汾陽(yáng)市小水網(wǎng)河北調(diào)蓄水庫(kù)工程設(shè)計(jì)分析

張?jiān)春?/p>

（汾陽(yáng)市水務(wù)局，山西 汾陽(yáng) 032200）

1 工程概況

河北水庫(kù)是山西大水網(wǎng)工程的配套工程暨中部引黃工程向汾陽(yáng)市供水的調(diào)蓄水庫(kù)，主要調(diào)蓄中部引黃分配給汾陽(yáng)市的工農(nóng)業(yè)水量。水庫(kù)位于汾陽(yáng)市栗家莊鄉(xiāng)河北村西，陽(yáng)城河一側(cè)的故道上，在上、下游分別建壩，形成旁引式封閉水庫(kù)。

這段河道地形上呈U型，河谷底寬約100～400 m。庫(kù)底地層巖性，主要為第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）卵石混合土夾低液限粉土（粘土）夾卵石混合土透鏡體，中等～強(qiáng)透水性，厚度約10～19 m，其下為上更新統(tǒng)沖積（Q3al）淡黃色低液限粉土層，具微～弱透水性，可視為相對(duì)不透水層。庫(kù)區(qū)兩岸地層巖性，主要為第四系上更新統(tǒng)低液限粉土（粘土），局部夾卵石混合土透鏡體，透水性弱，透水性較強(qiáng)的覆蓋層僅存在于河谷，未貫通至兩岸，因此，庫(kù)水向兩岸滲漏很小，僅對(duì)主、副壩壩基進(jìn)行防滲處理即可滿足防滲要求。

河北水庫(kù)是一座以城鎮(zhèn)生活、工業(yè)供水為主的?。ㄒ唬┬退畮?kù)，水庫(kù)總庫(kù)容357.7萬(wàn)m3。其中，調(diào)蓄庫(kù)容354.7萬(wàn)m3，死庫(kù)容3萬(wàn)m3。工程主要任務(wù)和規(guī)模是調(diào)蓄中部引黃來(lái)水，供汾陽(yáng)市廢舊輪胎綜合加工利用產(chǎn)業(yè)園區(qū)和中小型企業(yè)園區(qū)的工業(yè)用水，供水量320萬(wàn)m3；供陽(yáng)城河灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水，供水量184.28萬(wàn)m3。工業(yè)及生活供水保證率90%，農(nóng)業(yè)灌溉供水保證率50%。

水庫(kù)工程主要由兩座均質(zhì)碾壓土壩、上游進(jìn)水涵管、下游供水涵管等組成。主壩位于水庫(kù)下游，最大壩高26.15 m，壩長(zhǎng)306 m；副壩位于主壩上游約850 m處的新舊河道分叉處，最大壩高12.65 m，壩長(zhǎng)150 m。進(jìn)水涵管位于副壩右岸，供水涵管位于主壩右岸，結(jié)構(gòu)均為封閉式箱涵中鋪設(shè)管道。

2 工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 水庫(kù)擴(kuò)大庫(kù)容設(shè)計(jì)

中部引黃通過(guò)管道向汾陽(yáng)市供水，到達(dá)河北水庫(kù)的高程約838 m，河北水庫(kù)正常蓄水位宜在837m左右，水庫(kù)庫(kù)址選擇應(yīng)重點(diǎn)考慮這一因素。

