柳林泉補水項目設計與分析

劉耀文

（柳林縣水利局，山西 柳林 033300）

1 概況

柳林泉是呂梁市最大的巖溶泉，也是山西省十大泉之一。泉域范圍主要涉及離石區(qū)、方山縣全域，中陽縣、柳林縣大部，臨縣東部、南部及興縣南部，總面積6 274 km2。柳林泉域巖溶地下水是呂梁市區(qū)、中陽和柳林縣城供水以及六縣（區(qū)）部分農村生活用水和工業(yè)用水的主要來源，對保障泉域內各縣（區(qū)）城鄉(xiāng)居民飲水安全、生態(tài)環(huán)境平衡、經濟快速發(fā)展、社會全面進步，以及離柳能源基地建設具有重要的支撐作用。由于近年來氣候變化及泉域內礦產開采滲漏、巖溶地下水超采、地表水補給減少，導致柳林泉呈現出流明顯衰減，且衰減速度逐年加快的趨勢；已嚴重危及泉域內六縣（區(qū)）人民生活用水保障和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此，通過修建滲漏壩攔洪蓄水，增加巖溶地下水的補給量，是十分必要的，既對保護柳林泉起到了積極作用，又能改善庫區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境。

柳林泉補水項目于家溝滲漏壩位于呂梁市柳林縣于家溝村，處于柳林泉域補給區(qū)，山西省水文西區(qū)產流地類為灰?guī)r灌叢山地。項目擬建4 座滲漏壩，工程等別為Ⅴ等，主要建筑物為5 級，次要建筑物為5 級，臨時建筑物為5 級。工程區(qū)設計基本地震峰值加速度值為0.05 g，特征周期值為0.45 s，抗震設防烈度為6 度。

2 水文

2.1 防洪標準及設計洪水分析計算

本次滲漏壩設計防洪標準為30 年一遇，校核防洪標準為200 年一遇。該項目4 座滲漏壩都位于主溝道內，上游壩對洪水的調節(jié)作用，改變了下游天然洪水的時程分配及峰、量大小，從而直接影響下游壩的設計洪水計算。分析設計斷面的洪水就需要考慮上游壩的下泄洪水和上游壩～下游壩址區(qū)間洪水的遭遇和組合，因此，設計斷面洪水推求采用同頻率地區(qū)洪水組成法。該法是根據防洪要求，指定某一個分區(qū)出現與下游設計斷面同頻率的洪量，其余各分區(qū)的相應洪量按實際洪量組成比例分配。設計斷面以上分為上游壩址和區(qū)間兩個分區(qū)。從流域內面積與洪量分配關系考慮，本次同頻率地區(qū)組成按最不利情況考慮，方案為：“上游壩址與設計斷面同頻率，區(qū)間相應”，即當設計斷面發(fā)生頻率為P 的設計洪水（以設計洪量表示）W設，P時，上游壩址也發(fā)生同頻率洪水W上游壩，P，區(qū)間發(fā)生相應的洪水W區(qū)間，即W區(qū)間=W設，P-W上游壩，P。

以同頻率的上游壩址下泄洪水與相應的區(qū)間洪水疊加，推求設計斷面洪峰流量。

本次設計洪水計算需要進行滲漏壩的洪水調節(jié)計算，雖然推理公式法的理論比較完備，《山西省水文計算手冊》也提供了一套完整的運算系統(tǒng)，參數分析所選資料均來自省內成果，但其洪水過程為概化過程線，與實際的洪水過程的擬合程度相差懸殊，用于調洪計算其精度不能保證，因此，各分區(qū)的洪水分析計算采用上述《手冊》中提供的流域模型法。

通過計算得出：1#壩的設計洪水位為1 044.04 m，校核洪水位為1 045.59 m。2# 壩的設計洪水位為1 018.94 m，校核洪水位為1 020.71 m。3#壩的設計洪水位為997.80 m，校核洪水位為999.42 m。4#壩的設計洪水位為974.12 m，校核洪水位為975.49 m。

2.2 設計洪水成果合理性分析

本次對1#～4# 壩各設計斷面進行了3.33%和0.5%的洪水分析計算，分析計算方法采用地區(qū)洪水同頻率組成法和《山西省水文計算手冊》提供的流域模型法。2#壩～4#壩設計斷面洪水計算選用了地區(qū)洪水同頻率組成法，洪水地區(qū)組成是大中型水利水電工程、防洪系統(tǒng)工程設計洪水計算的重要內容。本次分析計算在對各壩址上游洪水來源組成分析的基礎上，擬定了洪水組成的基本方案。用該方案推求的設計斷面洪水計算成果作為設計斷面的設計洪峰流量是安全可靠的。

