孔头沟水库除险加固工程方案浅析

2014-10-26王雅杰

陕西水利 2014年4期

王雅杰

（宝鸡市水利水电规划勘测设计院陕西宝鸡 721000）

1 概述

孔头沟水库大坝位于岐山县故郡、蒲村镇交界之孔头沟，为小⑴型四等水利工程。水库总库容894万m3，兴利库容590万m3。该库在渭河水系漆水河二级支流龙尾沟河上游，坝址断面以上流域面积44.1km2，大坝下游300多米为牟家村所在地，常住人口400多人，3km处有西宝北线公路穿过。水库大坝为均质土坝，坝顶长553 m，坝高42.1 m，坝顶宽23 m。冯家山水库灌区的北干渠从坝顶通过，干渠的上下游为渠堤，亦为坝顶路面，下游兼做通村道路。大坝迎水面坡比从上到下依次为：1∶2、1∶2.5、1∶3，背水坡比从上到下依次为1∶1.7.5、1∶2、1∶2.25、1∶2.5。从坝顶向下每10 m设一戗台，迎水坡二道，戗台宽2 m，背水坡三道，戗台宽1.5 m。下游利用原河床砂卵石覆盖层作为褥垫式排水。上游护坡为干砌石护坡，下游坝坡草皮护坡，设有坝坡排水系统。该库枢纽右岸布设有放水洞、冯家山灌区北干渠的退水道和抽水站。放水洞全长125 m，校核洪水情况最大泄流量为4.16m3/s，退水道功能一为北干渠的事故退水，二为冯家山水库调节有余水时给孔头沟水库补蓄，长276.72 m，设计流量26m3/s。

孔头沟水库主要功能是坝顶承担冯家山灌区北干渠的输水，涉及到下游50多万亩农田灌溉；再者，解决该库大坝以上北干渠事故等退水问题。同时还有养殖、防洪、城乡供水等综合效益。

2 病险问题

孔头沟水库是上世纪70年代初兴建，1973年4月完工。工程建设正处于“文革”期间，边勘测，边设计，边施工，带有“三边工程”普遍的质量隐患，又经过了近40年的带病运行，工程的安全问题以及可能次生危害令各级管理部门及运行单位、下游人民群众等非常担忧。根据中省有关病险水库除险加固的决策部署任务要求，2000年9月，陕西省、宝鸡市相关部门对该库大坝进行安全鉴定，评定结果为三类坝。主要问题是：水库现有的防洪能力不满足防洪标准要求；大坝坝顶渠道不均匀沉降变形严重（安监后已经过改造）；大坝坝坡稳定系数不满足规范要求；大坝监测系统不完善。

3 加固方案

3.1 大坝加固

大坝上游坝坡渗流及抗滑稳定满足规范要求。原上游坝坡为干砌石护坡，经过多年水位升降浸蚀等原因，上游坡外观凹凸不平，局部塌陷、块石风化、残缺不全。本次设计先拆除原干砌石护坡，全面探查，对于存在的塌陷及裂缝进行开挖回填夯实，按原设计坡比修整边坡，重新铺设砂卵石反滤层，砌筑干砌石坡面。

下游坝坡抗滑稳定经复核验算不符合规范要求，需进行培厚处理，总的设计原则是在最危险滑坡体的前缘加重压坡，将原来较陡的坡度变缓，提高坝体抗滑稳定性。设计中采用多个培厚方案，进行渗流及稳定计算，最终选用既满足规范规定的安全系数要求，且工程量最小的方案。即从高程655.36 m平台培厚8.5 m，以1∶2.5的坡一直到639.50 m(原建基面)。在坝脚新建棱柱式排水体，并沿排水体外侧修建一条砌石排水渠，使坝体渗流能顺利通过坝脚棱柱排水体排出并汇集大坝背水坡纵横向排水沟水流，导入下游左岸主河槽，并对下游河道因势利导、进行疏浚处理。

修复原损坏的纵横向坝坡排水系统，并对背水坡种植草皮护坡。

3.2 新建溢洪道

按现行规范孔头沟水库校核洪水设防标准为500年，而该库原设计为100年，加之该库唯一的放水设施（放水洞）的泄量只有4.16m3/s，与宣泄洪水的需要相差甚远。因此，增设作为水库三大件之一的溢洪道是必需的。

该水库大坝右岸已经建有退水道、放水洞以及抽水站，没有布置溢洪道的条件，而左岸地形开阔，塬面较平坦，大坝下游主河槽水流靠近左岸，拟建溢洪道出口可与原主河槽水流平顺连接。水库大坝左岸为黄土斜坡地带，地层主要为Q32eol黄土、古土壤，Q31eol+pl黄土，Q2eol+pl黄土状壤土及古土壤。经分析比较，将溢洪道布置在左岸。

