斜向網狀排水系統在巴家咀水庫中的應用

陳攀 耿莉 趙寧

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003)

1 工程概況

巴家咀水庫位于甘肅省慶陽市后宮寨附近，是一座集防洪保壩、供水、灌漿及發電于一體的水利樞紐工程。水庫防洪標準為百年一遇設計，兩千年一遇校核,水庫庫容5.11億m3，屬大（2）型工程。

巴家咀水庫溢洪道位于大壩左岸，為壩肩開敞式溢洪道。溢洪道基礎置于基巖上，進口從泄洪洞塔架右側進水至左壩端，穿越壩體由北向南泄入南小河溝內，全長424.65m。溢洪道左側為黃土山梁，高出溢洪道底約120m，右為蒲河溝道，低于溢洪道約40m。溢洪道主要由進水引渠、控制閘段、泄槽、挑坎段和出水渠等五部分組成。

2 溢洪道防滲排水設計

巴家咀溢洪道建筑物坐落在大壩左壩肩，蒲河深切黃土塬于基巖中，壩區河谷狹窄，為不對稱河谷，兩岸地形坡度40°～60°，基巖坡達70°～80°。第三系砂礫石及粘土、第四系黃土廣泛覆蓋地面。兩岸基巖為砂巖，左岸出露高程1096m，建基面巖石主要為白堊系砂巖，膠結差，易風化，局部存在膠結較差的粗砂巖薄層以及粉砂質泥巖透鏡體，強度很低，遇水崩解軟化。因此其防滲排水設計則顯得尤其重要。防滲排水設計中，防滲系統包括地表止水和地下帷幕，排水系統主要包括溢洪道閘室及泄槽底板下的排水管網系統。

2.1 防滲設計

根據地質資料：閘基基巖自上而下由淺紅色砂巖、黃綠色砂巖和青灰色砂質頁巖構成。三種不同巖性的巖體滲透性相當，閘基下無相對不透水層。由于閘基位于岸坡地段，巖體風化卸荷裂隙影響，個別裂隙密集帶延伸長，為切斷繞壩滲漏的主要通道和降低閘基揚壓力,設置灌漿帷幕。

我國一些大壩，帷幕深度一般為水頭30%～70%，考慮岸坡卸荷節理對滲流的不利影響，帷幕灌漿深度取25m，約為建基面以上最大水頭的78%。左岸山體內地下水位埋深較深，與正常蓄水位不相交，因此灌漿帷幕向左的延伸范圍，根據經驗取建基面以上最大水頭的1倍，即30m。帷幕向右按照帷幕底部延伸至左岸基巖岸坡處，與大壩填土相接。帷幕灌漿孔間距2.0m。

閘室的邊墻連接處及閘墩分縫處均設止水封閉；閘室擋墻與土壩兩側采用復合土工膜錨固連接，構成擋水建筑物基礎的防滲整體，減少滲透。泄槽底板順水流向分縫10m，垂直水流向分縫6m-15m,縱縫（順水流向）采用平縫，橫縫（垂直水流向）采用搭接縫,縫間布設橡膠止水帶。豎向止水頂高程高于校核洪水位1m。整個防滲體系內的止水縱橫相互連通，形成一封閉的整體，阻斷了上下游水流通道和地下水外滲通道。

2.2 明排水與暗排水方案比較

溢洪道閘室帷幕下游側布設基礎排水孔，孔距2.0m。閘基排水范圍不大，從地質資料來分析水量不會太多，所以盡量簡化設計，各豎向排水孔水量匯集到水平總管，再通過4個分管接到泄槽排水系統。

溢洪道泄槽為矩形斷面，起始寬度31m，等寬度段長30m，其后右岸單側擴散，擴散角4o，泄槽縱坡為0.025，總長164.0m，末端接35m的拋物線型陡坡段，與挑流鼻坎銜接。溢洪道泄槽流速較大，最高達22.19m/s，底板受動水壓力、脈動壓力、揚壓力等作用，底板的抗浮穩定主要依靠底板的止水系統、排水系統、錨筋及板面的平整度等工程措施來保證。

根據巴家咀水庫溢洪道的水文地質條件，比較了泄槽底板布設排水柱的明排水方案和底板下設排水暗管的暗排水方案。

明排水方案通過底板上布設的無砂混凝土排水柱直接將地下水排出來，其優點是結構簡單，施工方便，費用比較低。缺點：一是，泄槽流速比較高，采用明排水孔在宣泄洪水時排水住容易破壞，對底板的安全造成隱患；二是，根據已建工程運行經驗，此類明排水孔易被泥沙淤堵；三是，排水匯集在泄槽內，無法全部自然排出，挑坎段會有一些集水，需要另外布設排水通道。

