壩身溢洪道在小型土石壩工程中的應用

張 丹，成克雄

（遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563002）

1 工程概況

永紅山塘位于遵義市匯川區(qū)芝麻鎮(zhèn)竹園村境內觀音寺河左岸一級支流農場溝上，距遵義市區(qū)97km。山塘始建于20世紀60年代， 現(xiàn)狀壩址以上流域面積1.5km2，庫容較小僅280m3，基本沒有調蓄功能。 主要建筑物為土石壩、右岸土渠泄洪兼放水設施。為解決竹元村人畜飲水及農業(yè)灌溉問題， 急需對山塘進行全面整治，確保工程供水功能可靠穩(wěn)定發(fā)揮。

初步設計階段， 永紅山塘整治工程主要建設內容為大壩加高、新建泄洪及放水建筑物。山塘整治后總庫容9.78萬m3；大壩為土工膜防滲土石壩，整治后最大壩高27.0m，大壩加高17.0m；溢洪道緊鄰右壩肩布置，為開敞式溢洪道，堰頂高程1335.00m，溢流凈寬6.0m，溢洪道總長139.0m，采用底流消能。 工程規(guī)模為山塘，工程等別為Ⅴ等，建筑物按5級建筑物設計。 施工階段，為了保護右岸公益林，結合現(xiàn)場邊坡開挖出露的高邊坡不穩(wěn)定安全隱患等問題， 必須對泄洪方案作相應優(yōu)化，合理指導現(xiàn)場高效優(yōu)質、節(jié)能經(jīng)濟的施工建設。

2 設計優(yōu)化緣由

永紅山塘整治工程于2017年7月開工建設，2018年10月壩體填筑完成，并開始進入岸邊溢洪道施工，至2018年11月岸邊溢洪道進口段已開挖至1337.00～1337.90m高程。 開挖出露現(xiàn)狀基礎主要為黏土夾碎塊石，同時溢洪道右岸已形成了最大高度約12m的巖土質混合邊坡， 受連續(xù)降雨及上部通村公路來往車輛碾壓影響，現(xiàn)狀路面已出現(xiàn)少量縱向裂縫，路面外側局部有10～20cm的沉降變形。若繼續(xù)按原岸坡式溢洪道方案進行施工，存在以下問題：①邊坡開挖將影響右岸公益林、通村公路和內側山王廟，對通行車輛及行人造成較大安全隱患，阻礙村民通行問題；②右岸繼續(xù)開挖將形成更高邊坡， 其支護處理難度及工程量均較大。為此，參建各方共同商定進行溢洪道設計優(yōu)化，保證工程施工的順利進行，合理控制工程投資，并能按期完成建設任務。

3 溢洪道設計優(yōu)化方案

3.1 工程地質條件

永紅山塘壩址兩岸對稱性差，左岸地形高陡，整體呈近直立的陡崖，下游有淺切沖溝發(fā)育，上游地形坡度10°～20°，為緩至斜坡；右岸整體為連續(xù)的斜至陡坡，地形坡度20°～50°。 壩址兩岸地形突出、陡峻處基巖多裸露， 在近河床平緩臺地及相對較緩的斜坡處有厚薄不均的殘坡積黏土夾碎石、 崩塌堆積碎石和少量人工棄碴分布， 其中壩址左岸上游緩坡臺地覆蓋層稍厚， 約3～4m。 壩址區(qū)巖層產(chǎn)狀N16°E/SE∠26°，總體傾下游，為不對稱的“V”型橫向河谷。

壩址區(qū)地層單一，出露志留系下統(tǒng)龍馬溪組（S1l）深灰色、灰色薄至中厚層粉砂質頁巖夾鈣質砂巖，其中粉砂質頁巖占60%～70%， 鈣質砂巖占30%～40%。壩址區(qū)未發(fā)現(xiàn)大的斷層構造發(fā)育，構造以裂隙為主，受裂隙組合切割巖體完整性較差，風化深度大。 左、右岸5～7m，河床3～4m。 壩址基巖主要為弱透水性巖體，但壩基及兩岸淺表部強風化巖體透水性強。

