石頭河水庫黑溝棄渣壩洪水災害分析及治理方案

晁 艷

（陜西省石頭河水庫管理局，陜西 咸陽 712000）

石頭河水庫黑溝棄渣壩洪水災害分析及治理方案

晁 艷

（陜西省石頭河水庫管理局，陜西 咸陽 712000）

通過對石頭河水庫下游黑溝棄渣壩洪水災害成因及危害進行分析，結合當地水文地質條件，提出壩體防滲加固并修建永久排洪洞的綜合治理方案，為徹底消除安全隱患、降低工程風險提供依據。

黑溝棄渣壩；洪水災害；治理

1 黑溝棄渣壩概況

黑溝河位于石頭河水庫大壩左岸，屬石頭河一級支流，主河道長 5.06 km，流域面積 8.8 km2，常年流量 0.5～0.6 m3/s，多年平均徑流量530萬m3，河水自水庫大壩背水坡腳處流入石頭河。

黑溝棄渣壩是石頭河水庫建設期間產生的廢料棄渣堆積形成的土石混合壩，位于水庫大壩左岸背水坡腳處的黑溝溝口，由大壩和排水涵洞兩部分組成。壩底寬450 m、頂寬236 m，長60 m，海拔高程776 m，最大壩高47m，堆積體量119.5萬m3，壩上方自然形成一個庫容達92.7萬m3的小型水庫[1]。

2011年9月份，黑溝河流域出現連續強降雨過程，累計降雨量達406.9 mm，壩前水位上漲到歷史最高值774.15 m，距壩頂僅剩1.85 m，黑溝棄渣壩成為有潛在潰壩風險的危險壩體。

2 棄渣壩災害成因及危害

2.1 棄渣壩災害成因

（1）黑溝棄渣壩排水涵洞垮塌，壩體泄洪排水不暢。建設時期在712.00 m高程修建了530 m的排水涵洞，由于長期受棄渣重力作用變形破壞，涵洞出現坍塌堵塞并喪失排水功能，來水只能依靠壩體滲透排出。

（2）洪水攜帶泥沙堵塞壩體排水空隙，壩體滲排水能力下降。流域兩岸多為山前臺地，上部覆蓋著厚約5～35 m的濕陷性的亞粘土，加之上游采石場開山放炮產生大量廢料；受暴雨沖刷產生高泥沙水流下移至壩前，中細顆粒隨水流滲入沉積在壩體內，堵塞了壩體內滲水通道，致使壩前水位和滲水部位高程不斷抬高[2]。

（3）受地形地貌、水文氣候條件影響,黑溝河流域汛期暴雨強度大，降雨歷時長，洪水量超過壩體排水能力，致使短時間內壩前來水量驟增。2011年流域最大降雨強度50 mm/h，累計48h降雨量達147.1 mm，黑溝河實測最大流量8.3 m3/s，涵洞實際排水能力僅0.3 m3/s。致使壩前水位水位上漲迅速，8 h漲幅達4.34 m，此時壩前形成面積5萬m3、庫容18萬m3小水庫。

2.2 黑溝棄渣壩洪水的主要危害

（1）黑溝棄渣壩雖然壩不高，庫容小，由于壩體自然堆積未碾壓穩定性差，且位于水庫大壩泄洪洞口上方附近，一旦發生暴雨洪水，棄渣壩溢流漫頂引發潰壩，泥石流將堵塞水庫泄洪洞口，危及石頭河水庫泄洪安全。

（2）堆渣壩平均高程776 m，潰壩形成的泥石流將嚴重沖刷大壩左壩段下游坡腳砌筑體，石頭河大壩左側會產生失穩風險，大壩安全系數降低。

3 黑溝棄渣除險工程治理方案

雖然采取了加高棄渣壩頂高程、埋設大管徑鋼管自排、架設水泵抽排等措施降低了水位排除了險情，但隱患依然存在，如遇暴雨洪水險情會再次發生，采用工程措施消除隱患勢在必行。

