塔家河病险水库溢洪道设计初探

高 佳

（延安市水利工作队 陕西 延安 716000）

1 概述

塔家河水库位于仙姑河上游的拓家河村，坝址距县城34km，距洛（川）——白（水）公路5km，是一座具有防洪、供水、灌溉综合功能的中型水库。仙姑河发源于黄龙县，流经洛川县，属洛河一级支流。总流域面积603.8km2，坝址以上控制流域面积295.2km2，多年平均径流量 671.5 万 m3，原设计库容2765.0万m3。该水库以农业灌溉和农村人饮为主，1996年开始向延安炼油厂供水后效益较好，水库的供水、灌溉和防洪功能也愈发突出。

水库枢纽于1970年10月动工，1975年10月建成受益。由于历史的原因，水库运行30年来，暴露了诸多问题：先后进行过4次防渗堵漏处理；坝体曾出现20余条纵横向裂缝；坝体下游边坡不稳定等。因受技术、资金条件限制，水库一直带病运行。

2 病险水库工程地质条件

该水库早在1982年全国性水库“三查三定”中，已被列为病险水库。2000年6月，延安市水利局依据水利部颁发的《水库大坝安全鉴定办法》及陕西省水利厅的要求，组织有关专家完成了《水库大坝安全鉴定报告》等文件，水库仍为三类病险水库。

水库地层岩性由上至下分别为：首先土状壤土，土质均匀，密实，厚3.7mm～24.5mm，层底高程1062.22m～1074.43m，承载力特征值fa=230kPa，允许不冲流速V=0.75 m/s～0.90m/s。其次沙砾石层，杂色，中密，成分以砂岩和钙质结构为主，层厚0.8m～4.0m。承载力特征值fa=280kPa，变形模量E=23MPa。下层砂、泥岩互层，强～弱风化，岩面高程1060m～1073m。根据工程地质类比，岩体基本质量级别Ⅳ级，承载力特征值fa=800kPa，变形模量E=2.0MPa，冲坑系数α=1.5～1.8。

水库溢洪道地质构造为：

（1）水库位于西北黄土塬南部，洛河中游左岸支流仙姑河上游。水库溢洪道开挖于右坝肩膀黄土原边斜坡地带，溢洪道底板地基土层为Q2黄土状壤土。

（2）溢洪道地基土层从上向下为三层，上部Q2黄土状壤土，属非湿陷性中压缩土，允许不冲流速Vs=0.75m/s～0.90m/s，应衬砌；中部砂砾石、稍密；下部砂泥岩互层，强～弱风化，冲坑系数α=1.5～1.8。

（3）工程区的地表水和地下水对砼均无侵蚀性。

根据规范（SL274-2001）的规定，原设计泄洪洞的主要目的是使库水位在不形成坝体稳定渗流的情况下，回落到大坝下游安全水位1079m以下，必须设置有效的控制库水位的泄洪建筑物。原设计增设的泄洪洞位于左岸砂泥岩层中，洞长174.6m，洞进口高程1065.0m，采用洞径为1.8m的圆形压力隧洞。

由于在除险加固施工中，安排不合理，在大坝泄空后，没有先安排泄洪洞的施工，目前水库水位已达到1074.0m，新增泄空洞无法施工。故只能更改工程设计。

为满足大坝正常运行安全，根据土石坝设计规范（SL274-2001）的规定，并满足水库水位短时间内回落到水库下游坝坡允许的安全水位1079m，在保证下游坝坡安全的前提下，经多方案比较，确定将水库原溢洪道进行改造。溢洪道堰顶高程由1086m降到1079m，使用溢洪道泄流，达到降低库水位的目的。

3 泄水建筑物变更设计

3.1 规划布局

溢洪道工程的规划布局应尽量利用有利地形地貌，即要经济合理又要保证安全。其规划布置的主要原则是：基础坚硬均一，线路短，无弯道，出口远离坝体；工程严禁布置在滑坡或崩塌体地上。该水库溢洪道位于水库右岸，溢洪道右侧为70m的高边坡，坡比为1∶1，本次设计需将原溢洪道堰顶高程由1086.0m降至1079.0m，即在原溢洪道底再挖深7.0m。为确保右侧边坡的稳定，并满足改造后溢洪道的平面布置要求，将原溢洪道轴线向左侧（靠坝侧）平移1.5m。溢洪道挖深部分两侧边坡仍保持1∶1。沿轴线在桩号0+294.06处，溢洪道底部与原溢洪道底部相接，桩号0+294.06～0+302.18m段，纵边坡i=0.125，与原溢洪道纵坡相同，以保证与原溢洪道挑流消能段平顺连接。

溢洪道通常有四个主要部分组成：引流段（近口段）、控制段（堰流段）、泄流段（陡坡、急流段）及消能工。

（1）引流段（近口段）。为引流平顺，其进口形状最好做成喇叭口，且为减小损失其长度不宜过长。该工程进口0+000～0+047段，长47m，喇叭口；引流段截面一般选用梯形或矩形，当流速≤1m/s～2m/s时一般可不砌护，该溢洪道边坡1∶1，底高程1079.0m。与坝端邻近和紧接控制建筑物的范围内应砌护一定长度，其中桩号0+035～0+047处，为0.4cm浆砌块石。

