五马水库底孔坝段优化设计

曹继彦

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原，030024）

五马水库底孔坝段优化设计

曹继彦

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原，030024）

五马水库坝址坝基存在倾向下游的软弱夹层，下游河道呈S型，底孔出口挑射高速水流会冲击坝脚和下游山体，对大坝造成严重威胁。鉴于此，将泄洪冲沙底孔出口由挑流调整为底流消能。笔者对优化设计加以总结，以资借鉴。

泄洪冲沙底孔；挑流消能；冲坑；底流消能；扩散式消力池

1 工程概述

五马水库工程位于汾河一级支流洪安涧河南支——旧县河下游近出山口，坝址东北距山西省临汾古县3.3 km。水库总库容542万m3，是一座以工业供水、发电为主，兼有农业灌溉、防洪、养殖、旅游等综合利用的小（1）型水库，水库泄洪方式为底孔。

大坝为重力坝，坝顶高程672.1 m，最大坝高45.1 m，包括左岸挡水坝段（包括1～4坝段）、泄洪冲沙底孔坝段（5、6坝段）、发电及供水坝段（7坝段）和右岸挡水坝段（包括8～11坝段）。

工程于2008年4月开工，大坝基础一开挖便揭露坝基存在数层倾向下游的泥化软弱夹层，严重威胁大坝深层抗滑稳定；底孔挑射水流顶冲下游山体，存在山体安全隐患；加之左岸山体三面临空，存在山体稳定等问题。经组织专家咨询，2009年1月开始对该工程进行优化设计。

泄洪冲沙底孔5、6两个坝段（桩号0+085～0+ 128.5）总长43.5 m，底孔共设5孔，孔口尺寸4.5 m× 4.5 m。优化设计后整个坝段略向主河槽左侧偏移约40 m，建基面下深4～7 m，进口底高程降至河床高程642.0 m，底孔出口消能方式由挑流调整为底流消能。

2 相关工程地质

2.1 地形地貌

库区位于旧县河干流的下游，库尾至上游贤腰村附近。河流呈“S”型，河曲发育，下游河床在距大坝约70 m处流向由S30°W转为S70°E，河床底高程642～636 m，为基岩河谷。

坝址位于“S”型河道的上半部分，大坝上、下游均有一规模不大的横向山体。上游山体由右岸伸向左岸至主河槽，地面高程645～651 m；下游山体由左岸伸向右岸，地面高程646～663 m，山体岩石裸露。坝址处上下游主槽偏离约100 m。

坝址下游为“S”形河道第一弯道凹岸转弯处，下泄洪水直冲淘刷对岸山体，易形成回流，水流条件复杂，会对大坝下游河床基岩形成冲刷，造成坝体稳定条件恶化。

2.2 坝址工程地质条件

大坝坝基地层为三叠系下统刘家沟组，岩性主要有细砂岩、粉砂岩、泥岩层，T1l-14、T1l-12岩组中有较连续的泥化夹层，可构成坝基潜在滑面。T11-14岩组河谷底部埋深2.6～7.3 m（坝址处高程626～632m），厚度1.3～2.4m，T11-12岩组埋深11.5～16.2 m

（坝址处高程618～624 m），厚度1.0～1.3 m。坝址区岩层呈单斜构造，岩层倾向下游偏右岸，产状多为N45°W/SW∠7°～8°，其中存在抗滑稳定问题。

图1 大坝平面布置图Fig.1 Layout of the dam

3 水力计算特征参数

水库正常蓄水位667.5 m，设计洪水位664.0 m（P=2%），相应下游水位644.24 m；校核洪水位672.01 m（P=0.2%），相应下游水位646.5 m，最大泄量1 941 m3/s。

4 底孔坝段优化设计

4.1 原设计方案

4.1.1 平面布置及断面设计

图2 底孔坝段挑射出流横剖面图Fig.2 Profile of trajectory bucket type energy dissipation

底孔坝段原设计出口为挑流消能方式，受下游

河道横向山体影响，为保证挑射水流顺利排入下游河道，底孔进口略偏离主河槽右侧，出口基本正对主河槽。

底孔坝段建基面高程634.0 m；下游河床底高程636.0 m左右；底孔单孔总长59.83 m，进口底高程646.0 m，为压力短进口型式的无压坝身泄水洞，包括进口、坝下涵洞、出口陡坡及挑流鼻坎。上游侧布置有事故检修平板钢闸门，弧形工作闸门布置于坝体出口，后由1∶6陡坡与挑流鼻坎相连，鼻坎顶高程945.5 m，挑射角19.78°。

4.1.2 存在的问题

（1）坝基深层抗滑稳定问题。

清除坝基表面岩石强风化层后，大坝坐落于弱风化基岩表层，建基面高程634 m，而坝基最上层软弱夹层——T1l-14分布高程为626～632 m，坝基存在深层抗滑稳定问题。

（2）高速水流对坝脚的冲击。

根据水库调度运行方式，底孔渲泄水位为校核洪水位672.02 m至汛限水位664.0 m，该项工况下最大泄量为1 941 m3/s，相应地计算出挑流鼻坎处水流流速约高达19～23m/s，挑射水流挑距约为75m，冲坑深度约为26 m，坑底高程可达620 m左右。冲刷坑计算后坡i=1/2.9，在允许范围ik=1/2.5～1/5之内，但由于T11-14层分布高程为626～632 m，T11-12层分布高程为618～624 m，而建基面高程634.0 m浮于两层软弱夹层之上，且对软弱夹层未采取任何工程措施，挑射流冲刷坑在大坝下游会形成临空面，使T1l-14和T1l-12两层软弱夹层均暴露出地面，坝体抗滑稳定条件恶化。