3.2 溢洪道布置優(yōu)化調整

根據(jù)壩址地形地質條件，左岸地形高陡，整體呈近直立的陡崖，下游有淺切沖溝發(fā)育，不宜布置溢洪道。相比左岸，右岸坡度較緩，地形更加開闊，從地形條件考慮，可將溢洪道布置在右岸，初步設計也推薦右岸開敞式溢洪道方案。施工開挖出露現(xiàn)狀表明：右岸溢洪道開挖將會形成高7～27m巖土質混合邊坡，而大壩右岸有鄉(xiāng)村公路通過，且項目區(qū)屬高寒地帶，氣候惡劣，強降雨天氣較多，加之右岸公路來往車輛碾壓等影響，開挖后上部覆蓋層發(fā)生滑坡的可能性非常大，影響右岸公路穩(wěn)定，給通行車輛及行人造成極大安全隱患。因此，急需結合工程施工實際對原溢洪道布置方案進行優(yōu)化，確保工程高效優(yōu)質的施工建設。

3.2.1 壩身溢洪道可行性分析

壩身溢洪道是將溢洪道直接修建在土石堆石體上，在壩體沉降、高速水流等因素共同作用下，一旦失事其影響面和危害程度要比岸坡式溢洪道大很多［1］。 教授級高工方光達學者結合國內外土石壩壩身溢洪道新技術的建設和應用情況進行歸納總結和和分析研究，得出：對于有條件的土石壩，溢洪道應盡量布置在左岸或右岸壩段， 以降低溢洪道直接建筑在土石壩堆石頭體上的失事風險及危害程度。 但當壩址兩岸溢洪道修建條件有限， 壩高低于50m，泄洪單寬流量小于8m3/s·m的中、低土石壩，采用壩身溢洪道技術是可行的，一般不會出現(xiàn)特殊問題［2］。 土石壩壩身設置溢洪道不僅可以避免岸邊溢洪道高邊坡開挖所帶來的安全隱患，同時還節(jié)約工程投資，經(jīng)濟性非常明顯［3-4］。

永紅山塘土石壩工程泄洪方案優(yōu)化后溢流凈寬7.0m，設計頻率P=10%時，溢洪道下泄流量18.6m3/s，泄洪單寬流量為2.66m3/s·m；在校核頻率P=2%時，溢洪道下泄流量29.4m3/s， 泄洪單寬流量為4.2m3/s·m。各工況下，溢洪道泄洪流量較小，泄洪單寬流量小于8m3/s·m，且最大壩高為27.0m，屬于低壩。 根據(jù)壩址兩岸地形地質條件， 結合右岸施工開挖出露實際情況， 大壩兩岸布置開敞式自由泄洪溢洪道的條件非常有限， 而永紅山塘工程具有布置壩身溢洪道的基本條件和優(yōu)勢。因此，施工階段將右岸溢洪道方案優(yōu)化為土壩壩身溢洪道。

3.2.2 壩身溢洪道布置

溢洪道布置于大壩中段， 為壩頂開敞式自由泄洪溢洪道，包括溢流控制段、泄槽段、消力池段，總長74.71m。 永紅山塘壩身溢洪道平面布置，如圖1。

圖1 壩身溢洪道平面布置

由于永紅山塘溢洪道直接修建在土石壩壩體上，一旦失事，后果將非常嚴重，因此，在設計時應認真考慮工程實施的具體條件和可能帶來的風險，在可控范圍內做出安全、可靠、經(jīng)濟的設計產(chǎn)品。 根據(jù)已建工程成功經(jīng)驗， 結合永紅山塘施工現(xiàn)場實際情況，壩身溢洪道在設計時，從溢流堰堰型選擇、泄槽段穩(wěn)定措施和消力池布置等多方面考慮對方案進行優(yōu)化調整。 溢洪道結構縱剖面，如圖2。