暗排水方案是在泄槽底板下鋪設柔性排水管網，縱橫排水管互相貫通,挑流鼻坎基礎排水設施與泄槽底板縱橫排水管相應布設,并與其相互連通形成排水體系，該系統經鼻坎基底將滲水排向下游。其優點是整個排水管網布設于板底，可有效減少滲透水流對泄槽底板的頂托及防止凍脹對底板的破壞，且泄洪時不會因水流沖擊而損壞，排水出路通暢，水量可全部自然排出。缺點是，由于排水管埋在底板下，檢查和檢修非常困難，且無法更換。

綜合比較，雖然暗排水方案排水管無法檢修，但可通過采取合理的布置形式，選擇耐老化、優質可靠材料，精心施工，做到排水通暢。因此，推薦暗排水方案。

2.3 正交排水網與斜向排水網比較

斜向網狀排水布置與常規正交排水布置相比，具有以下優點：

（1）常規正交排水布置，中間縱向排水通常采用與泄槽底板相同坡降，橫向排水需要通過開挖高程降低形成一定排水坡降，兩邊側縱向排水高程相應需要降低，這樣導致開槽斷面加大且橫向排水斷面為漸變式，開挖量大，且施工麻煩。斜向布置則可便避免這種情況，橫向排水充分利用泄槽底板坡降，采用統一斷面，仍可形成自然排水坡降，施工方便，工程量小。

（2）常規正交排水布置，縱橫向排水管正交，影響了水流交匯效果，交叉處水流方向突然改變，很容易造成局部淤堵，長期運用接口處會發生溢水破壞，影響泄槽安全運行。而斜向布置則可以避免這種情況，使水流流態得到很好改善。

綜合比較，斜向網狀排水布置與常規正交排水布置相比，工程量小，排水流路更通暢，有效提高了排水系統的可靠性。巴家咀溢洪道泄槽排水設計經多方面比較，一改過去沿板縫縱橫正交布置的做法，排水系統采用斜向網狀布置+柔性透水管結構形式。

2.4 斜向網狀排水設計

根據排水量計算結果，考慮基礎的滲透系數計算滲水量大小，進行排水管的直徑選取和間距布置。

（1）排水管排水量計算

根據柔性透水管的滲透能力和管徑大小對排水效果的影響，排水主管采用直徑d=200mm，排水支管采用直徑d=100mm。

式中，a——無因次進水阻力系數，取0.02。

則單根排水管的排水量為：

式中，Ks——排水管周圍基礎的滲透系數，L——排水管長度。

由此計算得單根支管排水管的排水量為1.7L/s。

（2）排水管間距布置

分別進行了8m、10m和12m的間距比較，相應每根排水管的匯水量見表2。

表2 排水管間距對比分析計算表

由表2可知，排水管間距10m對應的匯水量和單根排水管的排水量比較接近，能較充分發揮其排水能力，因此選取10m作為排水管的設計間距。

巴家咀溢洪道泄槽板底縱向沿軸線及左右兩側共鋪設3列管徑200mm的柔性透水管，間距16m～24m；橫向布設管徑100mm的柔性透水管，橫向排水管沿水流方向向下游斜向布置，與縱向排水管夾角150°，間距10.00m，共16列，縱橫向排水管呈“魚刺型”網狀布置，構成泄槽底板的完整封閉排水系統。水流通過比較密集的斜向管網匯集到縱向排水管，縱橫排水管互相貫通，并與鼻坎基底排水設施相互連通成排水體系，將滲水排向下游。

具體布置詳見圖1、圖2。

圖1 巴家咀水庫溢洪道泄槽排水系統布置圖

圖2 縱橫向排水管詳圖

3 結論

溢洪道泄槽底板排水，一般匯水面積比較大，采用常規排水形式，長期運用容易發生淤堵破壞，對建筑物留下安全隱患，是設計一直探索的難題。

巴家咀溢洪道工程排水設計采用了斜向網狀排水結構形式。在該結構型式中，充分利用泄槽本身坡度布設縱向排水主管及與其斜交的橫向管網，使其形成完整、連通的封閉排水系統，即便是局部發生淤堵，其他流路仍能保持暢通，不影響總體排水效果，有效提高了排水設計的可靠性。