屯瓦水库除险加固工程设计研究

胡福军

（忻州市水利勘测设计院，山西 忻州 034000）

1 屯瓦水库简况

屯瓦水库位于原平市西南20 km处，因临近屯瓦村而得名。水库总库容12.09万m3，水库类别为小（二）型，主要功能为防洪和灌溉，枢纽工程包括大坝、输水涵管和溢洪道。根据《水利水电工程等级划分及防洪标准》工程等别划为Ⅴ等，主要、次要建筑物级别均为5等5级。枢纽建筑物的洪水标准为设计20年一遇，校核200年一遇。大坝为土料修筑，最大高度为13.45m，坝顶规格为72 m×4 m，上、下游坝坡坡度差别较小，坡比依次为 1∶2.5，1∶2.0。输水涵管布设于大坝左岸，为压力钢管，钢管长度可达54 m，直径仅0.24 m，四周用浆砌石护砌，出口用闸阀控制。泄洪涵洞设置在大坝右侧，浆砌石城门洞型，长、宽、高分别为30 m、1 m、1.2 m，但已遭到严重破坏。屯瓦水库于1972年开工，1973年竣工，为13.33 hm2农田提供灌溉用水，同时拦缓上游洪水，保护下游3个村庄、1个乡镇，3 800人口的生命财产安全。

2 水库现状

由于历史原因，原屯瓦水库工程施工仓促，前期工作不充分，施工质量控制缺失，工程质量不合格，工程设施很不完善，原为乡政府管理，没有专业技术人员参与。

经鉴定，大坝目前属病险水库，现状水库类别仅为三类，存在的主要问题有：一是水库当前防洪能力不达标；二是水库大坝下游坝坡不稳定；三是水库溢洪道未建成，原泄洪涵洞已被上游开矿道路损毁。四是输水涵管出口控制闸阀已损坏，涵管出口处原浆砌石护砌部分坍塌。

3 水库参数计算

3.1 水文计算

屯瓦水库坝址位于屯瓦村的旱叉沟，控制流域面积1.04 km2，流域长度1.81 km，平均宽度0.57 km，平均坡降87.6‰。流域地貌类型为山地，岩性以变质岩为主，汇流地貌类型为灌丛山地，流域内植被覆盖率较高。坝址区地处基岩山区及黄土丘陵区，本区气候受季节和地形影响较为明显，干旱、温差大，汛期雨量大而集中，降雨量多年平均值为450 mm。

设计暴雨。查不同历时点暴雨均值等值线及CV等值线图得到目标流域设计暴雨取值，由暴雨设计值，计算流域设计暴雨。设计暴雨成果见表1。

产流计算。流域产流计算包括设计洪水净雨深和净雨过程计算两部分。设计洪水净雨深计算采用双曲正切模型计算。净雨深计算成果见表2。

汇流计算。流域内缺乏水文站及气象雨量站，根据《山西省水文计算手册》，依据设计暴雨计算设计洪水的推求方法，汇流计算主要采用综合瞬时单位线法、推理公式法、地区经验公式法进行计算。计算结果见表3。

表1 设计暴雨成果单位：mm

表2 净雨深计算成果

表3 设计洪水计算成果 单位：m3/s

经分析比较，三种方法计算屯瓦水库洪峰流量成果相差不大，又因水库流域面积较小，故采用推理公式法计算成果。推理公式法汇流计算，包括求解洪峰流量Qm、流域汇流历时τ。通过联立求解下列方程组：

式中：L为河长，km；m为汇流参数，从手册查用；J为河流纵比降，‰；τ为流域汇流历时，h；ht汇流时间内最大降雨量，mm；t为暴雨历时，h；tc为出流历时，h；A为流域面积，km2；hR·p为设计洪水净雨深，mm；ht为t时间内最大降雨量，mm；Hp（t）为频率P下历时t的最大降雨量，mm；μ为汇流参数，查手册获取。