拟建溢洪道形式为河岸正堰开敞式溢洪道，自由式泄流。溢洪道初步设计确定有两个方案。孔头沟水库为渠库结合工程，冯家山北干渠以明渠形式从坝顶及坝肩通过，溢洪道与北干渠轴线平面上呈68°相交，溢洪道过北干渠段修筑涵洞，从北干渠和坝顶道路下面穿过。

溢洪道由进水渠、控制段、陡槽段、消力池、出水渠等组成。

溢洪道陡槽段根据实际地形经过反复比较确定采用一坡到底（i=0.148），这种布置导致从0+128桩号以下的底板处于地下水位以下，这可以通过在底板下设置纵横向排水设施来解决。如果将一坡改为两坡，抬高底板，虽说使陡槽段建筑物不受地下水的影响，但是第二道坡坡度太陡，接近1∶1（一般为1/3～1/10），将使陡坡末端流速在校核工况时达到22.74m/s（采用一坡时为15.66m/s），流速太大，可能带来空蚀、冲击波和脉动等不利影响，陡槽紧接的消力池深度和长度将增大，结构要求也比较高。

溢洪道横断面是采用矩形还是梯形，经过比较，总体来说，梯形工程量较矩形大。这是由于在同等开挖深度情况下，梯形开口大，两侧渠岸再留平台后，在高边坡情况下，挖方量显著增加。经过对采用两种横断面的工程项目进行造价核算，矩形为321.83万元，梯形为350.53万元。矩形造价低28.7万元，还具有水流流态好等优点，因此选用选用矩形横断面方案。

表1 校核工况(Q=128.50m3/s)时陡槽水面线计算表

表2 设计工况(Q=61.54m3/s)时陡槽水面线计算表

溢洪道总长度为331.20 m。其中：

（1）进水渠(0-011.699～0-000.699)。长度11 m，平面上为八字型。

（2）控制段(0-000.699～0+008.341)。水平长9.04 m，包括溢流堰及两边侧墙。堰顶高程为水库正常高水位，也是溢洪道的起调水位670.5 m。在坝顶和溢洪道堰顶高程已定的情况下，经过反复多次比较，选定堰型为WE S实用堰。堰宽B=10 m，在校核洪水位时，堰上最大水头Hmax=3.31 m，堰面曲线定型设计水头Hd=2.48 m，选取WE S堰的流量系数m=0.483，最大泄洪流量Q=128.50m3/s，单宽流量q=12.85m2/s。堰后接一收缩消力塘(0+008.341～0+032.341)来缩窄宽度，其总长度24 m，采用自由出流形式，底宽从10 m缩窄为5 m，其中收缩段(0+008.341～0+020.341)长度L1=12 m，调整段(0+020.341～0+032.341)长度L2=12 m，该段比降为0，堰后收缩段起点(0+008.341)壅水水深通过能量公式试算得6.29 m，流速2.04m/s。

（3）陡槽段(0+032.341～0+215.061)。为一直段，水平总长为182.717 m。根据地形条件，确定陡槽的有关参数为：比降i=0.148，宽B=5 m，单宽流量q=25.7m3/s。陡槽段分为二段，依次为涵洞（水平长82.55 m），明槽（长100.17 m）。采用分段求和法计算陡槽水面线，起始点hk2=4.08 m,Vk2=6.30m/s,底板高程为663.70 m，其陡槽末收缩水深hc'=1.37 m，考虑掺气后水深hc=1.60 m，V=18.79m/s。

（4）消力池(0+215.061～0+245.061)。据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000）规定，消能防冲建筑物设计洪水标准：4等建筑物洪水重现期为20年，且出现超过消能设计标准的洪水时，不危及主要建筑物的安全。孔头沟水库溢洪道为4等建筑物，消力池防洪标准应为20年，但考虑坝脚安全，消力池设计防洪标准定为50年，即为水库的设计洪水重现期。

经调洪验算得：50年一遇洪水，溢洪道下泄流量Q=63.2m3/s，堰上水头为1.98 m，经重新计算各部分过流情况（堰，过渡收缩段，陡槽段），采用分段求和法计算陡槽水面线，起点临界水深为2.50 m，临界流速为4.92m/s，陡槽末端水深hc′=0.79 m，加掺气水深后为hc=0.90 m，Vc=15.66m/s。

根据溢洪道末端地形及计算的有关水力参数进行比较，确定采用渐扩式矩形断面消力池。其参数如下：

起始断面宽b1=5 m，结束断面宽b2=10 m；

收缩水深hc=0.90 m；

共轭水深hc＂=4.43 m；

消力池长度L1=30 m；

（5）出水渠(0+245.061～0+317.461)。消力池后接出水渠，总长72.40 m,采用矩形明渠,其中有一转弯，R=50 m，i=1/500，B=10 m，水深ht=1.89 m，因hc＂=4.43 m＞ht=1.89 m，将产生远驱式水跃，故需做消力坎，其高度d=1.05hc＂－ht=2.76 m，取d=2.80 m。

出水渠末有10 m长渐扩段，首端宽度为10 m，末端宽度为20 m，其后设5 m长铅丝笼护坦与下游河道平顺连接。