太原市南坪头水库改造工程泄水方案比选

樊亚婷

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司,山西 太原 030024）

1 工程概况

南坪头水库位于太原市东山南部南坪头村东黑驼沟上游。工程所在黑驼沟属于黄河流域,汾河的二级支流,汇入一级支流许坦排洪渠。坝址以上控制流域面积10.6 km2,多年平均降雨量467.1 mm,多年平均径流量44 万m3,是一座以城市防洪、拦沙为主,兼顾生态蓄水与景观美化的小（1）型水库。南坪头水库总库容111.6 万m3,其中死库容23.4 万m3,调洪库容69.3 万m3；死水位857.00 m,汛限水位859.00 m,正常蓄水位859.00 m,设计洪水位861.46 m,校核洪水位864.04 m。工程等别为Ⅳ等,根据工程等别确定主要建筑物为4 级。大坝洪水标准采用30 年一遇洪水设计,300 年一遇洪水校核。

现状南坪头水库大坝为碾压均质土坝,坝顶高程864.2 m~865.7 m,自北向南逐渐抬高,最大坝高16.5 m,坝顶长200.0 m,坝中设有折点,坝顶宽10.0 m,为沥青混凝土路面。上游坝坡1∶2.2~1∶3.3,下游坝坡1∶2.0~2.2。坝基座落于已处理的基础上,坝体中部为粘土截水槽防渗,槽底高程846.0 m；上游坝坡采用干砌石护坡,下铺土工布防渗,坡脚采用多头深搅等厚截渗墙防渗；下游坝坡采用草皮护坡,坡脚设贴坡排水[1]。水库现状为干库,坝前河床淤积高程854.1 m~855.9 m。

现状南坪头水库泄水建筑物由溢洪道和放水洞组成,水库改造时既要满足下游防洪及生态要求,还要考虑东山片区开发、路网规划等因素。根据城市建设路网规划,坝顶作为连接学府街东延和南中环东延的城市次干道,坝顶宽度由现状10 m加宽至37 m,同时坝顶高度增加2.5 m~4.0 m。洪水调算时充分考虑坝高因素,保证在300 年一遇洪水时控制下泄流量不超过15 m3/s。

2 泄水方案

本次水库改造工程设计考虑两种泄水方案进行比选,方案一为单一泄洪洞方案,方案二为溢洪道结合放水洞方案。

2.1 泄水方案一

方案一封堵原放水洞,并拆除溢洪道,在溢洪道北侧大坝桩号0+020 处新建泄洪洞。

本次改造对放水洞库区引渠、出口消能段拆除,对洞身进行封堵。原放水洞经过几十年运行,洞内杂物较多,洞底有一定厚度淤积物,考虑后期灌注混凝土的结合需要,封堵前必须对其进行清理及高压水枪冲洗。待新建泄洪洞浇筑完成投入使用后,放水洞进口处设C25 混凝土挡墙封堵,洞身采用C15 混凝土（外掺10%膨胀剂）填充密实,并对放水洞顶部进行回填灌浆。回填灌浆预埋DN50 镀锌钢管,浆液选用纯水泥浆,采用普通硅酸盐水泥,强度等级不低于42.5。灌浆压力暂定为0.2 MPa,浆液水灰比0.5,施工初期应进行生产性试验,通过试验,逐步调整各施工参数。中间竖井应回填C15 混凝土至洞顶以上2 m,之后采用坝体土回填至竖井顶部。

由于现状溢洪道为坝肩式溢洪道,全部采用浆砌石砌筑,大坝加高培厚后需增加溢洪道长度,且设置闸门控制洪水下泄,水库蓄水后易造成不均匀沉降和渗水,因此本次改造需将该溢洪道全部拆除[2]。溢洪道浆砌石及混凝土全部拆除后,与坝体衔接部分须将杂物及垫层材料全部清理干净,直至露出新鲜的坝体土,结合新建泄洪洞布置,完成后续坝体填筑要求。

待溢洪道拆除后,继续下挖至高程853.0 m,基础夯实后新建泄洪洞。泄洪洞平面呈折线布置,全长211.5 m（X0-034.5~X0+177.0）,在桩号X0+140.0 ~X0+153.48 设置转弯段,转角为38.6°,转弯半径为20 m。

泄洪洞由进口段、闸室段、无压涵洞段、出口消能段和明渠组成。进口段包括喇叭口段和引水箱涵段,均布置在培厚坝体内。闸室段设岸塔式进水口,进口底高程853.0 m,设弧形工作闸门,孔口尺寸为3.0 m×3.0 m,门前设检修平板闸门,孔口尺寸为3.0 m×3.6 m。无压涵洞底坡1/100,断面为城门洞形,断面尺寸为3.0 m×4.0 m（宽×高）,顶拱中心角为180°。出口段包括陡坡段和消力池段,均采用C 25 钢筋混凝土结构。消力池后接矩形明渠并入城市排水体系,明渠断面为3.0 m×2.0 m（宽×高）,厚0.5 m,下设10 cm厚C15 混凝土垫层。

2.2 泄水方案二

溢洪道位于大坝左侧,紧邻库区左岸,全长174 m,为矩形浆砌石结构,控制段为岸边开敞式宽顶堰,净宽4.0 m,无闸门控制,两侧边墙均为浆砌石重力挡墙,底板与侧墙为分离式结构,在横穿坝体时采用盖板涵结构。

