太原市小型水庫泄水建筑物優(yōu)化設(shè)計探討

秦國強

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司 山西太原 030024）

1 問題提出

太原市小型水庫共有16 座，興建于1950—1980年期間，水庫功能主要是防洪、緩洪、攔沙和灌溉等，主要由均質(zhì)土壩、溢洪道和放水洞或涵臥管等建筑物組成。由于歷史遺留問題導(dǎo)致水庫多年管理維護不到位，多存在不同程度的破損問題，對太原市城鄉(xiāng)防洪安全形成較大隱患，且多數(shù)不能正常發(fā)揮水庫功能，至今多為空庫運行，水庫安全得不到有效保證[1]。

2 處理辦法

太原市大多數(shù)小型水庫都采用放水洞和溢洪道結(jié)合的方式泄水，溢洪道多采用開敞式無閘門控制泄水，結(jié)構(gòu)型式主要為漿砌石擋墻，消能設(shè)施不全，不能有效控制水庫泄水；放水洞主要是上世紀建庫初期興建，砌筑材料多為圬工結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)，進口無啟閉設(shè)施，或閘門缺失，洞身過水?dāng)嗝妾M窄，不能滿足水庫正常運行和后期檢修要求。尤其是建庫多超過50年，放水洞出現(xiàn)裂縫、沉降等問題，威脅到大壩防滲安全[2]，水庫有效蓄水能力低下。

由于太原市城鄉(xiāng)不斷發(fā)展，多數(shù)水庫周邊土地已開發(fā)利用，不具備將泄水建筑物調(diào)整至大壩以外的可能性。根據(jù)碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范（SL274-2020），針對泄水建筑物布置和形式規(guī)定，為解除現(xiàn)狀泄水建筑物存在問題，可通過優(yōu)化組合方式，將水庫樞紐由現(xiàn)存的“三大件”調(diào)整為“兩大件”，即通過工程措施，將放水洞和溢洪道整合，在功能未改變的前提下，減少穿壩建筑物數(shù)量，降低水庫安全隱患。

根據(jù)太原市提出的“南移-西進-北展-東擴”戰(zhàn)略布局，本文以太原市東山區(qū)域南坪頭水庫改造工程為例，為小型水庫泄水建筑物優(yōu)化設(shè)計提供參考。

3 南坪頭水庫改造工程

3.1 工程概況

南坪頭水庫位于太原東山南部的小店區(qū)北營街辦南坪頭村東黑駝溝上游，控制流域面積9.75 km2。水庫大壩在1969年汛期建設(shè)，1972年壩高達到設(shè)計標準，設(shè)計庫容102 萬m3，為小（1）型水庫，水庫洪水標準為30年一遇（P=3%）洪水設(shè)計，300年一遇（P=0.33%）洪水校核。主要功能是以城市防洪、攔沙為主，由大壩、放水洞組成，放水洞為水庫泄洪設(shè)施。2011年南坪頭水庫除險加固在大壩左側(cè)增加溢洪道和上游壩坡土工膜防滲系統(tǒng)，泄水建筑物均無閘門控制，加之上游來水較少，建庫至今未曾蓄水。

水庫大壩為碾壓均質(zhì)土壩，壩頂長度200 m，最大壩高17.6 m，壩頂寬10 m，上游壩坡1∶2.2～1∶3.3，下游壩坡1∶2.0～2.2，壩基中部為粘土截水槽防滲。上游壩坡采用干砌石護坡，下鋪土工布防滲；下游壩坡采用草皮護坡，坡腳設(shè)貼坡排水，并在后坡設(shè)縱橫排水溝。

溢洪道位于大壩左壩頭，為矩形漿砌石結(jié)構(gòu)，全長174 m，控制段為岸邊開敞式寬頂堰，凈寬4.0 m，兩側(cè)邊墻均為漿砌石重力擋墻，底板與側(cè)墻為分離式結(jié)構(gòu)，在橫穿壩頂時采用蓋板涵結(jié)構(gòu)。進口無閘門控制，泄槽彎道多、曲度大，水流條件差。

放水洞位于大壩中部，為單孔方形混凝土結(jié)構(gòu)，無閘門控制，全長60.0 m，設(shè)計斷面尺寸為1.2 m×1.2 m，涵洞中部設(shè)混凝土豎井，出口無消能設(shè)施，放水洞建庫時修建，至今已50 多年，洞壁混凝土已出現(xiàn)不同程度的開裂、碳化現(xiàn)象。

3.2 泄水建筑物改造理念

根據(jù)太原市城市規(guī)劃、路網(wǎng)建設(shè)總體要求，利用汾河水源實現(xiàn)水庫蓄水需求，解決水庫左岸大學(xué)城和綠地山鼎莊園、右岸南坪頭村生態(tài)用水需要，對南坪頭水庫進行生態(tài)改造。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2020），由于大壩左右岸土地均已開發(fā)利用，無布置庫岸泄水建筑物條件，不得不采用壩下埋管，經(jīng)技術(shù)論證后，將水庫現(xiàn)有三大件改造為兩大件，改造后仍滿足水庫防洪標準。新改造設(shè)計構(gòu)思是：封堵放水洞，拆除溢洪道，新建泄洪洞。封堵放水洞時將洞內(nèi)清理干凈，在進出口設(shè)置擋墻，全洞段回填混凝土（外摻10%膨脹劑）并進行回填灌漿密實；拆除溢洪道后利用形成的埡口，繼續(xù)下挖至河床底部布置泄洪洞，進口設(shè)閘門控制洪水下泄，改造后既維持水庫防洪功能，又滿足太原市東山總體規(guī)劃蓄水需要。

