石头河水库黑沟弃渣坝洪水灾害分析及治理方案

晁 艳

（陕西省石头河水库管理局，陕西 咸阳 712000）

石头河水库黑沟弃渣坝洪水灾害分析及治理方案

晁 艳

（陕西省石头河水库管理局，陕西 咸阳 712000）

通过对石头河水库下游黑沟弃渣坝洪水灾害成因及危害进行分析，结合当地水文地质条件，提出坝体防渗加固并修建永久排洪洞的综合治理方案，为彻底消除安全隐患、降低工程风险提供依据。

黑沟弃渣坝；洪水灾害；治理

1 黑沟弃渣坝概况

黑沟河位于石头河水库大坝左岸，属石头河一级支流，主河道长 5.06 km，流域面积 8.8 km2，常年流量 0.5～0.6 m3/s，多年平均径流量530万m3，河水自水库大坝背水坡脚处流入石头河。

黑沟弃渣坝是石头河水库建设期间产生的废料弃渣堆积形成的土石混合坝，位于水库大坝左岸背水坡脚处的黑沟沟口，由大坝和排水涵洞两部分组成。坝底宽450 m、顶宽236 m，长60 m，海拔高程776 m，最大坝高47m，堆积体量119.5万m3，坝上方自然形成一个库容达92.7万m3的小型水库[1]。

2011年9月份，黑沟河流域出现连续强降雨过程，累计降雨量达406.9 mm，坝前水位上涨到历史最高值774.15 m，距坝顶仅剩1.85 m，黑沟弃渣坝成为有潜在溃坝风险的危险坝体。

2 弃渣坝灾害成因及危害

2.1 弃渣坝灾害成因

（1）黑沟弃渣坝排水涵洞垮塌，坝体泄洪排水不畅。建设时期在712.00 m高程修建了530 m的排水涵洞，由于长期受弃渣重力作用变形破坏，涵洞出现坍塌堵塞并丧失排水功能，来水只能依靠坝体渗透排出。

（2）洪水携带泥沙堵塞坝体排水空隙，坝体渗排水能力下降。流域两岸多为山前台地，上部覆盖着厚约5～35 m的湿陷性的亚粘土，加之上游采石场开山放炮产生大量废料；受暴雨冲刷产生高泥沙水流下移至坝前，中细颗粒随水流渗入沉积在坝体内，堵塞了坝体内渗水通道，致使坝前水位和渗水部位高程不断抬高[2]。

（3）受地形地貌、水文气候条件影响,黑沟河流域汛期暴雨强度大，降雨历时长，洪水量超过坝体排水能力，致使短时间内坝前来水量骤增。2011年流域最大降雨强度50 mm/h，累计48h降雨量达147.1 mm，黑沟河实测最大流量8.3 m3/s，涵洞实际排水能力仅0.3 m3/s。致使坝前水位水位上涨迅速，8 h涨幅达4.34 m，此时坝前形成面积5万m3、库容18万m3小水库。

2.2 黑沟弃渣坝洪水的主要危害

（1）黑沟弃渣坝虽然坝不高，库容小，由于坝体自然堆积未碾压稳定性差，且位于水库大坝泄洪洞口上方附近，一旦发生暴雨洪水，弃渣坝溢流漫顶引发溃坝，泥石流将堵塞水库泄洪洞口，危及石头河水库泄洪安全。

（2）堆渣坝平均高程776 m，溃坝形成的泥石流将严重冲刷大坝左坝段下游坡脚砌筑体，石头河大坝左侧会产生失稳风险，大坝安全系数降低。

3 黑沟弃渣除险工程治理方案

虽然采取了加高弃渣坝顶高程、埋设大管径钢管自排、架设水泵抽排等措施降低了水位排除了险情，但隐患依然存在，如遇暴雨洪水险情会再次发生，采用工程措施消除隐患势在必行。

