汾阳市小水网河北调蓄水库工程设计分析

2019-05-30张源海

山西水利 2019年3期

张源海

（汾阳市水务局，山西汾阳 032200）

1 工程概况

河北水库是山西大水网工程的配套工程暨中部引黄工程向汾阳市供水的调蓄水库，主要调蓄中部引黄分配给汾阳市的工农业水量。水库位于汾阳市栗家庄乡河北村西，阳城河一侧的故道上，在上、下游分别建坝，形成旁引式封闭水库。

这段河道地形上呈U型，河谷底宽约100～400 m。库底地层岩性，主要为第四系全新统洪冲积（Q4pal）卵石混合土夹低液限粉土（粘土）夹卵石混合土透镜体，中等～强透水性，厚度约10～19 m，其下为上更新统冲积（Q3al）淡黄色低液限粉土层，具微～弱透水性，可视为相对不透水层。库区两岸地层岩性，主要为第四系上更新统低液限粉土（粘土），局部夹卵石混合土透镜体，透水性弱，透水性较强的覆盖层仅存在于河谷，未贯通至两岸，因此，库水向两岸渗漏很小，仅对主、副坝坝基进行防渗处理即可满足防渗要求。

河北水库是一座以城镇生活、工业供水为主的小（一）型水库，水库总库容357.7万m3。其中，调蓄库容354.7万m3，死库容3万m3。工程主要任务和规模是调蓄中部引黄来水，供汾阳市废旧轮胎综合加工利用产业园区和中小型企业园区的工业用水，供水量320万m3；供阳城河灌区农业用水，供水量184.28万m3。工业及生活供水保证率90%，农业灌溉供水保证率50%。

水库工程主要由两座均质碾压土坝、上游进水涵管、下游供水涵管等组成。主坝位于水库下游，最大坝高26.15 m，坝长306 m；副坝位于主坝上游约850 m处的新旧河道分叉处，最大坝高12.65 m，坝长150 m。进水涵管位于副坝右岸，供水涵管位于主坝右岸，结构均为封闭式箱涵中铺设管道。

2 工程设计特点

2.1 水库扩大库容设计

中部引黄通过管道向汾阳市供水，到达河北水库的高程约838 m，河北水库正常蓄水位宜在837m左右，水库库址选择应重点考虑这一因素。

汾阳市地势西高东低，西部为吕梁山山脉之关帝山、将军山和石盘山等，海拔高程1 300～2 200 m，地势高差100～300 m，为构造剥蚀的中低山区；向东为山前倾斜平原区，海拔高程780～910 m，地形起伏较大，沟壑发育；其东侧为晋中盆地，地形较平缓，海拔高程736～740 m为汾河、文峪河冲洪积平原区。由于西部为石灰岩山区，渗漏问题较大，海拔高程较高，不适合布置调蓄库，东部平原区为本工程受水区，高程较低，也非本水库库址选择的理想区域，山前倾斜平原区从高程关系看，应是库址选择的理想区域，关键问题是能布置在开挖量小而库容较大的河沟上。通过现场查勘，位于阳城河灌区和本工程工业用水户上游的阳城河故道比较开阔，河道呈U型，谷底宽度约100～400 m，库容条件相对较好，高程也能满足本工程要求，因此，选择此处作为河北调蓄水库的库址。

河北水库列入了2014年编制的《山西大水网汾阳市域供水工程规划报告》，通过兴利调节计算，该水库兴利库容为354.7万m3，总库容351万m3。

在坝址选择后，根据实测地形图对初始库容进行了量算，计算结果正常蓄水位为836.6 m时，最大库容245万m3，不能满足蓄水需求，需要对两岸岸坡与库底进行扩挖增加库容以满足需求。

库区扩挖需充分考虑两岸地形地质条件，岸坡要根据岩土地质条件、开挖高度等因素，保证蓄水后岸坡稳定，以确定岸坡坡度；布置开挖线要结合地形条件使其平顺，整体美观，在尽量减少开挖量的基础上扩大库容。

根据地质勘察结论，两岸岸坡为上更新统冲积（Q3al）淡黄色低液限粉土，结合以往工程经验，确定开挖边坡为1∶2.5。开挖拟定两个方案进行比较，方案一为库区设计库底高程813～826.7；方案二库区设计库底高程在方案一基础上下挖2 m。经计算当正常蓄水位836.6 m时，方案一可增加库容约为76万m3，总库容321万m3，不能满足库容要求；而方案二可增加库容约为112万m3，总库容为357万m3，能满足本工程调蓄库库容要求。因此，推荐采用工程方案二。

2.2 主坝坝址选择

坝址选择应充分考虑地形地质条件。在地形上要求河谷狭窄，坝轴线短，库区宽阔容量大，沟底比较平缓（口小肚大的葫芦型地形）。坝址附近应有良好的筑坝材料，取用容易，施工方便。坝址地质构造应稳定，两岸无疏松的坍塌土，岸坡不大于60°，坝基应有较好的均匀性，其压缩性不宜过大。坝址选择应进行方案比选。

根据上述坝址选择原则，通过对工程区实地查勘，在栗家庄乡河北村西北约1 km的阳城河故道上，自西向东初拟了上坝址和下坝址两个方案，下坝址位于上坝址下游500 m处，上、下坝址布置见图1。两坝址地质条件相差不大。从坝址地形条件和原始库容两方面进行比较。

