太原市小型水库泄水建筑物优化设计探讨

秦国强

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司 山西太原 030024）

1 问题提出

太原市小型水库共有16 座，兴建于1950—1980年期间，水库功能主要是防洪、缓洪、拦沙和灌溉等，主要由均质土坝、溢洪道和放水洞或涵卧管等建筑物组成。由于历史遗留问题导致水库多年管理维护不到位，多存在不同程度的破损问题，对太原市城乡防洪安全形成较大隐患，且多数不能正常发挥水库功能，至今多为空库运行，水库安全得不到有效保证[1]。

2 处理办法

太原市大多数小型水库都采用放水洞和溢洪道结合的方式泄水，溢洪道多采用开敞式无闸门控制泄水，结构型式主要为浆砌石挡墙，消能设施不全，不能有效控制水库泄水；放水洞主要是上世纪建库初期兴建，砌筑材料多为圬工结构或混凝土结构，进口无启闭设施，或闸门缺失，洞身过水断面狭窄，不能满足水库正常运行和后期检修要求。尤其是建库多超过50年，放水洞出现裂缝、沉降等问题，威胁到大坝防渗安全[2]，水库有效蓄水能力低下。

由于太原市城乡不断发展，多数水库周边土地已开发利用，不具备将泄水建筑物调整至大坝以外的可能性。根据碾压式土石坝设计规范（SL274-2020），针对泄水建筑物布置和形式规定，为解除现状泄水建筑物存在问题，可通过优化组合方式，将水库枢纽由现存的“三大件”调整为“两大件”，即通过工程措施，将放水洞和溢洪道整合，在功能未改变的前提下，减少穿坝建筑物数量，降低水库安全隐患。

根据太原市提出的“南移-西进-北展-东扩”战略布局，本文以太原市东山区域南坪头水库改造工程为例，为小型水库泄水建筑物优化设计提供参考。

3 南坪头水库改造工程

3.1 工程概况

南坪头水库位于太原东山南部的小店区北营街办南坪头村东黑驼沟上游，控制流域面积9.75 km2。水库大坝在1969年汛期建设，1972年坝高达到设计标准，设计库容102 万m3，为小（1）型水库，水库洪水标准为30年一遇（P=3%）洪水设计，300年一遇（P=0.33%）洪水校核。主要功能是以城市防洪、拦沙为主，由大坝、放水洞组成，放水洞为水库泄洪设施。2011年南坪头水库除险加固在大坝左侧增加溢洪道和上游坝坡土工膜防渗系统，泄水建筑物均无闸门控制，加之上游来水较少，建库至今未曾蓄水。

水库大坝为碾压均质土坝，坝顶长度200 m，最大坝高17.6 m，坝顶宽10 m，上游坝坡1∶2.2～1∶3.3，下游坝坡1∶2.0～2.2，坝基中部为粘土截水槽防渗。上游坝坡采用干砌石护坡，下铺土工布防渗；下游坝坡采用草皮护坡，坡脚设贴坡排水，并在后坡设纵横排水沟。

溢洪道位于大坝左坝头，为矩形浆砌石结构，全长174 m，控制段为岸边开敞式宽顶堰，净宽4.0 m，两侧边墙均为浆砌石重力挡墙，底板与侧墙为分离式结构，在横穿坝顶时采用盖板涵结构。进口无闸门控制，泄槽弯道多、曲度大，水流条件差。

放水洞位于大坝中部，为单孔方形混凝土结构，无闸门控制，全长60.0 m，设计断面尺寸为1.2 m×1.2 m，涵洞中部设混凝土竖井，出口无消能设施，放水洞建库时修建，至今已50 多年，洞壁混凝土已出现不同程度的开裂、碳化现象。

3.2 泄水建筑物改造理念

根据太原市城市规划、路网建设总体要求，利用汾河水源实现水库蓄水需求，解决水库左岸大学城和绿地山鼎庄园、右岸南坪头村生态用水需要，对南坪头水库进行生态改造。

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2020），由于大坝左右岸土地均已开发利用，无布置库岸泄水建筑物条件，不得不采用坝下埋管，经技术论证后，将水库现有三大件改造为两大件，改造后仍满足水库防洪标准。新改造设计构思是：封堵放水洞，拆除溢洪道，新建泄洪洞。封堵放水洞时将洞内清理干净，在进出口设置挡墙，全洞段回填混凝土（外掺10%膨胀剂）并进行回填灌浆密实；拆除溢洪道后利用形成的垭口，继续下挖至河床底部布置泄洪洞，进口设闸门控制洪水下泄，改造后既维持水库防洪功能，又满足太原市东山总体规划蓄水需要。