经计算，确定20年一遇设计洪峰流量为20.2 m3/s，200年一遇校核洪峰流量为33.4 m3/s。

3.2 防洪能力复核

溢洪道位于水库右端，为开敞式溢洪道。根据水量平衡原理，采用静库容法，按溢洪道敞泄的调度运用方式分别对设计、校核洪水进行调节计算，计算可得20年一遇设计洪水位1 194.01 m，相应库容11.468万m3，最大泄量15.52 m3/s，200年一遇校核洪水位1 194.72 m，相应库容12.089万m3，最大泄量25.43 m3/s。

根据《碾压式土石坝设计规范》对坝顶高程进行复核，分析计算坝顶与设计洪水位、校核洪水位高程差，可得20年一遇设计洪水标准下，坝顶高程为1 194.728 m，200年一遇校核洪水标准下，坝顶高程为1 195.278 m，现状土坝坝顶高程为1 195.9 m，已达到200年一遇的防洪标准。

4 工程设计要点

针对目前存在的关键问题，结合屯瓦水库工程的各方面条件，屯瓦水库除险加固主要任务：坝顶路面、下游坝坡培厚及排水、新建溢洪道、引水卧涵管封堵和抢险道路铺设。

4.1 大坝工程设计

4.1.1 坝顶路面

坝顶铺设厚20 cm的泥结石路面，从上游至下游设1.5%的横坡，坝顶上下游侧设予制C 25混凝土路，沿高出路面20 cm，路沿石厚15 cm，上游侧高80 cm，下游侧高55 cm，宽50 cm，在与下游纵向排水沟对应位置预留排水口。

4.1.2 下游坝坡培厚及排水

现状下游坝坡较陡、不规则，未设排水沟，致使下游坝坡水蚀严重。本次设计将对坝坡进行削坡后培厚，坝顶拓宽至5.5 m，下游坝坡由原来的1∶2改为1∶2.5；在下游坝坡用砌石修建排水沟，纵横双向呈菱形布设，排水沟槽深30 cm，宽40 cm，同时用生态植被护坡，岸坡排水沟深50 cm，宽50 cm；为增强大坝的渗透稳定性，再利用菱形体在下游坝坡排水，排水体顶宽 1.5 m，高 2.5 m，外坡 1∶1.5，内坡 1∶1.0，设 30 cm 碎石，20 cm中粗砂反滤。

4.1.3 上游坝坡整理及护坡翻新

原工程在上游坝坡修建了干砌石护坡，因多年未进行保护，现已破坏严重，使得坝坡不规整。本次设计将对上游坝坡进行平整，并修缮护坡。旧护坡拆除后的块石全部堆在上游坝脚，作为护脚。坝坡平整后，依次铺设10 cm厚细砂垫层，10 cm厚粗砂垫层砂滤层，10 cm厚碎石滤层，30 cm厚干砌石护坡。

4.2 溢洪道工程设计

新增溢洪道布置在大坝右坝肩，与坝轴线垂直，采用底流消能方式，主要有进口段、堰顶段、陡坡段、消力池、护坦等。根据调洪计算，当底板高程为1 192.2 m时，设置4 m宽开敞式溢洪道完全满足水库泄洪要求，水库防洪标准可达200年一遇洪水标准。按实际地形和工程地质条件，工程布置在坝轴线右端紧靠山体一侧，基础完全座于基岩上，安全可靠。采用明挖方式，并对山体进行削坡加固护砌。

4.3 灌溉卧涵管封堵设计

原卧管（5级）与引水涵管（φ250钢管）年久失修，本次设计考虑将原卧管与涵管完全用泵送混凝土封堵，杜绝安全隐患。

4.4 上坝抢险道路设计

现状无上坝道路，唯一一条进库区的道路为矿山私挖滥采将原泄洪洞开挖成的便道，且无法到达坝顶。为抢险需要，本次设计考虑从溢洪道右侧侧墙背后填土垫5 m宽上坝道路，坡度为1∶8。

5 结语

除险加固工程的完善，发挥明显效益，该工程的完成使水库达到了防洪标准，确保了水库的工程效益，降低了洪水对下游的的危害，保障了人民安居乐业。在保证水库防汛功能的前提下，充分利用径流的季节性，调度水库水向下游农田提供灌溉用水，部分可向工业企业供水，促进地方经济发展；经过除险加固后的屯瓦水库将对区域水环境的改善产生积极的作用，调节生态平衡，改善地区水质，美化人居环境。