图1 上、下坝址比选布置图

由坝址地形可知，上坝址河道宽度较窄，坝顶高程可达838 m，坝长约206 m，河谷地面高程约816.0 m，最大坝高26.15 m，正常蓄水位836 m；下坝址河道较宽，坝顶高程可达831 m，坝长约233 m，河谷地面高程约813.64 m，最大坝高17.4 m，正常蓄水位829 m。由此可以看出，上坝址可以做较大坝高的水库，而下坝址由于两岸台地高程下降较多，河谷高程下降不多使坝高较小，从而使库容较小，另外下坝址坝长较上坝址大，使坝体工程量增大，投资增大。因此，从地形条件上看，上坝址建坝条件优于下坝址。

经计算，上坝址原始库容为245万m3，下坝址原始库容140万m3，两者相差105万m3。从原始库容条件上看，上坝址优于下坝址，因此，经综合比较，推荐上坝址为坝址选择方案。

2.3 水库防渗处理设计

河北水库作为调蓄水库，水库渗漏问题是水库工程设计重点考虑的问题之一，应结合库区、坝址地质条件和蓄水要求进行分析计算，采取具有针对性的技术措施进行防渗处理。

根据该水库工程地质勘察报告，库区两岸地层岩性主要为第四系上更新统低液限粉土（粘土）局部夹卵石混合土透镜体，透水性弱，库水向两岸渗漏问题不大，不需采取防渗措施；库底地层岩性主要为第四系全新统洪冲积（Q4pal）卵石混合土夹低液限粉土（粘土）夹卵石混合土透镜体，中等～强透水性，其下为上更新统冲积（Q3al）淡黄色低液限粉土层，具微～弱透水性，可视为相对不透水层。

水库蓄水渗漏主要是通过坝址下部向库区下游永久性渗漏的问题，通过两岸向库外渗漏的问题不大。因此，水库建成蓄水后，总的渗漏量主要为主坝与副坝坝体、坝基、左右坝肩渗漏量之和。

主坝、副坝坝基均采用粘性土截水槽与高喷防渗墙结合的防渗方式，来增加坝体的渗流稳定。防渗墙伸入相对不透水层深度为2～3 m，以延长渗径。

经计算，水库达到正常蓄水位后年渗漏量为15.68万m3，低于规划年渗漏量25.88万m3。因此，水库的防渗措施满足要求。

2.4 进、出水建筑物设计

河北调蓄水库来水需要通过上游管道进入水库，再通过下游管道送往下游用水户。传统的进、出水建筑物采用进水塔接隧洞或坝下涵洞的型式，采用闸门控制水流。这种方式除需要设置高出最高水位的塔体外，还需要在塔体上设置检修平台层和启闭机室层，整个进水塔高度大；同时，为了工程运行方便，还需要设置连接进水塔和岸边的交通桥，工程量大，施工难度，工程投资大。这种方式适合泄流流量较大的工程，而本工程进水设计最大流量为1.05 m3/s、出水设计最大流量为2.23 m3/s，流量较小，因此，本工程设计采用坝下涵洞套装管道的型式，工程由进水口拦污栅、检修阀室、坝下涵洞与管道、出口工作阀室与消力池等组成。这种方式采用设置在水下的阀门控制水流，运用灵活可靠，不需要高耸的进水塔，因而节省了大量的工程量和投资。

进水涵管工程的位置位于副坝右岸坡脚处，其中心线与副坝坝轴线相垂直。进水涵管工程由进水口阀室段、涵管段、出水口阀室段、消力池段、护坦段等组成。进水口阀室段，长5.9 m，进口净宽6.1 m，阀室底板高程为821.35m，内部布置通径为0.8 m的检修蝶阀（SD943H-10C）。涵管段长83.90 m，涵洞内套直径为0.8m的钢管；出水口阀室段长6.1 m，宽4.6 m，高5.0 m，阀室底板高程为821.25 m，内部布置通径为0.8 m的工作蝶阀（SD943H-10C）。消力池段长5.0 m，宽5.0 m，消力池深5.75 m，消力池底高程为821.25 m。护坦与库底相连接，高程为824.50 m，护坦范围长16 m，宽12 m。

供水涵管工程的位置位于主坝右岸坡脚处，其中心线与主坝坝轴线相垂直。供水涵管的前端与库区相连接，末端与输供水明渠相连接，由进口段、检修阀室段、涵管段、岔管段、工作阀室段、消力井段等组成。进口段长14 m，底部高程810.50 m，在进口处布置有宽度为3 m的拦污栅。进口段后接检修阀室段，长6.1 m，净宽4.6 m，净高5.0 m，阀室底板高程为810.50 m，内部布置通径为1.0 m的蝶阀（SD343H-10C）。检修阀室段后接涵管段，涵管段长152.30 m，涵洞内套直径为1.0 m的钢管，洞身段为钢筋混凝土结构的城门洞形，洞身宽度为3.5 m，涵洞壁厚0.5 m。涵管段后接岔管段，岔管段布置一长、宽、高分别为6.0×5.5×2.1 m的镇墩，内部布置直径1.0 m的供水钢管和直径0.8 m的放空钢管，岔管之间的夹角为60°。工作阀室段内设上下两层阀室结构，长5.9 m，宽9.9 m，下层阀室为钢筋混凝土框架结构，底板高程为810.35m，高度为5.5 m，其内布置通径为1.0m的工作蝶阀（SD343H-10C）和通径为0.8 m的放空蝶阀（SD343H-10C），上层阀室采用砖混结构，高度为5.3 m。工作阀室段后接消力井段，消力井内径4.0 m，净高6.5 m，消力井底部高程为808.95 m，消力井末端通过溢水口后接明渠，溢水口底部与明渠渠底相连接，高程为813.65 m。

供水涵管、进水涵管均为钢筋混凝土结构，阀室内设置叶空缓闭蝶阀。