屯瓦水庫除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)研究

胡福軍

（忻州市水利勘測設(shè)計(jì)院，山西 忻州 034000）

1 屯瓦水庫簡況

屯瓦水庫位于原平市西南20 km處，因臨近屯瓦村而得名。水庫總庫容12.09萬m3，水庫類別為小（二）型，主要功能為防洪和灌溉，樞紐工程包括大壩、輸水涵管和溢洪道。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及防洪標(biāo)準(zhǔn)》工程等別劃為Ⅴ等，主要、次要建筑物級(jí)別均為5等5級(jí)。樞紐建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)20年一遇，校核200年一遇。大壩為土料修筑，最大高度為13.45m，壩頂規(guī)格為72 m×4 m，上、下游壩坡坡度差別較小，坡比依次為 1∶2.5，1∶2.0。輸水涵管布設(shè)于大壩左岸，為壓力鋼管，鋼管長度可達(dá)54 m，直徑僅0.24 m，四周用漿砌石護(hù)砌，出口用閘閥控制。泄洪涵洞設(shè)置在大壩右側(cè)，漿砌石城門洞型，長、寬、高分別為30 m、1 m、1.2 m，但已遭到嚴(yán)重破壞。屯瓦水庫于1972年開工，1973年竣工，為13.33 hm2農(nóng)田提供灌溉用水，同時(shí)攔緩上游洪水，保護(hù)下游3個(gè)村莊、1個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，3 800人口的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2 水庫現(xiàn)狀

由于歷史原因，原屯瓦水庫工程施工倉促，前期工作不充分，施工質(zhì)量控制缺失，工程質(zhì)量不合格，工程設(shè)施很不完善，原為鄉(xiāng)政府管理，沒有專業(yè)技術(shù)人員參與。

經(jīng)鑒定，大壩目前屬病險(xiǎn)水庫，現(xiàn)狀水庫類別僅為三類，存在的主要問題有：一是水庫當(dāng)前防洪能力不達(dá)標(biāo)；二是水庫大壩下游壩坡不穩(wěn)定；三是水庫溢洪道未建成，原泄洪涵洞已被上游開礦道路損毀。四是輸水涵管出口控制閘閥已損壞，涵管出口處原漿砌石護(hù)砌部分坍塌。

3 水庫參數(shù)計(jì)算

3.1 水文計(jì)算

屯瓦水庫壩址位于屯瓦村的旱叉溝，控制流域面積1.04 km2，流域長度1.81 km，平均寬度0.57 km，平均坡降87.6‰。流域地貌類型為山地，巖性以變質(zhì)巖為主，匯流地貌類型為灌叢山地，流域內(nèi)植被覆蓋率較高。壩址區(qū)地處基巖山區(qū)及黃土丘陵區(qū)，本區(qū)氣候受季節(jié)和地形影響較為明顯，干旱、溫差大，汛期雨量大而集中，降雨量多年平均值為450 mm。

設(shè)計(jì)暴雨。查不同歷時(shí)點(diǎn)暴雨均值等值線及CV等值線圖得到目標(biāo)流域設(shè)計(jì)暴雨取值，由暴雨設(shè)計(jì)值，計(jì)算流域設(shè)計(jì)暴雨。設(shè)計(jì)暴雨成果見表1。

產(chǎn)流計(jì)算。流域產(chǎn)流計(jì)算包括設(shè)計(jì)洪水凈雨深和凈雨過程計(jì)算兩部分。設(shè)計(jì)洪水凈雨深計(jì)算采用雙曲正切模型計(jì)算。凈雨深計(jì)算成果見表2。

匯流計(jì)算。流域內(nèi)缺乏水文站及氣象雨量站，根據(jù)《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》，依據(jù)設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算設(shè)計(jì)洪水的推求方法，匯流計(jì)算主要采用綜合瞬時(shí)單位線法、推理公式法、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表3。

表1 設(shè)計(jì)暴雨成果單位：mm

表2 凈雨深計(jì)算成果

表3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果 單位：m3/s

經(jīng)分析比較，三種方法計(jì)算屯瓦水庫洪峰流量成果相差不大，又因水庫流域面積較小，故采用推理公式法計(jì)算成果。推理公式法匯流計(jì)算，包括求解洪峰流量Qm、流域匯流歷時(shí)τ。通過聯(lián)立求解下列方程組：

式中：L為河長，km；m為匯流參數(shù)，從手冊(cè)查用；J為河流縱比降，‰；τ為流域匯流歷時(shí)，h；ht匯流時(shí)間內(nèi)最大降雨量，mm；t為暴雨歷時(shí)，h；tc為出流歷時(shí)，h；A為流域面積，km2；hR·p為設(shè)計(jì)洪水凈雨深，mm；ht為t時(shí)間內(nèi)最大降雨量，mm；Hp（t）為頻率P下歷時(shí)t的最大降雨量，mm；μ為匯流參數(shù)，查手冊(cè)獲取。

經(jīng)計(jì)算，確定20年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為20.2 m3/s，200年一遇校核洪峰流量為33.4 m3/s。