圖2 溢洪道結構縱剖面

（1）溢流堰堰型選擇?？紤]到土壩壩體沉降變形的影響， 在溢流堰選擇時盡量選用對承載力較差的土基適應能力較強的堰型，還考慮節(jié)約工程投資。經(jīng)技術經(jīng)濟比較，在相同溢流凈寬條件下，優(yōu)選泄流能力較強的駝峰堰作為永紅山塘土石壩溢流堰堰型。溢流堰采用C25鋼筋混凝土澆筑，基礎厚80cm，堰頂高程1335.00m，溢流凈寬7.0m，溢流堰堰面曲線采用三圓弧曲線組成， 中圓弧半徑R=1.0m， 圓心角θ=56.14°；上下圓弧半徑R=2.4m，圓心角θ=28.07°。 上游與大壩混凝土預制塊護坡結構相接， 并將防滲土工膜伸入溢流堰堰體內，下游接泄槽段。

（2）泄槽段布置。為了滿足溢洪道泄槽段的穩(wěn)定要求， 做好壩身段泄槽底板的錨固措施和分縫措施是非常有必要的。 永紅山塘土石壩工程泄槽段底板與壩體間設置φ25水泥砂漿錨桿 （L=4.5m， 間排距2.0m）增加溢洪道底板穩(wěn)定性，同時溢洪道底板每隔8.0m設一道施工縫，分縫型式采用搭接縫，縫內設銅片止水和膨脹止水。 溢洪道泄槽段底板及側墻采用40cm厚C25鋼筋混凝土澆筑； 其底坡與大壩下游壩面同坡，為1∶2；底板寬度在樁號溢0+007.79m～溢0+022.79m 段為7.0 ～4.0m， 墻高2.0 ～1.2m， 在溢0+022.79m～溢0+054.71m段為4.0m，墻高1.2～4.0m。

（3）消力池布置。 消力池位于溢洪道樁號溢0+054.71m～溢0+074.71m段， 其基礎置于原土石壩壩體上，而壩體填筑體厚度達6.0m。 由于消力池基礎不能直接置于基巖上，為滿足消力池結構的抗滑穩(wěn)定性， 設計考慮消力池基礎采用C15埋石混凝土處理成臺階狀，厚1.0～2.0m。 通過計算，消力池優(yōu)化設計特性參數(shù)為：池長20.0m，池深1.0m，池寬4.0m，墻高4.0m，斷面型式為矩形，邊墻和底板均采用C25鋼筋混凝土澆筑。

4 壩頂溢洪道設計計算

4.1 泄流能力

永紅山塘土石壩壩身溢洪道為壩頂開敞式溢洪道，駝峰堰堰型，泄流能力計算公式為［5］：

式中 Q為流量（m3/s）；B為溢洪道總凈寬，取7m；ε為閘墩側收縮系數(shù)， 取0.92；H0為計入行近流速水頭的堰上總水頭（m）；m為流量系數(shù)，取0.42。

根據(jù)永紅山塘土石壩洪水調度方式，選取P=2%校核洪水標準和P=10%設計及消能洪水標準共2種工況，計算得溢洪道泄流能力成果，如表1。

表1 溢洪道泄流能力計算成果

從表1可知，壩身溢洪道在2種工況條件下，實際能下泄流量均大于設計下泄流量， 溢洪道泄流能力滿足泄洪下泄流量要求，且具有一定余量，溢洪道結構設計及尺寸選擇合理。

4.2 泄槽水面線

泄槽上游接駝峰堰，泄槽首端水深：校核工況時為1.2m，設計工況時為0.89m。 根據(jù)能量方程，用分段求和法計算，計算公式為［5］：

式中 ΔL1-2為分段長度 （m）；h1、h2，v1、v2，α1、α2及R1、R2分別為計算段始末斷面水深（m）、平均流速（m/s）、流速分布不均與系數(shù)（取1.05）及水力半徑（m）；i為泄槽底坡；J為分段平均摩阻系數(shù)；n為泄槽槽身糙率系數(shù)，綜合取0.017。

