太原市南坪頭水庫(kù)改造工程泄水方案比選

樊亞婷

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,山西 太原 030024）

1 工程概況

南坪頭水庫(kù)位于太原市東山南部南坪頭村東黑駝溝上游。工程所在黑駝溝屬于黃河流域,汾河的二級(jí)支流,匯入一級(jí)支流許坦排洪渠。壩址以上控制流域面積10.6 km2,多年平均降雨量467.1 mm,多年平均徑流量44 萬(wàn)m3,是一座以城市防洪、攔沙為主,兼顧生態(tài)蓄水與景觀美化的小（1）型水庫(kù)。南坪頭水庫(kù)總庫(kù)容111.6 萬(wàn)m3,其中死庫(kù)容23.4 萬(wàn)m3,調(diào)洪庫(kù)容69.3 萬(wàn)m3；死水位857.00 m,汛限水位859.00 m,正常蓄水位859.00 m,設(shè)計(jì)洪水位861.46 m,校核洪水位864.04 m。工程等別為Ⅳ等,根據(jù)工程等別確定主要建筑物為4 級(jí)。大壩洪水標(biāo)準(zhǔn)采用30 年一遇洪水設(shè)計(jì),300 年一遇洪水校核。

現(xiàn)狀南坪頭水庫(kù)大壩為碾壓均質(zhì)土壩,壩頂高程864.2 m~865.7 m,自北向南逐漸抬高,最大壩高16.5 m,壩頂長(zhǎng)200.0 m,壩中設(shè)有折點(diǎn),壩頂寬10.0 m,為瀝青混凝土路面。上游壩坡1∶2.2~1∶3.3,下游壩坡1∶2.0~2.2。壩基座落于已處理的基礎(chǔ)上,壩體中部為粘土截水槽防滲,槽底高程846.0 m；上游壩坡采用干砌石護(hù)坡,下鋪土工布防滲,坡腳采用多頭深攪等厚截滲墻防滲；下游壩坡采用草皮護(hù)坡,坡腳設(shè)貼坡排水[1]。水庫(kù)現(xiàn)狀為干庫(kù),壩前河床淤積高程854.1 m~855.9 m。

現(xiàn)狀南坪頭水庫(kù)泄水建筑物由溢洪道和放水洞組成,水庫(kù)改造時(shí)既要滿足下游防洪及生態(tài)要求,還要考慮東山片區(qū)開發(fā)、路網(wǎng)規(guī)劃等因素。根據(jù)城市建設(shè)路網(wǎng)規(guī)劃,壩頂作為連接學(xué)府街東延和南中環(huán)東延的城市次干道,壩頂寬度由現(xiàn)狀10 m加寬至37 m,同時(shí)壩頂高度增加2.5 m~4.0 m。洪水調(diào)算時(shí)充分考慮壩高因素,保證在300 年一遇洪水時(shí)控制下泄流量不超過(guò)15 m3/s。

2 泄水方案

本次水庫(kù)改造工程設(shè)計(jì)考慮兩種泄水方案進(jìn)行比選,方案一為單一泄洪洞方案,方案二為溢洪道結(jié)合放水洞方案。

2.1 泄水方案一

方案一封堵原放水洞,并拆除溢洪道,在溢洪道北側(cè)大壩樁號(hào)0+020 處新建泄洪洞。

本次改造對(duì)放水洞庫(kù)區(qū)引渠、出口消能段拆除,對(duì)洞身進(jìn)行封堵。原放水洞經(jīng)過(guò)幾十年運(yùn)行,洞內(nèi)雜物較多,洞底有一定厚度淤積物,考慮后期灌注混凝土的結(jié)合需要,封堵前必須對(duì)其進(jìn)行清理及高壓水槍沖洗。待新建泄洪洞澆筑完成投入使用后,放水洞進(jìn)口處設(shè)C25 混凝土擋墻封堵,洞身采用C15 混凝土（外摻10%膨脹劑）填充密實(shí),并對(duì)放水洞頂部進(jìn)行回填灌漿?；靥罟酀{預(yù)埋DN50 鍍鋅鋼管,漿液選用純水泥漿,采用普通硅酸鹽水泥,強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5。灌漿壓力暫定為0.2 MPa,漿液水灰比0.5,施工初期應(yīng)進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn),逐步調(diào)整各施工參數(shù)。中間豎井應(yīng)回填C15 混凝土至洞頂以上2 m,之后采用壩體土回填至豎井頂部。

由于現(xiàn)狀溢洪道為壩肩式溢洪道,全部采用漿砌石砌筑,大壩加高培厚后需增加溢洪道長(zhǎng)度,且設(shè)置閘門控制洪水下泄,水庫(kù)蓄水后易造成不均勻沉降和滲水,因此本次改造需將該溢洪道全部拆除[2]。溢洪道漿砌石及混凝土全部拆除后,與壩體銜接部分須將雜物及墊層材料全部清理干凈,直至露出新鮮的壩體土,結(jié)合新建泄洪洞布置,完成后續(xù)壩體填筑要求。

