巨河水庫除險加固工程設計綜述

燕荷葉

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

巨河水庫位于臨汾市汾河東岸大陽鎮巨河干流上，是一座以灌溉、防洪為主的中型水利樞紐工程，總庫容2 751萬m3，壩址以上控制流域面積311 km2，多年平均徑流量1 826萬m3。水庫興建于1958年，1961年攔洪蓄水，1972年進行樞紐改建，主要建筑物有均質土壩、灌溉洞、泄洪洞和非常溢洪道。由于水庫淤積嚴重，防洪標準降低，被列為病險水庫，1997年經省計委批準，巨河水庫除險加固工程正式列項。

2 除險加固內容

巨河水庫除險加固工程內容包括新建挑流式溢洪道、改建灌溉洞進口部分和大壩防浪墻。工程設計等級為Ⅲ等3級，設計洪水標準為50年一遇設計，500年一遇校核。新建溢洪道設計泄量379.2 m3/s，校核泄量625.2 m3/s，全長184 m。灌溉洞長105.35 m，加固后可滿足流量4 m3/s的灌溉用水要求。

3 設計要點

3.1 方案比選

設計比選方案為大壩加高和溢洪道改建，其中溢洪道又分為挑流與底流兩種型式，并與灌溉洞進口改建方案組成四個方案與大壩加高方案進行比選。

方案一：大壩加高方案。該方案將大壩加高2.7 m，不改建溢洪道，灌溉洞進口增建進水塔和工作橋。主要工程量及投資：開挖回填土方58.6萬m3，回填砂礫與石方3.8萬m3，漿砌石方0.4萬m3，混凝土0.4萬m3，投資1 256萬元。

方案二：溢洪道挑流消能與灌溉洞進口排架方案。該方案溢洪道位于原非常溢洪道與泄洪洞之間，出口為挑流消能，溢洪道長184 m，凈寬25.6 m，泄槽寬24 m，灌溉洞進口新建16.4 m排架式檢修平臺，下部結構不變。主要工程量及投資：開挖回填土方9.76萬m3，回填砂礫與石方0.26萬m3，漿砌石方0.56萬m3，混凝土1.11萬m3，投資740萬元。

方案三：溢洪道挑流消能與灌溉洞進水塔方案。該方案溢洪道部分同方案二，灌溉洞進口改建，將原進口斜拉閘門及沉井式工作閘門廢除，新建進水塔和工作橋。該方案改建比較徹底、投資較大。主要工程量及投資：開挖回填土方10.46萬m3，回填砂礫與石方0.93 萬 m3，漿砌石方 0.56 萬 m3，混凝土 1.46 萬 m3，投資877萬元。

方案四：溢洪道底流消能與灌溉洞進口排架方案。該方案溢洪道結合原非常溢洪道進行改建，仍為彎道式溢洪道，進口寬24 m，槽身寬16 m，全長548 m，灌溉洞進口改建同方案一。主要工程量及投資：開挖回填土方21.23萬m3，回填砂礫與石方1.12萬m3，漿砌石方1.08萬m3，混凝土1.43萬m3，投資937萬元。

方案五：溢洪道底流消能與灌溉洞進水塔方案。該方案溢洪道改建同方案四，灌溉洞進口改建同方案三。主要工程量及投資：開挖回填土方21.97萬m3，回填砂礫與石方1.13萬m3，漿砌石方1.08萬m3，混凝土1.81萬m3，投資1 076萬元。

通過比較，溢洪道與灌溉洞組合方案中，溢洪道挑流消能與灌溉洞進口改建方案比溢洪道底流消能與灌溉洞進口改建方案優越。在溢洪道挑流消能與灌溉洞進口改建方案中，方案二的工程量和投資最小，方案三次之，方案一比方案二、方案三分別多投資516萬元、339萬元，但方案二不能徹底解決灌溉洞進口存在的問題，因此將方案三作為推薦方案。

3.2 土壩設計

為弄清庫水位與各斷面測壓管水位的相互關系，進而由實測資料推測未來高水位時壩體滲流情況，利用現有觀測資料，選取有代表性的相對穩定庫水位下的測壓管水位，將實測數據進行直線回歸，得出每個測壓管的庫水位與管水位之間的表達式，利用該線性表達式預測正常高水位時各斷面的測壓管水位。