汾陽(yáng)市地勢(shì)西高東低，西部為呂梁山山脈之關(guān)帝山、將軍山和石盤山等，海拔高程1 300～2 200 m，地勢(shì)高差100～300 m，為構(gòu)造剝蝕的中低山區(qū)；向東為山前傾斜平原區(qū)，海拔高程780～910 m，地形起伏較大，溝壑發(fā)育；其東側(cè)為晉中盆地，地形較平緩，海拔高程736～740 m為汾河、文峪河沖洪積平原區(qū)。由于西部為石灰?guī)r山區(qū)，滲漏問(wèn)題較大，海拔高程較高，不適合布置調(diào)蓄庫(kù)，東部平原區(qū)為本工程受水區(qū)，高程較低，也非本水庫(kù)庫(kù)址選擇的理想?yún)^(qū)域，山前傾斜平原區(qū)從高程關(guān)系看，應(yīng)是庫(kù)址選擇的理想?yún)^(qū)域，關(guān)鍵問(wèn)題是能布置在開(kāi)挖量小而庫(kù)容較大的河溝上。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查勘，位于陽(yáng)城河灌區(qū)和本工程工業(yè)用水戶上游的陽(yáng)城河故道比較開(kāi)闊，河道呈U型，谷底寬度約100～400 m，庫(kù)容條件相對(duì)較好，高程也能滿足本工程要求，因此，選擇此處作為河北調(diào)蓄水庫(kù)的庫(kù)址。

河北水庫(kù)列入了2014年編制的《山西大水網(wǎng)汾陽(yáng)市域供水工程規(guī)劃報(bào)告》，通過(guò)興利調(diào)節(jié)計(jì)算，該水庫(kù)興利庫(kù)容為354.7萬(wàn)m3，總庫(kù)容351萬(wàn)m3。

在壩址選擇后，根據(jù)實(shí)測(cè)地形圖對(duì)初始庫(kù)容進(jìn)行了量算，計(jì)算結(jié)果正常蓄水位為836.6 m時(shí)，最大庫(kù)容245萬(wàn)m3，不能滿足蓄水需求，需要對(duì)兩岸岸坡與庫(kù)底進(jìn)行擴(kuò)挖增加庫(kù)容以滿足需求。

庫(kù)區(qū)擴(kuò)挖需充分考慮兩岸地形地質(zhì)條件，岸坡要根據(jù)巖土地質(zhì)條件、開(kāi)挖高度等因素，保證蓄水后岸坡穩(wěn)定，以確定岸坡坡度；布置開(kāi)挖線要結(jié)合地形條件使其平順，整體美觀，在盡量減少開(kāi)挖量的基礎(chǔ)上擴(kuò)大庫(kù)容。

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)論，兩岸岸坡為上更新統(tǒng)沖積（Q3al）淡黃色低液限粉土，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，確定開(kāi)挖邊坡為1∶2.5。開(kāi)挖擬定兩個(gè)方案進(jìn)行比較，方案一為庫(kù)區(qū)設(shè)計(jì)庫(kù)底高程813～826.7；方案二庫(kù)區(qū)設(shè)計(jì)庫(kù)底高程在方案一基礎(chǔ)上下挖2 m。經(jīng)計(jì)算當(dāng)正常蓄水位836.6 m時(shí)，方案一可增加庫(kù)容約為76萬(wàn)m3，總庫(kù)容321萬(wàn)m3，不能滿足庫(kù)容要求；而方案二可增加庫(kù)容約為112萬(wàn)m3，總庫(kù)容為357萬(wàn)m3，能滿足本工程調(diào)蓄庫(kù)庫(kù)容要求。因此，推薦采用工程方案二。

2.2 主壩壩址選擇

壩址選擇應(yīng)充分考慮地形地質(zhì)條件。在地形上要求河谷狹窄，壩軸線短，庫(kù)區(qū)寬闊容量大，溝底比較平緩（口小肚大的葫蘆型地形）。壩址附近應(yīng)有良好的筑壩材料，取用容易，施工方便。壩址地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)穩(wěn)定，兩岸無(wú)疏松的坍塌土，岸坡不大于60°，壩基應(yīng)有較好的均勻性，其壓縮性不宜過(guò)大。壩址選擇應(yīng)進(jìn)行方案比選。

根據(jù)上述壩址選擇原則，通過(guò)對(duì)工程區(qū)實(shí)地查勘，在栗家莊鄉(xiāng)河北村西北約1 km的陽(yáng)城河故道上，自西向東初擬了上壩址和下壩址兩個(gè)方案，下壩址位于上壩址下游500 m處，上、下壩址布置見(jiàn)圖1。兩壩址地質(zhì)條件相差不大。從壩址地形條件和原始庫(kù)容兩方面進(jìn)行比較。

