連平縣純坑山塘整治工程設計研究

劉煒堅

（河源市水利水電勘測設計院有限公司,廣東 河源 517000）

1 工程概況

連平縣純坑山塘整治工程位于連平河支流純坑水上,純坑水是連平河上游左岸的一級支流,發(fā)源于連平縣境內的金排垇,流經崩崗下、拱橋頭、老虎頭,于麻陂附近匯入連平河干流。本工程壩址以上集雨面積1.1 km2,干流河長1.914 km,平均坡降為0.129,多年平均降水量為1730 mm,多年平均徑流深為970 mm,多年平均徑流總量為106.7萬m3,多年平均流量為0.04 m3/s。純坑水屬山區(qū)性河流,上游多為高山峻嶺,河流湍急,兩岸坡陡,山多地少,草木茂盛,植被良好,有一定的水土流失現象。由于醒獅村上背夫、下背夫、上新屋片農田灌溉水源沒有保證,原純坑山塘無法蓄水（壩址處現有很矮的堆石,無蓄水能力,左岸現有老舊渠道引水）,現狀農田主要依靠天然來水灌溉,灌溉效率低,水源水量難以保障,因此本工程擬重建純坑山塘來緩解上背夫、下背夫、上新屋60畝農田的灌溉用水問題[1]。

2 山塘整治工程施工設計

2.1 純坑山塘庫區(qū)現狀

純坑山塘溢流壩段高程為302.4 m,溢流壩段凈寬選用10 m。溢流壩段泄流按《溢流壩段設計規(guī)范》（SL 253-2018）附錄A.2規(guī)定公式及《水力計算手冊（第二版）》計算。根據表1純坑山塘調特征水位流量。

表1 純坑山塘調特征水位流量

本次計算忽略行近流速。經計算可知,純坑山塘的設計洪水位（P=5%）為303.62 m,校核洪水位（P=1%）為303.82 m。

純坑山塘灌溉范圍為元善鎮(zhèn)醒獅村純坑山塘下游上背夫、下背夫、上新屋60畝農田的灌溉問題。擬定山塘正常水位為302.4 m,庫容為0.77萬m3。經計算,山塘設計洪水位為303.62 m,相應庫容為1.15萬m3。校核洪水位為303.82 m,相應庫容為1.21萬m3。

2.2 山塘整治工程構筑物設計

（1）設計依據

根據《防洪標準》（GB 50201-2014）及《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）規(guī)定,純坑山塘總庫容為1.21萬m3,純坑山塘屬于山塘,工程等別為V等,主要建筑物為5級,次要建筑物為5級,當山區(qū)、丘陵區(qū)水庫工程永久性擋水建筑物的擋水高度低于15 m,且上下游最大水頭差小于10 m時,其洪水標準宜按平原、濱海區(qū)標準確定。正常運用洪水標準采取20年一遇（P=5%）,非常運用洪水標準采取100年一遇（P=1%）,溢流壩段消能防沖設計洪水標準采取10年一遇（P=10%）。

（2）壩型選擇

選定壩址不存在重大工程地質缺陷。從地質資料看,兩岸強風化變質砂巖出露,底部約3 m,即為弱風化變質砂巖,適宜修建重力壩。一般壩體按照填筑材料可分為土壩、漿砌石壩以及混凝土壩,由于連平縣石料廠僅有三家,分別位于上坪鎮(zhèn)及陂頭鎮(zhèn),運輸距離達50 km,故本次僅對土壩以及混凝土壩進行比選,壩型及工程布置比較見表2。

表2 壩型及工程布置比較表

混凝土重力壩較均質土壩：壩址處基礎好,且混凝土料方便購買,土料需在內莞鎮(zhèn)尋找合適的土料場,混凝土重力壩雖然造價較高,但運行管理方便,因此,方案一混凝土重力壩為推薦壩型。

（3）壩體設計

壩體采用C20砼澆筑,壩頂高程為304.82 m,壩頂長度26.23 m,寬2.5 m,壩頂設置鍍鋅管欄桿,高度1.2 m；于左壩肩開辟進庫公路,長100 m,采用4 m寬100 mm厚泥結石路面,路面近山側設排水溝。大壩壩前坡正常蓄水位至壩頂為豎直,正常蓄水位至壩底為1∶0.1斜坡,后坡采用1∶0.6斜坡；工程采用溢流壩段泄洪。根據河道地形,溢流壩段凈寬為10 m,堰頂高程為302.4 m,兩側設C25砼導流墻,采用1∶0.6斜坡,高1.2 m,厚0.8 m,平面圖見圖1。