3.1 坝体进行防渗加固处理

黑沟弃渣坝为松散堆体，高水位容易导致坝体渗透破坏，应对其进行防渗处理。上游坝坡原为混合土石结构，按照原坡比1∶2.0对迎水坡表面进行削坡整平，顺坡进行碾压3～5遍，在750 m高程以下用黏土培厚加固，坡比控制在1∶2.25，培厚加固厚度2.0～2.5 m，压实度控制在96%～98%[3]，为防止培厚加固土体产生滑坡，在坝趾处增设压脚平台，平台宽5.0 m，高3.0 m，坡比1∶2.5，对坝体轴线上游750 m高程以下采用0.8∶1浓度水泥浆灌浆处理，对坝体两端岸坡和培厚加固层接头处进行开挖回填夯实处理，开挖夯实深度为1 m，宽度2.5 m，以减少坝体渗流量，降低渗透破坏风险。

3.2 修建永久排洪隧洞

3.2.1 洞线选择和布置

根据当地地形地质条件，经现场测量勘察选线，在坝体左岸修建永久排洪隧洞较为合理，左岸岩层在750.5 m高程处已裸露，属于Ⅲ类深灰色云母石英片岩和弱风化辉长岩[2]，岩石基本稳定。隧洞进口布置在黑沟坝上游岩石突出位置，进口高程初步选定为738 m，主洞采用段直线并用150 m半径弧线结合方式,出口布置在泄洪洞出口下游40 m，隧洞出口修建长约50 m的矩形明槽跨越公路，出口洞线与泄洪洞线成小锐角布设，直接将黑沟洪水排至石头河泄洪洞出口冲刷坑。

3.2.2 隧洞衬砌

隧洞进口位置定在738 m高程，根据地质条件，隧洞进口和洞身都在岩层区，对洞口风化层岩石进行剥离修建城门洞型洞脸，主隧洞用30 cm厚的C20钢筋混凝土衬砌，隧洞出口岩层上部覆盖的9 m厚砾石土开挖清理，并修建隧洞出口洞脸。

3.2.3 设计和校核洪水流量计算

计算依据设计规范，弃渣坝按照小（Ⅱ）水库标准进行设计，设计洪水标准20年一遇，校核洪水标准300年一遇[4]。利用降雨-产流公式（Qm=0.278F）[5]对石头河流域水文资料进行分析计算，得到黑沟河流域设计洪水流量Q=36 m3/s，校核洪水流量Q=76 m3/s。

3.2.4 隧洞参数确定和泄洪安全分析

排洪隧洞进口高程738 m，高于坝前底部淤积高程0.5 m，主洞采用宽2 m，高2.8 m直墙弧拱型隧洞，长度685.6 m，纵向比降1/23，隧洞出口采用矩型明槽加挑流坎设计，挑流底坎高程初步定为707.3 m，比水库泄洪洞出口挑坎底部高程705.32 m高出1.98 m，在水库最大泄洪918 m3/s时下游河道水位702.12 m，排洪洞底坎高于泄洪河道水位5.18 m。

按照设计洞型尺寸和参数、及设计洪水、校核洪水分别进行泄洪计算，结合黑沟弃渣坝水位-库容关系曲线、排洪泄流曲线(图 1）,计算得出：

图1 排洪隧洞泄流曲线

（1）设计洪水经调节后的最高水位为742.66 m，相应最大泄流量34.3 m3/s调洪库容为2.86×104m3；校核洪水经调节后的最高水位为747.57 m，相应最大泄流量68.1 m3/s，调洪库容为7.21×104m3，坝前水位上升不会太高，坝体相对安全。

（2）水库泄洪期间，排洪洞在设计泄流情况下，挑流长度18 m，洪水挑射到下游河道冲刷坑而排洪出口不会被淹没，也不会产生两洞挑流对冲情况，两洞泄洪互不影响比较安全。

4 结语

按照设计对坝体防渗加固并修建永久排洪洞的综合治理方案，能够彻底解决黑沟弃渣坝安全隐患，并为合理利用黑沟水资源奠定基础。

[1]石头河水库志[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[2]童德姝.石头河水库工程设计报告[R].陕西省水利电力土木建筑勘测设计院.1990.

[3]SL274-2001,碾压式土石坝设计规范[S].

[4]SL252-2000,水利水电工程等级划分及防洪标准[S].

[5]齐志义.宝鸡市水文实用手册[M].西安：陕西省文化厅印刷厂，1990.

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1673-9000（2017）05-0150-01

2017-07-15

晁艳（1972—），女，陕西扶风人，工程师，主要从事水库防汛和水量优化调度工作。