圖1 上、下壩址比選布置圖

由壩址地形可知，上壩址河道寬度較窄，壩頂高程可達(dá)838 m，壩長(zhǎng)約206 m，河谷地面高程約816.0 m，最大壩高26.15 m，正常蓄水位836 m；下壩址河道較寬，壩頂高程可達(dá)831 m，壩長(zhǎng)約233 m，河谷地面高程約813.64 m，最大壩高17.4 m，正常蓄水位829 m。由此可以看出，上壩址可以做較大壩高的水庫(kù)，而下壩址由于兩岸臺(tái)地高程下降較多，河谷高程下降不多使壩高較小，從而使庫(kù)容較小，另外下壩址壩長(zhǎng)較上壩址大，使壩體工程量增大，投資增大。因此，從地形條件上看，上壩址建壩條件優(yōu)于下壩址。

經(jīng)計(jì)算，上壩址原始庫(kù)容為245萬(wàn)m3，下壩址原始庫(kù)容140萬(wàn)m3，兩者相差105萬(wàn)m3。從原始庫(kù)容條件上看，上壩址優(yōu)于下壩址，因此，經(jīng)綜合比較，推薦上壩址為壩址選擇方案。

2.3 水庫(kù)防滲處理設(shè)計(jì)

河北水庫(kù)作為調(diào)蓄水庫(kù)，水庫(kù)滲漏問(wèn)題是水庫(kù)工程設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一，應(yīng)結(jié)合庫(kù)區(qū)、壩址地質(zhì)條件和蓄水要求進(jìn)行分析計(jì)算，采取具有針對(duì)性的技術(shù)措施進(jìn)行防滲處理。

根據(jù)該水庫(kù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，庫(kù)區(qū)兩岸地層巖性主要為第四系上更新統(tǒng)低液限粉土（粘土）局部夾卵石混合土透鏡體，透水性弱，庫(kù)水向兩岸滲漏問(wèn)題不大，不需采取防滲措施；庫(kù)底地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）卵石混合土夾低液限粉土（粘土）夾卵石混合土透鏡體，中等～強(qiáng)透水性，其下為上更新統(tǒng)沖積（Q3al）淡黃色低液限粉土層，具微～弱透水性，可視為相對(duì)不透水層。

水庫(kù)蓄水滲漏主要是通過(guò)壩址下部向庫(kù)區(qū)下游永久性滲漏的問(wèn)題，通過(guò)兩岸向庫(kù)外滲漏的問(wèn)題不大。因此，水庫(kù)建成蓄水后，總的滲漏量主要為主壩與副壩壩體、壩基、左右壩肩滲漏量之和。

主壩、副壩壩基均采用粘性土截水槽與高噴防滲墻結(jié)合的防滲方式，來(lái)增加壩體的滲流穩(wěn)定。防滲墻伸入相對(duì)不透水層深度為2～3 m，以延長(zhǎng)滲徑。

經(jīng)計(jì)算，水庫(kù)達(dá)到正常蓄水位后年滲漏量為15.68萬(wàn)m3，低于規(guī)劃年滲漏量25.88萬(wàn)m3。因此，水庫(kù)的防滲措施滿足要求。

2.4 進(jìn)、出水建筑物設(shè)計(jì)

河北調(diào)蓄水庫(kù)來(lái)水需要通過(guò)上游管道進(jìn)入水庫(kù)，再通過(guò)下游管道送往下游用水戶。傳統(tǒng)的進(jìn)、出水建筑物采用進(jìn)水塔接隧洞或壩下涵洞的型式，采用閘門控制水流。這種方式除需要設(shè)置高出最高水位的塔體外，還需要在塔體上設(shè)置檢修平臺(tái)層和啟閉機(jī)室層，整個(gè)進(jìn)水塔高度大；同時(shí)，為了工程運(yùn)行方便，還需要設(shè)置連接進(jìn)水塔和岸邊的交通橋，工程量大，施工難度，工程投資大。這種方式適合泄流流量較大的工程，而本工程進(jìn)水設(shè)計(jì)最大流量為1.05 m3/s、出水設(shè)計(jì)最大流量為2.23 m3/s，流量較小，因此，本工程設(shè)計(jì)采用壩下涵洞套裝管道的型式，工程由進(jìn)水口攔污柵、檢修閥室、壩下涵洞與管道、出口工作閥室與消力池等組成。這種方式采用設(shè)置在水下的閥門控制水流，運(yùn)用靈活可靠，不需要高聳的進(jìn)水塔，因而節(jié)省了大量的工程量和投資。