待溢洪道拆除后,繼續(xù)下挖至高程853.0 m,基礎(chǔ)夯實(shí)后新建泄洪洞。泄洪洞平面呈折線布置,全長(zhǎng)211.5 m（X0-034.5~X0+177.0）,在樁號(hào)X0+140.0 ~X0+153.48 設(shè)置轉(zhuǎn)彎段,轉(zhuǎn)角為38.6°,轉(zhuǎn)彎半徑為20 m。

泄洪洞由進(jìn)口段、閘室段、無(wú)壓涵洞段、出口消能段和明渠組成。進(jìn)口段包括喇叭口段和引水箱涵段,均布置在培厚壩體內(nèi)。閘室段設(shè)岸塔式進(jìn)水口,進(jìn)口底高程853.0 m,設(shè)弧形工作閘門,孔口尺寸為3.0 m×3.0 m,門前設(shè)檢修平板閘門,孔口尺寸為3.0 m×3.6 m。無(wú)壓涵洞底坡1/100,斷面為城門洞形,斷面尺寸為3.0 m×4.0 m（寬×高）,頂拱中心角為180°。出口段包括陡坡段和消力池段,均采用C 25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。消力池后接矩形明渠并入城市排水體系,明渠斷面為3.0 m×2.0 m（寬×高）,厚0.5 m,下設(shè)10 cm厚C15 混凝土墊層。

2.2 泄水方案二

溢洪道位于大壩左側(cè),緊鄰庫(kù)區(qū)左岸,全長(zhǎng)174 m,為矩形漿砌石結(jié)構(gòu),控制段為岸邊開敞式寬頂堰,凈寬4.0 m,無(wú)閘門控制,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),在橫穿壩體時(shí)采用蓋板涵結(jié)構(gòu)。

由于原溢洪道為漿砌石結(jié)構(gòu),為滿足控制泄水要求,提高蓄水可靠性,需拆除原溢洪道進(jìn)口段、控制段及泄槽部分,改建為C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),改建后全長(zhǎng)188 m,由進(jìn)口段、閘室段、箱涵、消能段及明渠段組成,控制最大下泄流量不超過(guò)15 m3/s。進(jìn)水塔底高程859.0 m,單孔,凈寬3.0 m,設(shè)1 扇3 m×3.0 m弧形工作門,弧門前設(shè)3 m×3.6 m檢修平門。閘室段后接箱涵橫穿壩體,箱涵段總長(zhǎng)58 m,坡度為1/100,斷面為3.0 m×3.0 m（寬×高）。之后接1∶2.5陡坡進(jìn)入消力池，消力池池深4.6 m,平面尺寸為21.0 m×3.0 m（長(zhǎng)×寬）,池后明渠在平面上設(shè)置轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)角39°,轉(zhuǎn)彎半徑15 m。交通要求在檢修平臺(tái)與壩頂之間設(shè)工作橋,橋長(zhǎng)16 m,寬3.0 m。

原放水洞為建庫(kù)時(shí)修建,位于大壩主河槽段壩體內(nèi),呈直線布置,其軸線與壩軸線夾角86°。放水洞為單孔方形混凝土結(jié)構(gòu),無(wú)閘門,全長(zhǎng)60 m,設(shè)計(jì)斷面尺寸為1.2 m×1.2 m,涵洞進(jìn)口底高程853.0 m,出口底高程852.0 m,設(shè)計(jì)底坡1/61。涵洞中部設(shè)有豎井,豎井尺寸為1.2 m×1.2 m,頂高程863.8 m,無(wú)門槽及啟閉設(shè)施,出口無(wú)消能設(shè)施。

放水洞改造后全長(zhǎng)199.5 m,由進(jìn)口段、閘室段、洞身段、消力池段等組成,最大放水流量5.0 m3/s。進(jìn)口采用岸塔式進(jìn)水塔,孔口尺寸為1.2 m×1.2 m（寬×高）,布置事故檢修門和工作門,均采用單孔平板門。在檢修平臺(tái)與壩頂之間設(shè)臺(tái)階連接。洞身段上下游沿原混凝土箱涵延長(zhǎng),維持原方形斷面,過(guò)水?dāng)嗝嫱克⒕郯滨バ滦筒牧?，洞進(jìn)口底高程854.25 m,出口高程850.95 m[3]。出口采用底流消能接下游排洪渠。

3 泄水方案比較

由于現(xiàn)狀水庫(kù)無(wú)蓄水能力,自建庫(kù)多年以來(lái)均為干庫(kù),大壩及泄水建筑物未經(jīng)蓄水考驗(yàn),且地質(zhì)勘探揭露壩體土干密度偏小,滲透系數(shù)偏大,均一性差,局部段土體較疏松。