在校核工況下泄洪水流量（P=2%、29.4m3/s）、設計工況下泄流量（P=10.0%、18.6m3/s）時，溢洪道泄水槽各樁號水深和流速計算成果，如表2。

表2 溢洪道泄水槽段水力特性表

從表2分析成果可知，泄槽邊墻高度按考慮摻氣影響后的水面線加0.5～1.5m安全加高確定， 泄槽邊墻設計高度滿足要求。

4.3 溢流堰穩(wěn)定

溢流堰穩(wěn)定分析以垂直水流方向寬度1.0m作為計算對象，計算公式為［5］：

式中 Ks為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f 為溢洪道混凝土地板與土石壩體間的摩擦系數(shù)；∑W、∑P 分別為作用于溢流堰體上的全部荷載對計算滑動面的法向分量和切向分量。

在正常蓄水位 （1335.00m） 工況和校核洪水位（1336.92m）工況條件下，溢流堰穩(wěn)定計算成果，如表3。

表3 溢流堰穩(wěn)定計算成果

從表3分析成果可知，校核洪水位工況安全系數(shù)為7.8； 正常蓄水位工況安全系數(shù)為15.1， 均大于1.05，滿足規(guī)范要求且安全富余度較大，溢流堰結構安全穩(wěn)定。

4.4 泄槽段底板及側墻穩(wěn)定

根據(jù)SL253—2018《溢洪道設計規(guī)范》，泄槽段底板及側墻的穩(wěn)定主要依靠防滲、排水、止水及錨筋等工程措施來解決。由于永紅山塘溢洪道規(guī)模較小、單寬流量較小， 溢洪道泄槽段穩(wěn)定計算采用經(jīng)典理論力學公式進行初步分析計算， 用工程類比確定泄槽的錨固方式。 由于永紅山塘溢洪道底板及側墻采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)澆為一個整體。 因此，溢洪道泄槽段穩(wěn)定計算時， 將底板及側墻作為一個整體進行計算，如圖3。

圖3 泄槽穩(wěn)定計算簡圖

泄槽底板及側墻的抗滑安全系數(shù)計算公式同溢流堰。 選擇完工未蓄水和校核洪水兩種工況， 在設φ25水泥砂漿錨桿（L=4.5m，間排距2.0m）條件下進行分析，計算得泄槽底板及側墻的抗滑安全系數(shù)成果，如表4。

表4 泄槽段底板及側墻穩(wěn)定計算成果

從表3分析成果可知， 抗滑安全系數(shù)K＞1.05，溢洪道泄槽安全穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求， 所設錨拉筋滿足要求。

5 結語

（1）永紅山塘土石壩整治加高工程，由于壩址左岸地形較陡，右岸溢洪道開挖出露高邊坡穩(wěn)定問題，邊坡支護處理工程量較大， 不宜繼續(xù)修建岸邊溢洪道。 結合土石壩壩身溢流新技術相關文獻資料并參照同類工程建設與應用成功經(jīng)驗， 設計將溢洪道優(yōu)化調整為壩身溢洪道， 解決右岸邊坡開挖可能帶來的高邊坡不穩(wěn)定安全隱患，且調整方案經(jīng)濟效益明顯。

（2）論證分析和設計計算成果表明：采用壩身溢洪道方案，溢洪道泄流能力、邊墻高度和溢流堰抗滑穩(wěn)定均滿足相關規(guī)范指標要求， 優(yōu)化調整方案技術可行。永紅山塘土石壩壩體于2018年10月填筑完成，壩身溢洪道于2019年4月日開始澆筑。 溢洪道澆筑時，壩體已達到沉降穩(wěn)定期，壩體沉降變形對溢洪道結構影響較小。

（3）土石壩壩身溢洪道設計時，從溢流堰型選擇、泄槽段抗滑穩(wěn)定措施等多角度考慮是必要的。

（4）永紅山塘土石壩整治工程于2019年12月竣工，蓄水運行至今已有一年多， 經(jīng)歷了汛期大流量泄洪檢驗，溢洪道結構未發(fā)現(xiàn)沉降、變形、開裂等不利現(xiàn)象，土石壩整體運行狀況良好。