3.3 泄洪洞布置原则

新建泄洪洞，既要满足水库防洪、蓄水要求，发挥水库生态效益，又要保证下泄水流平顺，方便运行管理，最终要彻底解决原泄水建筑物存在的安全隐患。因此要主要考虑以下几方面要求：

1）新建泄洪洞在平面上保持直线布置，确保水流流态平顺，减少水流对洞壁冲刷，尽快将洪水下泄；直线布置泄洪洞施工支模方便，容易保证浇筑进度和洞周围回填土质量，降低洞周渗漏破坏风险；泄洪洞在大坝下游坡脚处时，在泄洪洞两侧及底部设反滤过渡层，降低出口侧渗透破坏几率。

2）泄洪洞布置结合大坝改造总体要求，尽量布置在拆除建筑物附近，就南坪头水库而言，可布置在溢洪道旁边，该部位地基沉降已趋于完成，且可以减少土方开挖和填筑，并能利用原放水洞进行施工导流，降低汛期施工风险。

3）泄洪洞与下游渠道衔接平顺，保证水库下泄洪水能及时、安全、顺畅。

4）泄洪洞洞线尽量与大坝轴线垂直布置，有利于库区进水塔布置，闸门开启后水流流态较好，减少塔后穿坝涵洞长度，降低工程投资和安全风险。

3.4 泄洪洞设计要点

1）开挖边坡：按照现行土石坝设计规范要求，新旧填筑坝体应结合紧密，防止由于填筑产生不均匀沉降形成渗漏通道。南坪头水库两岸均为土质山体，按照规范要求土质岸坡开挖不陡于1∶1.5，建库已超过半个世纪，坝顶常年车辆通行，大坝沉降已基本完成，相对于新填筑土体，原大坝坝体土亦可视为土质岸坡，泄洪洞边坡按1∶1.5 进行开挖。

2）泄洪洞进出口设计：南坪头水库泄洪洞基础为土基，进口为钢筋混凝土岸塔结构，设平板检修闸门和弧形工作闸门，进水塔基础下设碎石桩，提高地基承载力，塔体与库区改造后的防渗体紧密结合，保证防渗设施形成整体，不产生集中渗漏通道。泄洪洞出大坝下游坝坡后设消力池消能，池后设连接段与下游渠道连接，使水流平顺进入下游渠道。

3）洞身结构：进水塔后洞身为城门洞形，断面尺寸3.0 m×4.0 m（宽×高），洞身段采用C30 钢筋混凝土城门洞型结构，底板厚0.6 m，侧壁厚0.5～0.85 m，外墙综合坡比1∶0.2，顶拱厚0.5 m，底板下土体夯实后铺设10 cm 厚C15混凝土垫层，混凝土衬砌每8 m 设一横缝，缝间设止水采用“651”橡胶止水带，高密度聚乙烯闭孔板嵌缝，临水面变形缝内设30 mm 双组分聚硫密封胶封口。

4）泄洪洞周围填土设计：由于均质土坝和泄洪洞洞身混凝土沉降变形不一致，洞身周围土体会产生剪切破坏和剪切裂缝，易形成渗漏通道，进而影响大坝蓄水后安全运行[3]。为最大限度减少不同材料带来不均匀沉降的影响，在泄洪洞周围回填3 m 厚高塑性黏土，增加回填土体抗剪能力。

根据国内其他土石坝填筑经验，选择泄洪洞洞周围土料塑性指数Ip 接近于17，粘粒含量不低于30%为宜，控制高塑性粘土含水量在最优含水量-2%～+3%，填筑前在泄洪洞洞外壁涂刷1∶2.5～3.0 的浓泥浆。压实度满足坝体填筑指标要求，不小于0.98，单层控制碾压厚度0.25 m 为宜。

4 结语

考虑太原市多数小型水库周边场地受限情况，通过优化改造原有泄水建筑物布置后，满足水库泄洪前提下，既能解决水库蓄水要求，又可减少坝体泄水建筑物数量，降低土坝渗漏破坏隐患，且组合设计后更便于工程维护、管理，可在小型水库改造时进行推广应用。