斜向網(wǎng)狀排水系統(tǒng)在巴家咀水庫中的應用

陳攀 耿莉 趙寧

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003)

1 工程概況

巴家咀水庫位于甘肅省慶陽市后宮寨附近，是一座集防洪保壩、供水、灌漿及發(fā)電于一體的水利樞紐工程。水庫防洪標準為百年一遇設(shè)計，兩千年一遇校核,水庫庫容5.11億m3，屬大（2）型工程。

巴家咀水庫溢洪道位于大壩左岸，為壩肩開敞式溢洪道。溢洪道基礎(chǔ)置于基巖上，進口從泄洪洞塔架右側(cè)進水至左壩端，穿越壩體由北向南泄入南小河溝內(nèi)，全長424.65m。溢洪道左側(cè)為黃土山梁，高出溢洪道底約120m，右為蒲河溝道，低于溢洪道約40m。溢洪道主要由進水引渠、控制閘段、泄槽、挑坎段和出水渠等五部分組成。

2 溢洪道防滲排水設(shè)計

巴家咀溢洪道建筑物坐落在大壩左壩肩，蒲河深切黃土塬于基巖中，壩區(qū)河谷狹窄，為不對稱河谷，兩岸地形坡度40°～60°，基巖坡達70°～80°。第三系砂礫石及粘土、第四系黃土廣泛覆蓋地面。兩岸基巖為砂巖，左岸出露高程1096m，建基面巖石主要為白堊系砂巖，膠結(jié)差，易風化，局部存在膠結(jié)較差的粗砂巖薄層以及粉砂質(zhì)泥巖透鏡體，強度很低，遇水崩解軟化。因此其防滲排水設(shè)計則顯得尤其重要。防滲排水設(shè)計中，防滲系統(tǒng)包括地表止水和地下帷幕，排水系統(tǒng)主要包括溢洪道閘室及泄槽底板下的排水管網(wǎng)系統(tǒng)。

2.1 防滲設(shè)計

根據(jù)地質(zhì)資料：閘基基巖自上而下由淺紅色砂巖、黃綠色砂巖和青灰色砂質(zhì)頁巖構(gòu)成。三種不同巖性的巖體滲透性相當，閘基下無相對不透水層。由于閘基位于岸坡地段，巖體風化卸荷裂隙影響，個別裂隙密集帶延伸長，為切斷繞壩滲漏的主要通道和降低閘基揚壓力,設(shè)置灌漿帷幕。

我國一些大壩，帷幕深度一般為水頭30%～70%，考慮岸坡卸荷節(jié)理對滲流的不利影響，帷幕灌漿深度取25m，約為建基面以上最大水頭的78%。左岸山體內(nèi)地下水位埋深較深，與正常蓄水位不相交，因此灌漿帷幕向左的延伸范圍，根據(jù)經(jīng)驗取建基面以上最大水頭的1倍，即30m。帷幕向右按照帷幕底部延伸至左岸基巖岸坡處，與大壩填土相接。帷幕灌漿孔間距2.0m。

閘室的邊墻連接處及閘墩分縫處均設(shè)止水封閉；閘室擋墻與土壩兩側(cè)采用復合土工膜錨固連接，構(gòu)成擋水建筑物基礎(chǔ)的防滲整體，減少滲透。泄槽底板順水流向分縫10m，垂直水流向分縫6m-15m,縱縫（順水流向）采用平縫，橫縫（垂直水流向）采用搭接縫,縫間布設(shè)橡膠止水帶。豎向止水頂高程高于校核洪水位1m。整個防滲體系內(nèi)的止水縱橫相互連通，形成一封閉的整體，阻斷了上下游水流通道和地下水外滲通道。

2.2 明排水與暗排水方案比較

溢洪道閘室帷幕下游側(cè)布設(shè)基礎(chǔ)排水孔，孔距2.0m。閘基排水范圍不大，從地質(zhì)資料來分析水量不會太多，所以盡量簡化設(shè)計，各豎向排水孔水量匯集到水平總管，再通過4個分管接到泄槽排水系統(tǒng)。

溢洪道泄槽為矩形斷面，起始寬度31m，等寬度段長30m，其后右岸單側(cè)擴散，擴散角4o，泄槽縱坡為0.025，總長164.0m，末端接35m的拋物線型陡坡段，與挑流鼻坎銜接。溢洪道泄槽流速較大，最高達22.19m/s，底板受動水壓力、脈動壓力、揚壓力等作用，底板的抗浮穩(wěn)定主要依靠底板的止水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、錨筋及板面的平整度等工程措施來保證。

根據(jù)巴家咀水庫溢洪道的水文地質(zhì)條件，比較了泄槽底板布設(shè)排水柱的明排水方案和底板下設(shè)排水暗管的暗排水方案。

明排水方案通過底板上布設(shè)的無砂混凝土排水柱直接將地下水排出來，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，費用比較低。缺點：一是，泄槽流速比較高，采用明排水孔在宣泄洪水時排水住容易破壞，對底板的安全造成隱患；二是，根據(jù)已建工程運行經(jīng)驗，此類明排水孔易被泥沙淤堵；三是，排水匯集在泄槽內(nèi)，無法全部自然排出，挑坎段會有一些集水，需要另外布設(shè)排水通道。