3.3 泄洪洞布置原則

新建泄洪洞，既要滿足水庫防洪、蓄水要求，發(fā)揮水庫生態(tài)效益，又要保證下泄水流平順，方便運行管理，最終要徹底解決原泄水建筑物存在的安全隱患。因此要主要考慮以下幾方面要求：

1）新建泄洪洞在平面上保持直線布置，確保水流流態(tài)平順，減少水流對洞壁沖刷，盡快將洪水下泄；直線布置泄洪洞施工支模方便，容易保證澆筑進度和洞周圍回填土質(zhì)量，降低洞周滲漏破壞風(fēng)險；泄洪洞在大壩下游坡腳處時，在泄洪洞兩側(cè)及底部設(shè)反濾過渡層，降低出口側(cè)滲透破壞幾率。

2）泄洪洞布置結(jié)合大壩改造總體要求，盡量布置在拆除建筑物附近，就南坪頭水庫而言，可布置在溢洪道旁邊，該部位地基沉降已趨于完成，且可以減少土方開挖和填筑，并能利用原放水洞進行施工導(dǎo)流，降低汛期施工風(fēng)險。

3）泄洪洞與下游渠道銜接平順，保證水庫下泄洪水能及時、安全、順暢。

4）泄洪洞洞線盡量與大壩軸線垂直布置，有利于庫區(qū)進水塔布置，閘門開啟后水流流態(tài)較好，減少塔后穿壩涵洞長度，降低工程投資和安全風(fēng)險。

3.4 泄洪洞設(shè)計要點

1）開挖邊坡：按照現(xiàn)行土石壩設(shè)計規(guī)范要求，新舊填筑壩體應(yīng)結(jié)合緊密，防止由于填筑產(chǎn)生不均勻沉降形成滲漏通道。南坪頭水庫兩岸均為土質(zhì)山體，按照規(guī)范要求土質(zhì)岸坡開挖不陡于1∶1.5，建庫已超過半個世紀，壩頂常年車輛通行，大壩沉降已基本完成，相對于新填筑土體，原大壩壩體土亦可視為土質(zhì)岸坡，泄洪洞邊坡按1∶1.5 進行開挖。

2）泄洪洞進出口設(shè)計：南坪頭水庫泄洪洞基礎(chǔ)為土基，進口為鋼筋混凝土岸塔結(jié)構(gòu)，設(shè)平板檢修閘門和弧形工作閘門，進水塔基礎(chǔ)下設(shè)碎石樁，提高地基承載力，塔體與庫區(qū)改造后的防滲體緊密結(jié)合，保證防滲設(shè)施形成整體，不產(chǎn)生集中滲漏通道。泄洪洞出大壩下游壩坡后設(shè)消力池消能，池后設(shè)連接段與下游渠道連接，使水流平順進入下游渠道。

3）洞身結(jié)構(gòu)：進水塔后洞身為城門洞形，斷面尺寸3.0 m×4.0 m（寬×高），洞身段采用C30 鋼筋混凝土城門洞型結(jié)構(gòu)，底板厚0.6 m，側(cè)壁厚0.5～0.85 m，外墻綜合坡比1∶0.2，頂拱厚0.5 m，底板下土體夯實后鋪設(shè)10 cm 厚C15混凝土墊層，混凝土襯砌每8 m 設(shè)一橫縫，縫間設(shè)止水采用“651”橡膠止水帶，高密度聚乙烯閉孔板嵌縫，臨水面變形縫內(nèi)設(shè)30 mm 雙組分聚硫密封膠封口。

4）泄洪洞周圍填土設(shè)計：由于均質(zhì)土壩和泄洪洞洞身混凝土沉降變形不一致，洞身周圍土體會產(chǎn)生剪切破壞和剪切裂縫，易形成滲漏通道，進而影響大壩蓄水后安全運行[3]。為最大限度減少不同材料帶來不均勻沉降的影響，在泄洪洞周圍回填3 m 厚高塑性黏土，增加回填土體抗剪能力。

根據(jù)國內(nèi)其他土石壩填筑經(jīng)驗，選擇泄洪洞洞周圍土料塑性指數(shù)Ip 接近于17，粘粒含量不低于30%為宜，控制高塑性粘土含水量在最優(yōu)含水量-2%～+3%，填筑前在泄洪洞洞外壁涂刷1∶2.5～3.0 的濃泥漿。壓實度滿足壩體填筑指標要求，不小于0.98，單層控制碾壓厚度0.25 m 為宜。

4 結(jié)語

考慮太原市多數(shù)小型水庫周邊場地受限情況，通過優(yōu)化改造原有泄水建筑物布置后，滿足水庫泄洪前提下，既能解決水庫蓄水要求，又可減少壩體泄水建筑物數(shù)量，降低土壩滲漏破壞隱患，且組合設(shè)計后更便于工程維護、管理，可在小型水庫改造時進行推廣應(yīng)用。