3.1 壩體進行防滲加固處理

黑溝棄渣壩為松散堆體，高水位容易導致壩體滲透破壞，應對其進行防滲處理。上游壩坡原為混合土石結構，按照原坡比1∶2.0對迎水坡表面進行削坡整平，順坡進行碾壓3～5遍，在750 m高程以下用黏土培厚加固，坡比控制在1∶2.25，培厚加固厚度2.0～2.5 m，壓實度控制在96%～98%[3]，為防止培厚加固土體產生滑坡，在壩趾處增設壓腳平臺，平臺寬5.0 m，高3.0 m，坡比1∶2.5，對壩體軸線上游750 m高程以下采用0.8∶1濃度水泥漿灌漿處理，對壩體兩端岸坡和培厚加固層接頭處進行開挖回填夯實處理，開挖夯實深度為1 m，寬度2.5 m，以減少壩體滲流量，降低滲透破壞風險。

3.2 修建永久排洪隧洞

3.2.1 洞線選擇和布置

根據當地地形地質條件，經現場測量勘察選線，在壩體左岸修建永久排洪隧洞較為合理，左岸巖層在750.5 m高程處已裸露，屬于Ⅲ類深灰色云母石英片巖和弱風化輝長巖[2]，巖石基本穩定。隧洞進口布置在黑溝壩上游巖石突出位置，進口高程初步選定為738 m，主洞采用段直線并用150 m半徑弧線結合方式,出口布置在泄洪洞出口下游40 m，隧洞出口修建長約50 m的矩形明槽跨越公路，出口洞線與泄洪洞線成小銳角布設，直接將黑溝洪水排至石頭河泄洪洞出口沖刷坑。

3.2.2 隧洞襯砌

隧洞進口位置定在738 m高程，根據地質條件，隧洞進口和洞身都在巖層區，對洞口風化層巖石進行剝離修建城門洞型洞臉，主隧洞用30 cm厚的C20鋼筋混凝土襯砌，隧洞出口巖層上部覆蓋的9 m厚礫石土開挖清理，并修建隧洞出口洞臉。

3.2.3 設計和校核洪水流量計算

計算依據設計規范，棄渣壩按照小（Ⅱ）水庫標準進行設計，設計洪水標準20年一遇，校核洪水標準300年一遇[4]。利用降雨-產流公式（Qm=0.278F）[5]對石頭河流域水文資料進行分析計算，得到黑溝河流域設計洪水流量Q=36 m3/s，校核洪水流量Q=76 m3/s。

3.2.4 隧洞參數確定和泄洪安全分析

排洪隧洞進口高程738 m，高于壩前底部淤積高程0.5 m，主洞采用寬2 m，高2.8 m直墻弧拱型隧洞，長度685.6 m，縱向比降1/23，隧洞出口采用矩型明槽加挑流坎設計，挑流底坎高程初步定為707.3 m，比水庫泄洪洞出口挑坎底部高程705.32 m高出1.98 m，在水庫最大泄洪918 m3/s時下游河道水位702.12 m，排洪洞底坎高于泄洪河道水位5.18 m。

按照設計洞型尺寸和參數、及設計洪水、校核洪水分別進行泄洪計算，結合黑溝棄渣壩水位-庫容關系曲線、排洪泄流曲線(圖 1）,計算得出：

圖1 排洪隧洞泄流曲線

（1）設計洪水經調節后的最高水位為742.66 m，相應最大泄流量34.3 m3/s調洪庫容為2.86×104m3；校核洪水經調節后的最高水位為747.57 m，相應最大泄流量68.1 m3/s，調洪庫容為7.21×104m3，壩前水位上升不會太高，壩體相對安全。

（2）水庫泄洪期間，排洪洞在設計泄流情況下，挑流長度18 m，洪水挑射到下游河道沖刷坑而排洪出口不會被淹沒，也不會產生兩洞挑流對沖情況，兩洞泄洪互不影響比較安全。

4 結語

按照設計對壩體防滲加固并修建永久排洪洞的綜合治理方案，能夠徹底解決黑溝棄渣壩安全隱患，并為合理利用黑溝水資源奠定基礎。

[1]石頭河水庫志[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[2]童德姝.石頭河水庫工程設計報告[R].陜西省水利電力土木建筑勘測設計院.1990.

[3]SL274-2001,碾壓式土石壩設計規范[S].

[4]SL252-2000,水利水電工程等級劃分及防洪標準[S].

[5]齊志義.寶雞市水文實用手冊[M].西安：陜西省文化廳印刷廠，1990.

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1673-9000（2017）05-0150-01

2017-07-15

晁艷（1972—），女，陜西扶風人，工程師，主要從事水庫防汛和水量優化調度工作。