老爷山塘坝工程设计综述

孙景鹏

（长治市水利勘测设计研究院，山西 长治 046000）

1 设计背景

老爷山位于长治市屯留区西北部25 km处，山顶三峰鼎峙而立，最高峰麟山海拔1 266 m。根据老爷山的资源优势，屯留区政府提出了以开发上党战役为主题的红色基地，以后羿射日为底蕴的古色基地，以绿色植被为依托的生态基地，打造“上党战役纪念地”红色品牌，建设爱国主义和革命传统教育基地，大力弘扬爱国主义精神，挖掘羿神文化，打造独具特色的旅游品牌。

屯留区政府-老爷山-屯绛水库旅游公路是为发展红色旅游而立项建设的基础设施之一。旅游公路6+560—6+760段，是邻近老爷山景区核心部分（老爷山大酒店、接待中心）的一处跨沟路段。此段原公路设计为在沟底设城门型排洪涵，为配合景区旅游发展，建议该段公路按“路坝结合”进行建设。

2 工程任务及规模

2.1 设计依据

《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）；《防洪标准》（GB50201-2014）；《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2018）；《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL189-2013）；《水利工程水利计算规范》（SL104-2015）；《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015）；《工程建设标准强制性条文水利工程部分（2016版）》以及其他国家颁发的现行规范、规程和标准。

2.2 工程任务

通过建设老爷山塘坝，可因地制宜地利用地形条件，有效拦蓄雨洪水。塘坝建设可形成1.08万m2（对应洪水位1 126.4 m）的自然水面，成为老爷山景区内重要的景观节点。形成以“水文化”展示为特色，包括休闲旅游、商务度假等多功能综合的观光景点。塘坝的建设符合当地建设规划和利益需求，可有效促进当地社会、环境和经济的可持续发展。

2.3 工程规模

依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017），老爷山塘坝属小（2）型工程。工程等别为Ⅴ等，主要建筑物为5级，次要建筑物为5级，临时工程为5级。水库设计洪水标准为20年一遇。由于不布置溢洪道，按特殊状况200年一遇标准校核，达到洪水不漫坝。根据《中国地震动参数区划图》，工程设防烈度为Ⅵ度。

3 工程布置及建筑物

3.1 工程总布置

老爷山塘坝工程为屯留县城-老爷山-屯绛水库旅游公路邻近老爷山大酒店的一处跨沟路段，坝址位于老爷山景区下游约450 m的河谷进口处。拦河坝布置占据整个河床，坝顶总长200 m，坝顶宽22.15 m，坝顶高程1 132.41 m，最大坝高32.4 m。大坝桩号0+000对应旅游公路桩号6+760，大坝0+200对应公路桩号6+560，大坝整段呈弧形，坝轴线半径135 m，圆心位于大坝下游河沟中，圆心角85°，塘坝枢纽工程由拦河坝、放水涵卧管两大建筑物组成。

3.2 塘坝工程设计

3.2.1 坝顶高程确定

（1）风浪要素

老爷山塘坝风浪要素采用鹤地公式计算：

式中：2h——平均波高，m；

2L——平均波长，m；

V——计算风速，m/s，对于正常运用，取多年平均最大风速的1.5倍；对于非常运用，取多年平均最大风速，21 m/s；

D——水库吹程，km，取0.2 km。

（2）风浪爬高

坝坡上平均风浪爬高按以下公式计算：

式中：KΔ——斜坡的糙率渗透性系数，按规范取0.8；

KW——经验系数，取1.05～1；

m——斜坡的坡度系数。

根据以上方法计算出风浪要素，设计风浪爬高对于5级坝采用累积频率为5%、0.5%的爬高值R5%、R0.5%，详见表1。

表1 要求的坝顶在静水位以上超高成果表

（3）坝顶超高

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-2013），坝顶在静水位以上的超高由下式确定：

式中：y——坝顶超高，m；

R——风浪沿着坝坡的最大波浪，m；

A——安全加高，m，正常运用情况取0.5 m，非常情况取0.3 m。

由此计算出的设计和校核情况下的超高见表2。

表2 老爷山塘坝坝顶高程复核情况表

3.2.2 大坝断面设计

大坝基本断面呈梯形，坝顶高程为1 132.41 m，最大坝高32.4 m，坝顶长200 m，坝顶宽度为22.15 m。坝顶高程1 132.41 m以上至路面高程（1 133.0 m～1 134.2 m）由公路部门自行设计施工。

上游坝坡1 126.4 m马道高程至坝顶采用浆砌石拱形网格草皮护坡，每两个拱形网格之间高差1.19 m，马道高程以下至坝踵采用浆砌石网格内插干砌石护坡，浆砌石网格每隔6 m设一道阻滑墙，高差2 m，阻滑墙（宽×深）0.6×1.5 m，以利护坡稳定干砌石护砌厚度300 mm，下设置反滤垫层，垫层采用d10～d30碎石厚150 mm，d1～d15砂层厚150 mm。并在护坡末端1 122.0 m处设M7.5浆砌石护脚。建成后坝面坡度路面高程（1 134.2—1 133.0 m)—坝顶高程1 132.41 m、1 132.41—1 126.4 m，坝坡为1∶2.5；高程1 126.4—1 112.4 m，坝坡比1∶3。

