斜向网状排水系统在巴家咀水库中的应用

陈攀 耿莉 赵宁

(黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)

1 工程概况

巴家咀水库位于甘肃省庆阳市后宫寨附近，是一座集防洪保坝、供水、灌浆及发电于一体的水利枢纽工程。水库防洪标准为百年一遇设计，两千年一遇校核,水库库容5.11亿m3，属大（2）型工程。

巴家咀水库溢洪道位于大坝左岸，为坝肩开敞式溢洪道。溢洪道基础置于基岩上，进口从泄洪洞塔架右侧进水至左坝端，穿越坝体由北向南泄入南小河沟内，全长424.65m。溢洪道左侧为黄土山梁，高出溢洪道底约120m，右为蒲河沟道，低于溢洪道约40m。溢洪道主要由进水引渠、控制闸段、泄槽、挑坎段和出水渠等五部分组成。

2 溢洪道防渗排水设计

巴家咀溢洪道建筑物坐落在大坝左坝肩，蒲河深切黄土塬于基岩中，坝区河谷狭窄，为不对称河谷，两岸地形坡度40°～60°，基岩坡达70°～80°。第三系砂砾石及粘土、第四系黄土广泛覆盖地面。两岸基岩为砂岩，左岸出露高程1096m，建基面岩石主要为白垩系砂岩，胶结差，易风化，局部存在胶结较差的粗砂岩薄层以及粉砂质泥岩透镜体，强度很低，遇水崩解软化。因此其防渗排水设计则显得尤其重要。防渗排水设计中，防渗系统包括地表止水和地下帷幕，排水系统主要包括溢洪道闸室及泄槽底板下的排水管网系统。

2.1 防渗设计

根据地质资料：闸基基岩自上而下由浅红色砂岩、黄绿色砂岩和青灰色砂质页岩构成。三种不同岩性的岩体渗透性相当，闸基下无相对不透水层。由于闸基位于岸坡地段，岩体风化卸荷裂隙影响，个别裂隙密集带延伸长，为切断绕坝渗漏的主要通道和降低闸基扬压力,设置灌浆帷幕。

我国一些大坝，帷幕深度一般为水头30%～70%，考虑岸坡卸荷节理对渗流的不利影响，帷幕灌浆深度取25m，约为建基面以上最大水头的78%。左岸山体内地下水位埋深较深，与正常蓄水位不相交，因此灌浆帷幕向左的延伸范围，根据经验取建基面以上最大水头的1倍，即30m。帷幕向右按照帷幕底部延伸至左岸基岩岸坡处，与大坝填土相接。帷幕灌浆孔间距2.0m。

闸室的边墙连接处及闸墩分缝处均设止水封闭；闸室挡墙与土坝两侧采用复合土工膜锚固连接，构成挡水建筑物基础的防渗整体，减少渗透。泄槽底板顺水流向分缝10m，垂直水流向分缝6m-15m,纵缝（顺水流向）采用平缝，横缝（垂直水流向）采用搭接缝,缝间布设橡胶止水带。竖向止水顶高程高于校核洪水位1m。整个防渗体系内的止水纵横相互连通，形成一封闭的整体，阻断了上下游水流通道和地下水外渗通道。

2.2 明排水与暗排水方案比较

溢洪道闸室帷幕下游侧布设基础排水孔，孔距2.0m。闸基排水范围不大，从地质资料来分析水量不会太多，所以尽量简化设计，各竖向排水孔水量汇集到水平总管，再通过4个分管接到泄槽排水系统。

溢洪道泄槽为矩形断面，起始宽度31m，等宽度段长30m，其后右岸单侧扩散，扩散角4o，泄槽纵坡为0.025，总长164.0m，末端接35m的抛物线型陡坡段，与挑流鼻坎衔接。溢洪道泄槽流速较大，最高达22.19m/s，底板受动水压力、脉动压力、扬压力等作用，底板的抗浮稳定主要依靠底板的止水系统、排水系统、锚筋及板面的平整度等工程措施来保证。

根据巴家咀水库溢洪道的水文地质条件，比较了泄槽底板布设排水柱的明排水方案和底板下设排水暗管的暗排水方案。

明排水方案通过底板上布设的无砂混凝土排水柱直接将地下水排出来，其优点是结构简单，施工方便，费用比较低。缺点：一是，泄槽流速比较高，采用明排水孔在宣泄洪水时排水住容易破坏，对底板的安全造成隐患；二是，根据已建工程运行经验，此类明排水孔易被泥沙淤堵；三是，排水汇集在泄槽内，无法全部自然排出，挑坎段会有一些集水，需要另外布设排水通道。