由于大壩邊界條件的復雜性和壩體、壩基滲流的非均勻性，滲流基本方程計算成果與大壩實際運行情況很難一致，因此須根據實測資料對滲流計算參數進行反演分析，再進行正常高水位下滲流有限元計算，從而推測出正常高水位下的滲流場及浸潤線位置，供壩坡穩定分析用。計算時，首先選取與庫水位相關較好的測點；其次根據地質專業提供的滲透系數對不同斷面在穩定滲流情況下進行滲流計算，并與觀測資料進行對比；最后在地質提供的滲透系數的基礎上調整計算參數，直至各測點誤差均較小，即認為該滲透系數比較合理，能夠反映壩體滲流特性。

土壩采用大壩滲流回歸分析、滲流反分析、大壩有限元穩定分析等多項先進計算方法，特別是穩定計算采用目前國內最先進的《土石壩邊坡穩定分析》軟件，不僅提高了計算成果的準確性，而且提高了設計工作效率。

3.3 軟基上溢洪道設計

新建溢洪道位于大壩右岸壩頭原非常溢洪道與泄洪洞之間。溢洪道設計泄量379.2 m3/s，校核泄量625.2 m3/s，全長184 m。溢洪道進口設露頂式弧形鋼閘門，共2孔，每孔凈寬12 m，堰頂高程518.0 m；閘室后接泄槽，槽身凈寬24 m，矩形斷面；出口采用挑流式消能。由于挑流段位于粉質亞黏土地基上，基礎處理采用井柱樁，直徑0.8 m，設8排，每排6根，共48根，排距3.9 m，樁距4.6 m。第1排樁長14 m，以后各排分別增加3 m，第8排樁長35 m。

設計時根據水庫多年實際運行情況及來水、灌溉供水等資料，科學合理地確定了水庫的汛限水位，既滿足了水庫防洪和灌溉供水要求，又減少了水庫淤積。在保證水庫防洪安全的條件下，通過對庫水位與溢洪道堰頂高程關系進行反調節分析，利用汛期降雨集中的特點及灌溉需水要求，對采用開敞式溢洪道和窄深式溢洪道兩個方案進行技術經濟比較，確定選用窄深式溢洪道方案。利用閘門擋水，加大了水庫的泄洪能力，在水庫防洪標準相同的條件下，既增大了興利庫容，又節省了投資。

土基上興建溢洪道，尤其是土基上采用挑流消能，在全省尚屬首例。挑坎基礎采用井柱樁結合鉛絲石籠防護防沖，工程安全可靠、經濟合理。另外，相對于底流消能方案，縮短了溢洪道長度，去掉大彎道陡槽，改善了水流條件，既提高了消能效果，又減少了工程量，可節約概算投資199萬元。

3.4 灌溉洞進水塔設計

左岸灌溉洞進口增建進水塔和工作橋，將原廊道內工作閘門、封閉閘室及廊道拆除，進水塔布置在原封閉閘室位置上，總高度34.61 m，分3層布置，啟閉機層高程531.5 m，檢修層高程527.3 m，塔內閘室底高程502.89 m，內設1.5 m×1.5 m的工作閘門和檢修平板鋼閘門；進水塔施工圍堰采用鋼筋混凝土沉井，內徑16 m，沉井底高程499.2 m，頂高程516.5 m。

灌溉洞進水塔結構計算采用有限元計算，進水塔施工設計采用沉井圍堰施工技術，縮短了工期，具有顯著的經濟效益和社會效益。

4 效益分析

水庫樞紐工程改建后，防洪標準由改建前的最高防洪標準250年一遇洪水標準，提高到50年一遇設計洪水標準、500年一遇校核洪水標準，保護了下游大運高速公路、南同蒲鐵路及臨汾市的安全。同時年可多蓄水500萬m3，新增灌溉面積0.147萬hm2，改善灌溉面積0.213萬hm2，增加了地表水供應量，在一定程度上緩解了當地用水緊缺局面，改善了整個地下水環境，延長了水庫的使用壽命，對促進當地經濟社會可持續發展起到很大作用。