（2）控制段（堰流段）。为使泄流均匀，使近口水流垂直于控制段建筑物。根据地形条件和泄流需要设置宽顶堰，堰顶高程1079.0m，梯形断面；堰宽度可按允许单宽流量选定，岩基上单宽流量为40m3/s～70m3/s，非岩基上为 20m3/s～40m3/s，土基上为20m3/s。除近口段设有引流段外，一般应使堰顶宽度≤3h（h为上水头，单位m），该工程经计算采用底宽6.0m，边坡 1∶1。

（3）泄流段（陡坡、急流段）。该段平面采用直线布置；其纵断面设计因地制宜地根据地形、地质而选用陡坡形式。陡坡段应采用纵坡i=0.002均一比降，其坡度≤1/2.5，过流断面为梯形。由于泄水段流速很高，故布置在岩基上。如为非岩基则该段衬砌厚度应按允许流速与地质条件选择进行设计，一般浆砌石用0.5m～1.0m，砼0.2m～0.5m，钢筋砼0.15m～0.3m（砼与钢筋砼基部还应设0.3m～0.5m厚的浆砌石底砌护）。

3.2 溢洪道平面布置及分段设计

溢洪道全长308.5m，梯形断面，其中进口段长47m，控制段长12m，底宽20m，堰顶高程1086.0m，渐变段长20m，底宽20m～14m，比降 i=0.002，陡坡段长 222.7m，底宽14.0m。其中，i=0.002段长 162.7m；i=0.125段长60m。挑流消能段长6.0m，出口高程1077.3m。

输水洞为马蹄形，高1.8m，宽1.8m，洞长64.9m，无压输水最大泄流量为3m3/s。

3.2.1 溢洪道控制段堰顶高程的确定

在水库除险加固工程设计中，1077m为汛期水位，1079m为大水库正常蓄水位。在本次泄水建筑物变更设计中，经过多方面的方案比较，确定对原溢洪道进行改造设计，以达到泄洪的目的。因原溢洪道的出口高程为1077.3m，因此，在原溢洪道中改造，就应在不影响大坝安全运行的前提下，将溢洪道的堰顶高程确定为1079m，经过调洪演算水库校核洪水位为1081m。

3.2.2 溢洪道设计

（1）进口段。进口0+000～0+047段，长47m，喇叭口，边坡 1∶1，底高程 1079.0m。其中桩号0+035～0+047处，为0.4cm浆砌块石。

（2）控制段。控制段桩号0+047～0+059，长12m，采用宽顶堰，堰顶高程1079.0m。梯形断面，底宽 6.0m，边坡 1∶1，底板采用厚100mmC20砼衬砌，下垫300m m厚M7.5浆砌块石；侧墙为底宽400mm，顶宽200mmC20砼；右侧墙原溢洪道衬砌部分拆除，溢洪道衬砌高度按水深加安全超高，安全超高取0.5m～1.5m。

（3）泄槽段。泄槽段起始桩号0+059m，陡坡末端桩号0+302.18m，纵坡i=0.002，过流断面为梯形。从桩号0+059～0+063.5m底宽由6.0m渐变为4.0m，纵坡i=0.05，桩号0+294.06～0+302.18m段纵坡 i=0.125。

（4）出口段。溢洪道出口从桩号0+241.9～0+294.06段由4m渐变到14m与原溢洪道相接。

（5）挑流消能段。挑流消能段仍采用原溢洪道结构，泄槽末端与原溢洪道相接。

3.2.3 排水系统及分缝设计

溢洪道底板边墙分缝：依据《溢洪道设计规范》，并参考《水工建筑物》（清华大学出版）溢洪道工程，确定浆砌石护底沿溢洪道纵向每10m设一道横向工作缝。砼护底，沿纵向每5m设一道横向工作缝，缝宽2cm，内填底发泡泡沫板。排水设施布置从宽顶堰开始沿陡坡及挑流段由侧墙经鼻坎底安全排出。

工程排水采用网格暗沟纵横连通，经横向排水管导向两侧总排水管，总排水管汇流后通向下游排水出口。排水总管采用D200，横管采用D150土工复合排水管。

4 小结

该设计由方案的比较确定新建泄空洞变更为原溢洪道改造及溢洪道的改造设计都是从安全角度和经济效益两方面考虑。从安全角度讲，溢洪道可以在短时期内使洪水位降落到大坝安全控制水位1079m，因此，坝体不会形成新的稳定浸润线，不致因库水位短暂的升高而影响大坝下游的安全。从经济效益上讲，可节约泄空水库费用55.4万元，总投资可减少40%左右。

修改后的溢洪道的设计方案满足《溢洪道设计规范》要求，且建设周期短，建成后即可投入使用。该工程的加固使得水库的供水、灌溉和防洪功能得以充分发挥，为当地生产力的发展提供了有力支撑。陕西水利