為了響應(yīng)太原市對(duì)東山區(qū)域整體規(guī)劃,打造太原東山生態(tài)景觀,水庫(kù)改造時(shí)需保持一定的蓄水面積,泄水建筑物應(yīng)增設(shè)閘門控制。同時(shí)根據(jù)水文計(jì)算成果,水庫(kù)多年徑流量偏低,不能滿足水庫(kù)景觀蓄水要求。因此水庫(kù)蓄水需要穩(wěn)定水源補(bǔ)水,經(jīng)調(diào)查可利用原東山灌溉供水系統(tǒng),從汾河?xùn)|干渠引水入庫(kù),保證水庫(kù)常年蓄水要求。

根據(jù)水庫(kù)蓄水以后對(duì)建筑物的影響,方案比較可從泄水建筑物結(jié)構(gòu)布置、投資及運(yùn)行調(diào)度管理等方面進(jìn)行比較。

3.1 結(jié)構(gòu)布置

方案一將原壩體中部放水洞封堵,并拆除現(xiàn)有溢洪道,在溢洪道北側(cè)新建泄洪洞,閘室段底高程853.0 m,將泄水和放空建筑物合二為一,既能放空水庫(kù)又可泄洪使用,同時(shí)泄水建筑物的減少可降低滲漏水風(fēng)險(xiǎn)。并且新建泄洪洞基礎(chǔ)完全置于庫(kù)底原狀土上,泄洪洞四周回填高塑性粘土,并在閘室段設(shè)碎石樁提高基地承載力,可降低水庫(kù)蓄水后土體沉降及洞周滲水幾率。

方案二原放水洞為建庫(kù)時(shí)修建,建庫(kù)至今放水洞未經(jīng)歷水庫(kù)蓄水,且結(jié)構(gòu)本身老化,接縫處凸凹不平,加之改造工程需對(duì)壩體加高培厚,溢洪道和放水洞均要增加長(zhǎng)度，存在新舊壩體土及新老混凝土結(jié)合，且溢洪道及放水洞延長(zhǎng)部分基礎(chǔ)位于新回填土基上,水庫(kù)長(zhǎng)期蓄水后,存在不均勻沉降問(wèn)題。

優(yōu)化組合后的水庫(kù)樞紐由三大件變?yōu)閮纱蠹?但它們的功能并未改變,取消原漿砌石溢洪道,封堵放水洞,新建泄洪洞,減少穿壩建筑物數(shù)量,就減小了泄水建筑物損壞所造成的土壩事故隱患[4]。

3.2 投資對(duì)比

方案一為單一泄洪洞方案,與方案二中改建溢洪道規(guī)模相當(dāng),工程量變化主要是洞身加長(zhǎng)、增加壩體開挖回填工程量,但減少了原放水洞加固,便于施工管理；方案二溢洪道和放水洞分別設(shè)置閘室段,造成混凝土工程量增加。

對(duì)兩方案主要工程量及投資進(jìn)行了比較，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 主要工程量及投資對(duì)比表

3.3 運(yùn)行管理

方案一僅設(shè)單一泄洪洞,通過(guò)控制閘門開度,保證下泄流量不超過(guò)規(guī)定15 m3/s,操縱簡(jiǎn)單,便于維護(hù)、維修和管理,特別在汛期時(shí)便于精確控制下泄洪水流量。

方案二需要同時(shí)控制放水洞和泄洪洞兩處閘門,嚴(yán)格根據(jù)水位調(diào)整閘門開啟高度,協(xié)調(diào)難度大,下泄流量不易匹配,為將來(lái)運(yùn)行管理帶來(lái)不便。

3.4 方案選擇

通過(guò)對(duì)泄水建筑物結(jié)構(gòu)布置、直接投資及運(yùn)行調(diào)度管理等多方面綜合比較分析,方案一水利直接投資較方案二少,并且在降低工程施工風(fēng)險(xiǎn)及工程運(yùn)行管理等方面優(yōu)勢(shì)比較明顯,因此確定方案一為推薦方案。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上多方面兩種泄水方案比選,對(duì)太原市南坪頭水庫(kù)改造工程選用單一泄洪洞泄水方案作為推薦方案。所選推薦方案可滿足工程改造需求及控制下泄流量要求,同時(shí)可減少滲漏通道、降低壩體不均勻沉降風(fēng)險(xiǎn),且有利于工程運(yùn)行管理。綜合經(jīng)濟(jì)費(fèi)用及工程安全運(yùn)行等因素,選擇單一泄洪洞泄水方案可有效提升南坪頭水庫(kù)蓄水調(diào)洪能力,滿足此次水庫(kù)改造的工程要求。