由于原溢洪道为浆砌石结构,为满足控制泄水要求,提高蓄水可靠性,需拆除原溢洪道进口段、控制段及泄槽部分,改建为C25 钢筋混凝土结构,改建后全长188 m,由进口段、闸室段、箱涵、消能段及明渠段组成,控制最大下泄流量不超过15 m3/s。进水塔底高程859.0 m,单孔,净宽3.0 m,设1 扇3 m×3.0 m弧形工作门,弧门前设3 m×3.6 m检修平门。闸室段后接箱涵横穿坝体,箱涵段总长58 m,坡度为1/100,断面为3.0 m×3.0 m（宽×高）。之后接1∶2.5陡坡进入消力池，消力池池深4.6 m,平面尺寸为21.0 m×3.0 m（长×宽）,池后明渠在平面上设置转弯段，转角39°,转弯半径15 m。交通要求在检修平台与坝顶之间设工作桥,桥长16 m,宽3.0 m。

原放水洞为建库时修建,位于大坝主河槽段坝体内,呈直线布置,其轴线与坝轴线夹角86°。放水洞为单孔方形混凝土结构,无闸门,全长60 m,设计断面尺寸为1.2 m×1.2 m,涵洞进口底高程853.0 m,出口底高程852.0 m,设计底坡1/61。涵洞中部设有竖井,竖井尺寸为1.2 m×1.2 m,顶高程863.8 m,无门槽及启闭设施,出口无消能设施。

放水洞改造后全长199.5 m,由进口段、闸室段、洞身段、消力池段等组成,最大放水流量5.0 m3/s。进口采用岸塔式进水塔,孔口尺寸为1.2 m×1.2 m（宽×高）,布置事故检修门和工作门,均采用单孔平板门。在检修平台与坝顶之间设台阶连接。洞身段上下游沿原混凝土箱涵延长,维持原方形断面,过水断面涂刷聚氨酯新型材料，洞进口底高程854.25 m,出口高程850.95 m[3]。出口采用底流消能接下游排洪渠。

3 泄水方案比较

由于现状水库无蓄水能力,自建库多年以来均为干库,大坝及泄水建筑物未经蓄水考验,且地质勘探揭露坝体土干密度偏小,渗透系数偏大,均一性差,局部段土体较疏松。

为了响应太原市对东山区域整体规划,打造太原东山生态景观,水库改造时需保持一定的蓄水面积,泄水建筑物应增设闸门控制。同时根据水文计算成果,水库多年径流量偏低,不能满足水库景观蓄水要求。因此水库蓄水需要稳定水源补水,经调查可利用原东山灌溉供水系统,从汾河东干渠引水入库,保证水库常年蓄水要求。

根据水库蓄水以后对建筑物的影响,方案比较可从泄水建筑物结构布置、投资及运行调度管理等方面进行比较。

3.1 结构布置

方案一将原坝体中部放水洞封堵,并拆除现有溢洪道,在溢洪道北侧新建泄洪洞,闸室段底高程853.0 m,将泄水和放空建筑物合二为一,既能放空水库又可泄洪使用,同时泄水建筑物的减少可降低渗漏水风险。并且新建泄洪洞基础完全置于库底原状土上,泄洪洞四周回填高塑性粘土,并在闸室段设碎石桩提高基地承载力,可降低水库蓄水后土体沉降及洞周渗水几率。

方案二原放水洞为建库时修建,建库至今放水洞未经历水库蓄水,且结构本身老化,接缝处凸凹不平,加之改造工程需对坝体加高培厚,溢洪道和放水洞均要增加长度，存在新旧坝体土及新老混凝土结合，且溢洪道及放水洞延长部分基础位于新回填土基上,水库长期蓄水后,存在不均匀沉降问题。

优化组合后的水库枢纽由三大件变为两大件,但它们的功能并未改变,取消原浆砌石溢洪道,封堵放水洞,新建泄洪洞,减少穿坝建筑物数量,就减小了泄水建筑物损坏所造成的土坝事故隐患[4]。

3.2 投资对比

方案一为单一泄洪洞方案,与方案二中改建溢洪道规模相当,工程量变化主要是洞身加长、增加坝体开挖回填工程量,但减少了原放水洞加固,便于施工管理；方案二溢洪道和放水洞分别设置闸室段,造成混凝土工程量增加。

对两方案主要工程量及投资进行了比较，结果见表1。

表1 主要工程量及投资对比表

3.3 运行管理

方案一仅设单一泄洪洞,通过控制闸门开度,保证下泄流量不超过规定15 m3/s,操纵简单,便于维护、维修和管理,特别在汛期时便于精确控制下泄洪水流量。

方案二需要同时控制放水洞和泄洪洞两处闸门,严格根据水位调整闸门开启高度,协调难度大,下泄流量不易匹配,为将来运行管理带来不便。

3.4 方案选择

通过对泄水建筑物结构布置、直接投资及运行调度管理等多方面综合比较分析,方案一水利直接投资较方案二少,并且在降低工程施工风险及工程运行管理等方面优势比较明显,因此确定方案一为推荐方案。

4 结语

通过以上多方面两种泄水方案比选,对太原市南坪头水库改造工程选用单一泄洪洞泄水方案作为推荐方案。所选推荐方案可满足工程改造需求及控制下泄流量要求,同时可减少渗漏通道、降低坝体不均匀沉降风险,且有利于工程运行管理。综合经济费用及工程安全运行等因素,选择单一泄洪洞泄水方案可有效提升南坪头水库蓄水调洪能力,满足此次水库改造的工程要求。