3.2 防洪能力復(fù)核

溢洪道位于水庫右端，為開敞式溢洪道。根據(jù)水量平衡原理，采用靜庫容法，按溢洪道敞泄的調(diào)度運(yùn)用方式分別對(duì)設(shè)計(jì)、校核洪水進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，計(jì)算可得20年一遇設(shè)計(jì)洪水位1 194.01 m，相應(yīng)庫容11.468萬m3，最大泄量15.52 m3/s，200年一遇校核洪水位1 194.72 m，相應(yīng)庫容12.089萬m3，最大泄量25.43 m3/s。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)壩頂高程進(jìn)行復(fù)核，分析計(jì)算壩頂與設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位高程差，可得20年一遇設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)下，壩頂高程為1 194.728 m，200年一遇校核洪水標(biāo)準(zhǔn)下，壩頂高程為1 195.278 m，現(xiàn)狀土壩壩頂高程為1 195.9 m，已達(dá)到200年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

4 工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

針對(duì)目前存在的關(guān)鍵問題，結(jié)合屯瓦水庫工程的各方面條件，屯瓦水庫除險(xiǎn)加固主要任務(wù)：壩頂路面、下游壩坡培厚及排水、新建溢洪道、引水臥涵管封堵和搶險(xiǎn)道路鋪設(shè)。

4.1 大壩工程設(shè)計(jì)

4.1.1 壩頂路面

壩頂鋪設(shè)厚20 cm的泥結(jié)石路面，從上游至下游設(shè)1.5%的橫坡，壩頂上下游側(cè)設(shè)予制C 25混凝土路，沿高出路面20 cm，路沿石厚15 cm，上游側(cè)高80 cm，下游側(cè)高55 cm，寬50 cm，在與下游縱向排水溝對(duì)應(yīng)位置預(yù)留排水口。

4.1.2 下游壩坡培厚及排水

現(xiàn)狀下游壩坡較陡、不規(guī)則，未設(shè)排水溝，致使下游壩坡水蝕嚴(yán)重。本次設(shè)計(jì)將對(duì)壩坡進(jìn)行削坡后培厚，壩頂拓寬至5.5 m，下游壩坡由原來的1∶2改為1∶2.5；在下游壩坡用砌石修建排水溝，縱橫雙向呈菱形布設(shè)，排水溝槽深30 cm，寬40 cm，同時(shí)用生態(tài)植被護(hù)坡，岸坡排水溝深50 cm，寬50 cm；為增強(qiáng)大壩的滲透穩(wěn)定性，再利用菱形體在下游壩坡排水，排水體頂寬 1.5 m，高 2.5 m，外坡 1∶1.5，內(nèi)坡 1∶1.0，設(shè) 30 cm 碎石，20 cm中粗砂反濾。

4.1.3 上游壩坡整理及護(hù)坡翻新

原工程在上游壩坡修建了干砌石護(hù)坡，因多年未進(jìn)行保護(hù)，現(xiàn)已破壞嚴(yán)重，使得壩坡不規(guī)整。本次設(shè)計(jì)將對(duì)上游壩坡進(jìn)行平整，并修繕護(hù)坡。舊護(hù)坡拆除后的塊石全部堆在上游壩腳，作為護(hù)腳。壩坡平整后，依次鋪設(shè)10 cm厚細(xì)砂墊層，10 cm厚粗砂墊層砂濾層，10 cm厚碎石濾層，30 cm厚干砌石護(hù)坡。

4.2 溢洪道工程設(shè)計(jì)

新增溢洪道布置在大壩右壩肩，與壩軸線垂直，采用底流消能方式，主要有進(jìn)口段、堰頂段、陡坡段、消力池、護(hù)坦等。根據(jù)調(diào)洪計(jì)算，當(dāng)?shù)装甯叱虨? 192.2 m時(shí)，設(shè)置4 m寬開敞式溢洪道完全滿足水庫泄洪要求，水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)200年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。按實(shí)際地形和工程地質(zhì)條件，工程布置在壩軸線右端緊靠山體一側(cè)，基礎(chǔ)完全座于基巖上，安全可靠。采用明挖方式，并對(duì)山體進(jìn)行削坡加固護(hù)砌。

4.3 灌溉臥涵管封堵設(shè)計(jì)

原臥管（5級(jí)）與引水涵管（φ250鋼管）年久失修，本次設(shè)計(jì)考慮將原臥管與涵管完全用泵送混凝土封堵，杜絕安全隱患。

4.4 上壩搶險(xiǎn)道路設(shè)計(jì)

現(xiàn)狀無上壩道路，唯一一條進(jìn)庫區(qū)的道路為礦山私挖濫采將原泄洪洞開挖成的便道，且無法到達(dá)壩頂。為搶險(xiǎn)需要，本次設(shè)計(jì)考慮從溢洪道右側(cè)側(cè)墻背后填土墊5 m寬上壩道路，坡度為1∶8。

5 結(jié)語

除險(xiǎn)加固工程的完善，發(fā)揮明顯效益，該工程的完成使水庫達(dá)到了防洪標(biāo)準(zhǔn)，確保了水庫的工程效益，降低了洪水對(duì)下游的的危害，保障了人民安居樂業(yè)。在保證水庫防汛功能的前提下，充分利用徑流的季節(jié)性，調(diào)度水庫水向下游農(nóng)田提供灌溉用水，部分可向工業(yè)企業(yè)供水，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展；經(jīng)過除險(xiǎn)加固后的屯瓦水庫將對(duì)區(qū)域水環(huán)境的改善產(chǎn)生積極的作用，調(diào)節(jié)生態(tài)平衡，改善地區(qū)水質(zhì)，美化人居環(huán)境。