圖1 純坑山塘平面圖

（4）壩基設計

根據地質勘察,大壩建基面為弱風化變質砂巖,河床段建基面高程標高取292.02 m,施工前將局部基礎清除、開挖后,設置C25混凝土基礎厚2 m,根據規(guī)范開挖成臺階式,斜向上游面呈鈍角；基礎于壩身兩側各伸出1 m,基礎兩側澆筑坡比為1∶0.5。山塘基礎透水率為5 Lu,為保證其防滲性能,本次設計做帷幕灌漿處理,單排布置,孔距1.5 m,灌漿至弱風化巖面線以下5 m。

（5）溢流壩設計

大壩溢流為無閘門控制的自由出流型式,頂部采用開敞式堰面,堰頂上游堰頭三圓弧曲面、下游為冪曲線,下游泄槽段采用與壩坡平行的斜率1∶0.6,底板厚度0.3 m,采用C20鋼筋砼澆筑。溢流壩段挑流段壩底高程為295.52 m,挑流段起弧高程為295.33 m,溢洪壩段兩側設翼墻,根據摻氣水深計算（計算結果見表3）及工程實際,確定翼墻在垂直溢流面的高度為1.2 m。（斷面1指堰頂處斷面,斷面2、3、4等分別代表每下降1 m處對應泄槽段過流斷面。）

表3 摻氣水深計算

2.3 山塘整治工程構筑物設計計算

（1）壩頂高程

根據規(guī)范《水工建筑物荷載設計規(guī)范》（SL 744-2016）,防浪墻頂至正常蓄水位或校核洪水位的高差由下式確定：

式中：Δh為防浪墻頂至正常蓄水位或校核洪水位的高差；h1%為累計頻率1%的波高,m；hz為波浪中心線至正常蓄水位或校核洪水位的高差,m；hc為安全加高。

計算結果見表4。

表4 計算結果

根據計算結果,壩頂高程不得低于304.49 m,結合實際,本次采用304.82 m作為本次設計壩頂高程。

（2）大壩穩(wěn)定性

穩(wěn)定計算的工作條件按《混凝土重力壩設計規(guī)范》（SL 319-2018）規(guī)定執(zhí)行,采用大壩現狀的實際環(huán)境條件和水位參數,純坑山塘大壩穩(wěn)定計算的主要工況有：①正常運用條件：水庫正常蓄水位302.40 m工況；水庫設計洪水位303.62 m工況。②非常運用條件：水庫校核洪水位303.82 m工況。壩坡的穩(wěn)定分析采用圓弧滑動條分法計算,主要采用簡化畢肖普法,其穩(wěn)定安全系數按下列公式計算：

式中：K為安全系數；W為土條重量；V為垂直地震慣性力（向上為負,向下為正）；u為作用于土條底面的孔隙壓力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；b為土條寬度；c'、φ'為土條底面的有效應力抗剪強度指標；MC為水平地震慣性力對圓心的力矩；R為圓弧半徑。

根據地質鉆探資料顯示,大壩選址位置建基面為弱風化變質砂巖,承載力特征值為2000 kPa。壩址基底摩擦系數為0.6,即本次本工程的計算滑裂面是大壩基底混凝土與弱風化變質砂巖接觸面。計算成果見表5。

表5 大壩抗滑穩(wěn)定計算成果表

3 結語

本文在對目前純坑山塘庫區(qū)調洪計算、特征水位及工程規(guī)模分析的基礎上,詳細分析了山塘整治過程中的設計要點,純坑山塘溢流壩段高程為302.4 m,溢流壩段凈寬選用10 m,經高程核算后并結合實際,本次采用304.82 m作為本次設計壩頂高程,且大壩抗滑穩(wěn)定安全系數在1.43 以上,符合工程實際要求。本工程對提高人民的生活水平起了重要的作用,并且社會效益顯著,對連平縣醒獅村農業(yè)的發(fā)展,充分利用水資源具有深遠的戰(zhàn)略意義。