下游坝坡护坡形式与上游坝坡基本一致，只是马道高程为1 122.0 m。建成后坝面坡度路面高程（1 134.2—1 133.0 m）—坝顶高程1 132.41 m、1 132.41—1 122.0 m，坝坡为1∶2.5，高程1 122.4—1 103.0 m，坝坡比为1∶3。

为防止雨水冲刷上、下游坝坡，在坝坡及坝坡与岸坡连接处、马道内侧设置设纵横向连通的排水沟，将坝面集水和岸坡集水引向下游。排水沟采用浆砌块石砌筑，横向排水沟沿坝轴线每隔50 m设置一条，上下游共7条。岸坡排水沟及坝顶排水沟断面为0.6 m×0.5 m（宽×深）；横向排水沟结合浆砌石网格设置，宽度4.0 m，深度3.0 m；马道内侧纵向排水沟宽度4.0 m，深度3.0 m，其中岸坡排水沟以及横向排水沟为台阶式消能泄水。

为改善坝体的渗流条件、降低浸润线，增强坝体的抗滑稳定性，在下游坝脚1 103 m处设堆石棱体排水，棱体顶宽2 m，内坡1∶1.5，外坡1∶2，于棱体上游面及基础底面均设置2层反滤层，厚度均为0.4 m。

3.3 大坝坝体稳定、渗流计算

3.3.1 大坝加固后坝体稳定分析计算

（1）计算工况

根据《导则》（SL189—96）要求，坝坡稳定计算工况：P=10%洪水最高水位1 026.40 m时上游坝坡稳定；P=10%洪水最高水位1 026.40 m时下游坝坡稳定；设计洪水位1 126.40 m骤降至死水位1 116.20 m时上游坝坡稳定。

（2）计算参数

根据老爷山塘坝工程地质勘察资料确定有关参数，详见表3。

表3 土力学指标

（3）计算方法与计算断面

坝坡抗滑稳定计算方法为不计及条块间作用力的瑞典圆弧法。计算断面选择一个代表断面，即大坝最大断面桩号0+112处。

（4）稳定计算结果

老爷山塘坝为5级建筑物，依据《导则》（SL189—96）正常运用条件下坝坡稳定安全系数最小值为1.15，计算结果详见表4。

表4 大坝抗滑稳定计算成果表

（5）评价

从大坝稳定计算结果看，大坝上下游坝坡抗滑稳定安全系数均大于规范要求的最小值，满足抗滑稳定安全要求。

3.3.2 大坝坝体渗透稳定分析计算

（1）计算工况

本工程计算上游P=10%洪水最高水位1 126.40 m与下游相应最低水位时的渗流工况。

（2）计算参数

根据老爷山塘坝工程工程地质勘察资料确定有关参数。

（3）计算方法与计算断面

取典型剖面，采用二维渗流有限元法进行渗流计算分析。渗流计算断面选择主河槽最大断面桩号0+112 m处。

（4）渗流稳定计算结果

根据老工程地质勘察资料，坝体土主要由低液限粘土组成，坝体土的渗透变形破坏类型为流土，允许水力坡降为0.5。坝基土渗透变形破坏类型为管涌，允许水力坡降为0.3。坝体、坝基的最大水力比降见表5。

表5 大坝渗流稳定计算成果表

由表5可以看出，大坝最大断面在P=10%洪水最高水位1 126.4.0 m时坝基渗透出逸比降小于允许渗透比降；坝体渗透出逸比降小于允许渗透比降。

3.4 放水涵卧管设计

为保障塘坝运行安全，在塘坝右岸设置卧管及放水涵管，作为塘坝的放水设施。放水涵管从坝下垂直穿过，涵管长172 m，进口采用卧管控制，出口设排水渠。

3.4.1 卧管设计

卧管与岸坡垂直设置，距大坝右坝肩15 m，C20混凝土现浇，进口底高程1 111.3 m，顶高程1 129 m，纵坡1∶3。卧管共15阶，每阶高1 m，长3 m，宽1.0 m，总高15 m。进水孔为圆形，孔径400 mm。卧管两侧岸坡采用M7.5浆砌石衬砌，衬砌宽度两侧各5 m，厚0.5 m，与卧管同高。卧管末端接一消能井，消能井宽2.5 m，高3 m，C25混凝土现浇。消能井出口接放水涵管，涵管为φ800 mm钢筋混凝土排水管。

3.4.2 放水涵管设计

放水涵管长172 m，纵坡0.07。涵管断面规格为钢筋混凝土排水管φ800×2 000×80 mm（管内径×长度×壁厚）。为防止坝下涵管产生环向的裂缝。钢筋混凝土排水管接口采用柔性企口式，橡胶圈密封止水，在涵管外围采用C25混凝土包管，以增加涵管基础的整体性，减少沿涵管轴线方向的不均匀沉陷。涵管出坝后设排水渠，渠长30 m，前10 m采用C25混凝土整体现浇，后20 m采用M7.5浆砌石结构。

4 结语

通过对老爷旅游公路“路坝结合”塘坝设计，在满足交通设计前提下，因地制宜地利用地形条件，有效控制和利用洪雨水量，形成自然水面景观，对景区山水依连起到锦上添花的效果，符合当地建设规划和利益需求，可有效促进该区域旅游、环境、经济的可持续发展。