（3）高速水流对下游山体的冲击。

大坝坝址下游为“S”形河道第一弯道凹岸转弯处，挑射高速水流末端距该处山体仅30 m左右，紊流经山体顶冲后又形成回流，水流条件极其复杂，会严重淘刷山坡，对山体的稳定造成一定影响。

4.2 优化设计方案

4.2.1 底孔坝段平面位置调整及断面设计

拟利用坝址下游横向山体增强底孔坝段下游阻滑力，两坝段在原设计基础上向左侧偏移约40 m，下泄水流由泄槽翻越下游山体后进入主河槽。

建基面呈倾向下游阶梯状，高程630.0～627.0m；为更好地泄洪排沙，底孔进口底高程由646.0 m调至上游河床高程642.0 m；底孔单孔总长112.2 m，包括进口、坝下涵洞、泄槽及消力池。前端设计同挑流方案，底孔出坝体后接泄槽，泄槽长38.73 m，净宽由38.5 m渐变为48.0 m，包括抛物线段、底坡为1∶3.0的斜坡段和反弧段；消力池就河床地形布设，为扩散型消力池，池底高程635.00 m，池长73.47 m，左、右侧扩散角分别为6.98°、62.0°，消力池前21.77 m进行了衬护，后51.7 m为天然河道。下泄水流经消力池消能并折转约90°方向后由下游河道下泄。

4.2.2 泄槽基础及坝基设计

图3 底孔坝段底流消能横剖面图Fig.3 Profile of bottom-flow energy dissipation

底流消能方案底孔坝段下游为横向山体尾部，距坝体约50 m，拟利用该山体作为泄槽基础的一部

分，在坝体和山体间回填浆砌石，形成完整的泄槽基础（见图3），使坝体和下游山体连接成一个整体，泄槽段翻越下游山体646 m平台后泄洪水入主河道（消力池）。

底孔坝段存在抗滑稳定问题，本方案拟挖除坝基表层埋深较浅的T1l-14层软弱夹层，建基面按岩层倾向呈倾向下游的台阶状开挖，建基面较原设计下伸4～7 m，利用T1l-14和T1l-12两层间厚重岩体和下游厚重山体作为大坝抗滑稳定抗体，增强大坝抗滑稳定性。经计算，正常蓄水位+地震工况为控制工况，大坝深层抗滑稳定安全系数计算值为3.541，远远大于规范要求值2.3，采取措施后底孔坝段大坝深层抗滑稳定安全系数满足规范要求。

4.2.3 顶冲山体防护

经消力池水力学计算，校核泄量下消力池口处断面平均流速约为23.68 m/s，经扩散式消力池消能后，跃后断面平均流速约为4.33 m/s，坝下流速已大大降低。2010年初就变更泄洪底孔泄流进行了模型试验，试验结果与计算情况基本吻合。

大坝下游S形河道转弯处直接作为底流消力池体的一部分，下泄水流呈扩散状态，有效降低了下泄水流流速，减少了对顶冲山体的冲刷，但经消能后的洪水依然可对顶冲山体形成冲刷，本方案在河道转弯处凹岸山坡采用三层塑料格栅石笼进行了防护。

4.2.4 优化方案还可提高相邻坝段的抗滑稳定性

本方案优化设计时，7、8号坝段已浇筑约2.0 m厚基础垫层，并在坝底上游侧设置了深3.0 m、底宽10 m的齿槽，但齿槽底部仅置于T1l-14软弱夹层表面，而坝基下各层软弱夹层均倾向下游，该齿槽对大坝深层抗滑稳定难以起到加强作用。本方案在7、8号坝段下游和底孔坝段泄槽边墙围护范围内回填坝基开挖石渣，利用堆砌石渣的有效重量和压力提高7、8号坝段的深层抗滑稳定性。经计算，采取该措施后大坝深层抗滑稳定安全系数满足规范要求。

5 结语

通过上述优化设计后，理论上成功解决了泄洪底孔坝段及相邻坝段的深层抗滑稳定问题和下游河道顶冲问题，五马水库能够满足安全运行要求，现水库已通过蓄水安全论证，且工程竣工在即，仅待实践对其进行检验。 ■

Weak interlayer towards downstream was contained in the Wuma dam foundation and the downstream channel was S shaped.The high-speed flow from the bottom outlet dashed against the dam toe and the rock downstream which threatened the safety of the dam.Thus,the trajectory bucket type en⁃ergy dissipation was replaced by bottom-flow energy dissipation in design optimization,worth reference.

outlet for flood release and sand discharge;trajectory bucket type energy dissipation;scour hole;bottom-flow energy dissipation;diffusion stilling basin

TV135.2

B

1671-1092（2014）04-0006-04

2014-04-08

曹继彦（1968-），女，山西长子人，高级工程师，从事水利水电工程设计工作。

Title:Design optimization of the bottom outlet section of Wuma dam//by CAO Ji-yan//Shanxi Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute