平倉，堆石高度基本與模板頂部齊平。

堆石入倉就緒后，進(jìn)行自密實(shí)混凝土澆注作業(yè)，使用泵送混凝土直接澆入倉內(nèi)，一直澆到本倉頂部以下10 cm 處。預(yù)留堆石頂10 cm 厚不澆注，作為下一倉的接茬；在上層澆筑前，先對下層的施工縫面，進(jìn)行沖洗或鑿毛處理。壩體各層內(nèi)橫向每20 m 設(shè)一道貫通上下游坡面的伸縮縫，伸縮縫采用上游不銹鋼和橡膠止水帶兩道止水，并用水泥封口。

6 運(yùn)行管護(hù)

為加強(qiáng)水庫管理，結(jié)合自然地理?xiàng)l件和當(dāng)?shù)厍闆r，參照《水庫工程管理設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL106—96），確定滲漏壩的工程管理范圍和保護(hù)范圍。滲漏壩庫區(qū)的管理范圍在淹沒線以下；滲漏壩壩體管理范圍為上游從壩軸線向上水平延伸150 m，下游從壩腳線向下150 m，大壩兩端向外水平各延伸200 m；滲漏壩保護(hù)范圍：由壩址以下、庫區(qū)兩岸向外延伸50 m，以上至第一道分水嶺脊線之間的陸地。

總的管護(hù)原則是：局部服從總體，興利服從防洪。即以防洪安全為前提，合理調(diào)配水資源。水庫的泄水設(shè)施主要為溢流孔，要建立調(diào)度值班制度，隨時(shí)掌握雨情、水情、險(xiǎn)情等情況，及時(shí)向領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)，以保證調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃的貫徹落實(shí)。

工程的養(yǎng)護(hù)維修是工程管理的常規(guī)工作，對所屬機(jī)械設(shè)備進(jìn)行定期養(yǎng)護(hù)，對檢查出的工程問題，根據(jù)具體情況，確定具體方案，及時(shí)進(jìn)行維修，以確保工程永續(xù)利用。