進(jìn)水涵管工程的位置位于副壩右岸坡腳處，其中心線與副壩壩軸線相垂直。進(jìn)水涵管工程由進(jìn)水口閥室段、涵管段、出水口閥室段、消力池段、護(hù)坦段等組成。進(jìn)水口閥室段，長(zhǎng)5.9 m，進(jìn)口凈寬6.1 m，閥室底板高程為821.35m，內(nèi)部布置通徑為0.8 m的檢修蝶閥（SD943H-10C）。涵管段長(zhǎng)83.90 m，涵洞內(nèi)套直徑為0.8m的鋼管；出水口閥室段長(zhǎng)6.1 m，寬4.6 m，高5.0 m，閥室底板高程為821.25 m，內(nèi)部布置通徑為0.8 m的工作蝶閥（SD943H-10C）。消力池段長(zhǎng)5.0 m，寬5.0 m，消力池深5.75 m，消力池底高程為821.25 m。護(hù)坦與庫(kù)底相連接，高程為824.50 m，護(hù)坦范圍長(zhǎng)16 m，寬12 m。

供水涵管工程的位置位于主壩右岸坡腳處，其中心線與主壩壩軸線相垂直。供水涵管的前端與庫(kù)區(qū)相連接，末端與輸供水明渠相連接，由進(jìn)口段、檢修閥室段、涵管段、岔管段、工作閥室段、消力井段等組成。進(jìn)口段長(zhǎng)14 m，底部高程810.50 m，在進(jìn)口處布置有寬度為3 m的攔污柵。進(jìn)口段后接檢修閥室段，長(zhǎng)6.1 m，凈寬4.6 m，凈高5.0 m，閥室底板高程為810.50 m，內(nèi)部布置通徑為1.0 m的蝶閥（SD343H-10C）。檢修閥室段后接涵管段，涵管段長(zhǎng)152.30 m，涵洞內(nèi)套直徑為1.0 m的鋼管，洞身段為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的城門洞形，洞身寬度為3.5 m，涵洞壁厚0.5 m。涵管段后接岔管段，岔管段布置一長(zhǎng)、寬、高分別為6.0×5.5×2.1 m的鎮(zhèn)墩，內(nèi)部布置直徑1.0 m的供水鋼管和直徑0.8 m的放空鋼管，岔管之間的夾角為60°。工作閥室段內(nèi)設(shè)上下兩層閥室結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)5.9 m，寬9.9 m，下層閥室為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，底板高程為810.35m，高度為5.5 m，其內(nèi)布置通徑為1.0m的工作蝶閥（SD343H-10C）和通徑為0.8 m的放空蝶閥（SD343H-10C），上層閥室采用磚混結(jié)構(gòu)，高度為5.3 m。工作閥室段后接消力井段，消力井內(nèi)徑4.0 m，凈高6.5 m，消力井底部高程為808.95 m，消力井末端通過(guò)溢水口后接明渠，溢水口底部與明渠渠底相連接，高程為813.65 m。

供水涵管、進(jìn)水涵管均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閥室內(nèi)設(shè)置葉空緩閉蝶閥。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)汾陽(yáng)市河北調(diào)蓄水庫(kù)工程的地形地質(zhì)條件、工程運(yùn)用要求，分析論述了水庫(kù)擴(kuò)大庫(kù)容、壩址選擇、防滲設(shè)計(jì)、進(jìn)出水建筑物、地質(zhì)條件評(píng)價(jià)等設(shè)計(jì)方案，對(duì)類似工程具有一定借鑒作用。