暗排水方案是在泄槽底板下鋪設(shè)柔性排水管網(wǎng)，縱橫排水管互相貫通,挑流鼻坎基礎(chǔ)排水設(shè)施與泄槽底板縱橫排水管相應布設(shè),并與其相互連通形成排水體系，該系統(tǒng)經(jīng)鼻坎基底將滲水排向下游。其優(yōu)點是整個排水管網(wǎng)布設(shè)于板底，可有效減少滲透水流對泄槽底板的頂托及防止凍脹對底板的破壞，且泄洪時不會因水流沖擊而損壞，排水出路通暢，水量可全部自然排出。缺點是，由于排水管埋在底板下，檢查和檢修非常困難，且無法更換。

綜合比較，雖然暗排水方案排水管無法檢修，但可通過采取合理的布置形式，選擇耐老化、優(yōu)質(zhì)可靠材料，精心施工，做到排水通暢。因此，推薦暗排水方案。

2.3 正交排水網(wǎng)與斜向排水網(wǎng)比較

斜向網(wǎng)狀排水布置與常規(guī)正交排水布置相比，具有以下優(yōu)點：

（1）常規(guī)正交排水布置，中間縱向排水通常采用與泄槽底板相同坡降，橫向排水需要通過開挖高程降低形成一定排水坡降，兩邊側(cè)縱向排水高程相應需要降低，這樣導致開槽斷面加大且橫向排水斷面為漸變式，開挖量大，且施工麻煩。斜向布置則可便避免這種情況，橫向排水充分利用泄槽底板坡降，采用統(tǒng)一斷面，仍可形成自然排水坡降，施工方便，工程量小。

（2）常規(guī)正交排水布置，縱橫向排水管正交，影響了水流交匯效果，交叉處水流方向突然改變，很容易造成局部淤堵，長期運用接口處會發(fā)生溢水破壞，影響泄槽安全運行。而斜向布置則可以避免這種情況，使水流流態(tài)得到很好改善。

綜合比較，斜向網(wǎng)狀排水布置與常規(guī)正交排水布置相比，工程量小，排水流路更通暢，有效提高了排水系統(tǒng)的可靠性。巴家咀溢洪道泄槽排水設(shè)計經(jīng)多方面比較，一改過去沿板縫縱橫正交布置的做法，排水系統(tǒng)采用斜向網(wǎng)狀布置+柔性透水管結(jié)構(gòu)形式。

2.4 斜向網(wǎng)狀排水設(shè)計

根據(jù)排水量計算結(jié)果，考慮基礎(chǔ)的滲透系數(shù)計算滲水量大小，進行排水管的直徑選取和間距布置。

（1）排水管排水量計算

根據(jù)柔性透水管的滲透能力和管徑大小對排水效果的影響，排水主管采用直徑d=200mm，排水支管采用直徑d=100mm。

式中，a——無因次進水阻力系數(shù)，取0.02。

則單根排水管的排水量為：

式中，Ks——排水管周圍基礎(chǔ)的滲透系數(shù)，L——排水管長度。

由此計算得單根支管排水管的排水量為1.7L/s。

（2）排水管間距布置

分別進行了8m、10m和12m的間距比較，相應每根排水管的匯水量見表2。

表2 排水管間距對比分析計算表

由表2可知，排水管間距10m對應的匯水量和單根排水管的排水量比較接近，能較充分發(fā)揮其排水能力，因此選取10m作為排水管的設(shè)計間距。

巴家咀溢洪道泄槽板底縱向沿軸線及左右兩側(cè)共鋪設(shè)3列管徑200mm的柔性透水管，間距16m～24m；橫向布設(shè)管徑100mm的柔性透水管，橫向排水管沿水流方向向下游斜向布置，與縱向排水管夾角150°，間距10.00m，共16列，縱橫向排水管呈“魚刺型”網(wǎng)狀布置，構(gòu)成泄槽底板的完整封閉排水系統(tǒng)。水流通過比較密集的斜向管網(wǎng)匯集到縱向排水管，縱橫排水管互相貫通，并與鼻坎基底排水設(shè)施相互連通成排水體系，將滲水排向下游。

具體布置詳見圖1、圖2。

圖1 巴家咀水庫溢洪道泄槽排水系統(tǒng)布置圖

圖2 縱橫向排水管詳圖

3 結(jié)論

溢洪道泄槽底板排水，一般匯水面積比較大，采用常規(guī)排水形式，長期運用容易發(fā)生淤堵破壞，對建筑物留下安全隱患，是設(shè)計一直探索的難題。

巴家咀溢洪道工程排水設(shè)計采用了斜向網(wǎng)狀排水結(jié)構(gòu)形式。在該結(jié)構(gòu)型式中，充分利用泄槽本身坡度布設(shè)縱向排水主管及與其斜交的橫向管網(wǎng)，使其形成完整、連通的封閉排水系統(tǒng)，即便是局部發(fā)生淤堵，其他流路仍能保持暢通，不影響總體排水效果，有效提高了排水設(shè)計的可靠性。