暗排水方案是在泄槽底板下铺设柔性排水管网，纵横排水管互相贯通,挑流鼻坎基础排水设施与泄槽底板纵横排水管相应布设,并与其相互连通形成排水体系，该系统经鼻坎基底将渗水排向下游。其优点是整个排水管网布设于板底，可有效减少渗透水流对泄槽底板的顶托及防止冻胀对底板的破坏，且泄洪时不会因水流冲击而损坏，排水出路通畅，水量可全部自然排出。缺点是，由于排水管埋在底板下，检查和检修非常困难，且无法更换。

综合比较，虽然暗排水方案排水管无法检修，但可通过采取合理的布置形式，选择耐老化、优质可靠材料，精心施工，做到排水通畅。因此，推荐暗排水方案。

2.3 正交排水网与斜向排水网比较

斜向网状排水布置与常规正交排水布置相比，具有以下优点：

（1）常规正交排水布置，中间纵向排水通常采用与泄槽底板相同坡降，横向排水需要通过开挖高程降低形成一定排水坡降，两边侧纵向排水高程相应需要降低，这样导致开槽断面加大且横向排水断面为渐变式，开挖量大，且施工麻烦。斜向布置则可便避免这种情况，横向排水充分利用泄槽底板坡降，采用统一断面，仍可形成自然排水坡降，施工方便，工程量小。

（2）常规正交排水布置，纵横向排水管正交，影响了水流交汇效果，交叉处水流方向突然改变，很容易造成局部淤堵，长期运用接口处会发生溢水破坏，影响泄槽安全运行。而斜向布置则可以避免这种情况，使水流流态得到很好改善。

综合比较，斜向网状排水布置与常规正交排水布置相比，工程量小，排水流路更通畅，有效提高了排水系统的可靠性。巴家咀溢洪道泄槽排水设计经多方面比较，一改过去沿板缝纵横正交布置的做法，排水系统采用斜向网状布置+柔性透水管结构形式。

2.4 斜向网状排水设计

根据排水量计算结果，考虑基础的渗透系数计算渗水量大小，进行排水管的直径选取和间距布置。

（1）排水管排水量计算

根据柔性透水管的渗透能力和管径大小对排水效果的影响，排水主管采用直径d=200mm，排水支管采用直径d=100mm。

式中，a——无因次进水阻力系数，取0.02。

则单根排水管的排水量为：

式中，Ks——排水管周围基础的渗透系数，L——排水管长度。

由此计算得单根支管排水管的排水量为1.7L/s。

（2）排水管间距布置

分别进行了8m、10m和12m的间距比较，相应每根排水管的汇水量见表2。

表2 排水管间距对比分析计算表

由表2可知，排水管间距10m对应的汇水量和单根排水管的排水量比较接近，能较充分发挥其排水能力，因此选取10m作为排水管的设计间距。

巴家咀溢洪道泄槽板底纵向沿轴线及左右两侧共铺设3列管径200mm的柔性透水管，间距16m～24m；横向布设管径100mm的柔性透水管，横向排水管沿水流方向向下游斜向布置，与纵向排水管夹角150°，间距10.00m，共16列，纵横向排水管呈“鱼刺型”网状布置，构成泄槽底板的完整封闭排水系统。水流通过比较密集的斜向管网汇集到纵向排水管，纵横排水管互相贯通，并与鼻坎基底排水设施相互连通成排水体系，将渗水排向下游。

具体布置详见图1、图2。

图1 巴家咀水库溢洪道泄槽排水系统布置图

图2 纵横向排水管详图

3 结论

溢洪道泄槽底板排水，一般汇水面积比较大，采用常规排水形式，长期运用容易发生淤堵破坏，对建筑物留下安全隐患，是设计一直探索的难题。

巴家咀溢洪道工程排水设计采用了斜向网状排水结构形式。在该结构型式中，充分利用泄槽本身坡度布设纵向排水主管及与其斜交的横向管网，使其形成完整、连通的封闭排水系统，即便是局部发生淤堵，其他流路仍能保持畅通，不影响总体排水效果，有效提高了排水设计的可靠性。