陸渾水庫(kù)壩頂排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

韓明海，齊潤(rùn)利，崔云龍

(河南省陸渾水庫(kù)管理局，河南 嵩縣 471003)

1 水庫(kù)樞紐基情

陸渾水庫(kù)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(kù)控制流域面積3 492 km2，總庫(kù)容13.20億m3，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇設(shè)計(jì)，10 000年一遇校核。水庫(kù)所處地理位置極為重要，下游有鄭州、洛陽(yáng)和開(kāi)封三個(gè)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(yùn)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(mén)石窟。故確保水庫(kù)下游廣袤區(qū)域社會(huì)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(kù)攔河大壩呈東西走向，壩長(zhǎng)710 m，壩頂高程333 m，壩高55 m，頂寬8 m。大壩原設(shè)計(jì)沒(méi)有設(shè)置排水系統(tǒng)，壩頂積水無(wú)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(duì)水庫(kù)進(jìn)行第一期除險(xiǎn)加固，其中對(duì)壩頂外側(cè)擋墻以下外壩坡排水溝進(jìn)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(guò)于簡(jiǎn)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(shí)強(qiáng)降雨，由于排水孔排水不暢，以及在壩頂樁號(hào)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(hù)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(xiǎn)情。

3 壩頂新排水系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)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(jìn)行初步規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員按照《公路排水設(shè)計(jì)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(jì)算和結(jié)構(gòu)形式及材料選擇等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算；因水庫(kù)為飲用水源地，同時(shí)考慮水環(huán)境敏感路段防滲問(wèn)題，并考慮溝渠連續(xù)長(zhǎng)度大及車輛通行碾壓因素進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。通過(guò)初步設(shè)計(jì)，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(zhǎng)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(xiàng)目作為“2015年重點(diǎn)防洪工程隱患治理項(xiàng)目”上報(bào)河南省水利廳，并納入年度隱患治理項(xiàng)目庫(kù)；通過(guò)專家評(píng)審，認(rèn)為項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜、造價(jià)高，且單體造價(jià)超過(guò)規(guī)定的資金額度，需結(jié)合實(shí)際對(duì)該項(xiàng)目重新進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案

陸渾水庫(kù)壩頂公路順直段長(zhǎng)度為605 m，寬8 m，除去上游側(cè)防浪墻下部60 cm步道臺(tái)階和下游側(cè)設(shè)置的整排位移樁占道80 cm外，實(shí)際公路路面凈寬為6.60 m。近些年，由于水庫(kù)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(duì)水庫(kù)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(jī)動(dòng)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(jì)原則確定為：參照標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)合實(shí)際，簡(jiǎn)單實(shí)用。

圖1 斷面優(yōu)化前后比對(duì)圖

3.2.1 邊溝橫斷面形式

按照《公路路基設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三章“路基地面排水”、第三節(jié)“溝渠設(shè)計(jì)”規(guī)定，壩頂排水溝的水力計(jì)算參照路基邊溝設(shè)計(jì)，“流量?jī)H作概略估計(jì)，不予計(jì)算”；根據(jù)排水需要以及對(duì)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(hù)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(zhǎng)較短，匯流面積及產(chǎn)流不大，加之水庫(kù)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(jì)底寬0.35 m再次縮減為0.30 m，同時(shí)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(kù)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(jì)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(qiáng)度等級(jí)由原設(shè)計(jì)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(fù)零基準(zhǔn)面，使用切割機(jī)對(duì)混凝土路面切縫后通長(zhǎng)下挖開(kāi)槽設(shè)置，基槽開(kāi)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(shí)際開(kāi)挖施工過(guò)程中，由于該中軸線上已設(shè)置有8個(gè)變形觀測(cè)樁(C1～C8)、5支浸潤(rùn)線管(S1～S3、S10、S13)、1支斷層管(D2)和地下水管(H38)共15個(gè)觀測(cè)設(shè)施，采取“靠近下游，盡量避開(kāi)”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(cè)水、測(cè)變形設(shè)施，且正好處于排水溝軸線上，因此，以觀測(cè)設(shè)施現(xiàn)有所處樁號(hào)為固定不變參照，若遇觀測(cè)設(shè)施阻礙，則以此為界自然分段設(shè)置，嚴(yán)禁人為擾動(dòng)和損壞觀測(cè)設(shè)施；考慮排水問(wèn)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(cè)設(shè)施在排水溝軸線上的實(shí)際分布距離及對(duì)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(guò)長(zhǎng)、溝底排水坡度難以控制和排水不暢的問(wèn)題，同時(shí)亦可解決現(xiàn)澆“U”型混凝土需專門(mén)設(shè)置結(jié)構(gòu)伸縮縫的問(wèn)題見(jiàn)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(gè)主要變量，設(shè)計(jì)時(shí)必須結(jié)合在一起考慮，同時(shí)管徑不宜過(guò)小，間距不宜過(guò)長(zhǎng)，避免管內(nèi)堵塞并便于疏通。1976年8月，陸渾水庫(kù)按照黃委編制的《伊河陸渾水庫(kù)工程特大洪水保壩初步設(shè)計(jì)方案》將大壩垂直加高3 m，全部為實(shí)體材料夯筑。參照《公路排水設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(hù)坡已有的縱向排水溝間距30 m為準(zhǔn)設(shè)置，此剛好由與排水溝頂端“漏斗”承接，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)共需設(shè)置18根，總長(zhǎng)72 m。

4 結(jié)語(yǔ)

壩頂新建排水系統(tǒng)于2015年11月20日實(shí)施完畢，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案整體工程竣工決算與原設(shè)計(jì)方案造價(jià)對(duì)比，節(jié)約資金25%，特別是經(jīng)歷2016年主汛期短時(shí)強(qiáng)降雨和2017年10月份后華西秋汛(22 d)排水運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)觀察和測(cè)試溝渠積水深度，優(yōu)化后的方案是經(jīng)濟(jì)、合理、可靠的，完全滿足排水需求。