3 工程地質

據中國巖溶地質研究所資料和踏勘結果，滲漏壩庫區(qū)地層近南北以條狀出露。庫區(qū)內出露有奧陶系上馬家溝組第三系和第四系地層；庫區(qū)處東部出露為寒武系和變質巖地層，西部出露奧陶系峰峰組地層。滲漏壩庫區(qū)僅洪雨季節(jié)有洪水排泄。地下水僅有第四系松散巖類接受降水入滲補給形成的少量地下水，但形不成區(qū)域統(tǒng)一水位，地下水以蒸發(fā)、低洼處倚出地表和越層下滲流出壩庫區(qū)排泄。

壩址區(qū)經踏勘地層巖性簡單，1 號至4 號壩址地層僅有奧陶系灰?guī)r和第四系土類松散層、第四系沖洪卵礫石和砂土三類。奧陶系灰?guī)r向西傾但傾角較小，灰?guī)r單層厚度小，層理明顯，間夾多層細小溶孔，棱角交叉節(jié)理表層發(fā)育。巖性以薄層白云質泥灰?guī)r為主，頂部為薄層狀泥質灰?guī)r居多。第四系土類松散層，只在1 號壩址溝東壩的上部分布，表層為黃土類，巖性為灰黃色砂土為主。第四系沖洪積卵礫石砂土層，僅在3 號、4 號壩址溝谷底不連續(xù)不規(guī)則分布，且厚度小而不一致，巖性為近年小洪水沖積殘留的卵礫、砂土，卵礫棱角明顯，基本無磨圓度，砂土以粉砂為主。

壩址區(qū)地質構造簡單，只有巖層層理，垂直巖層的節(jié)理，以及間夾多層細小溶孔三種現象。壩址區(qū)地下水類型有第四系松散巖類孔隙水和變質巖裂隙水兩種類型。壩址區(qū)河水及第四系孔隙水均屬HCO3—Ca 型水，侵蝕性CO2為零，環(huán)境水對混凝土不具腐蝕性。

壩址區(qū)物理地質現象以風化為主，壩基強風化層基巖變形模量按800～1 000 MPa 考慮，泊松比按0.35考慮；全強風化層凝聚力c 按100 kPa 考慮，φ 值按31°考慮。壩基中等風化層基巖變形模量按2×104MPa考慮，泊松比按0.18～0.20 考慮。

根據勘測結果，將壩基風化層全部清理，壩體直接座在新鮮基巖上，即可解決壩基滲漏、保證滲透穩(wěn)定性；各壩址處左右壩肩基巖裸露，清除風化表層后將壩肩頂在新鮮基巖上，不存在明顯繞壩滲漏問題；兩岸巖體完整，巖性較硬，自然坡角在40°—55°，壩坡較穩(wěn)定。

4 滲漏壩主體設計及穩(wěn)定計算

結合地質情況和實地地形，4 座滲漏壩座于基巖上，型式采用堆石自密實混凝土重力壩，頂寬3.0 m，1#壩、2#壩、3#壩、4#壩從上到下依次布置。上游壩坡1∶0.1，下游壩坡1∶0.5。中間設6 m 寬溢流孔，溢流孔分別高2.59 m、2.71 m、2.42 m、2.49 m。溢流段表層為厚20 cm 的C25 混凝土溢流面，由WES 曲線段、直線段和反弧段組成。溢流壩段采用挑流消能方式，溝道下游底部為基巖，不進行防護。

滲漏壩入庫泥沙較小，基流穩(wěn)定且基流流量較小，洪水在庫區(qū)調節(jié)后全部從溢流孔通過，不設其它泄洪設施。泥沙和洪水主要由1#壩攔截調蓄，1#壩設置沖沙管和放水管，當1#壩達到淤積年限時，打開沖沙孔并進行沖淤，2#壩、3#壩和4#壩只設置放水管。滲漏壩參數見表1。

表1 滲漏壩參數表

壩體受力情況：大壩受自身重力、水壓力、飽和土壓力、揚壓力和冰壓力。水壓力按靜水總壓力計算；本次壩基未設防滲帷幕和上游排水孔，壩底處的揚壓力和飽和土壓力為梯形分布；冰壓力按靜冰壓力計算，冰層厚度按80 cm 計算，查表B.4.1 為215 KN/m，將表中值乘以0.87 后按187.05 KN/m 計算冰壓力。經過對地基承載力、抗傾和抗滑計算，均能滿足穩(wěn)定要求。

5 大壩堆石混凝土施工

土、石方開挖前首先考慮土石方平衡問題，通過合理調配施工工序，最大限度減少物料往返運輸。壩基開挖到新鮮基巖后，先對基巖面進行清理，又用水沖洗干凈，切實做到沒有浮渣、雜物等；然后放線安裝模板，模板采用膠木板、每層立模高度為1 m。模板安裝好后，進行堆石填裝，堆石入倉前先對石塊進行沖洗、嚴禁把雜物帶進倉面內；使用挖掘機進行堆石入倉作業(yè)，人工輔助平倉，堆石高度基本與模板頂部齊平。

堆石入倉就緒后，進行自密實混凝土澆注作業(yè)，使用泵送混凝土直接澆入倉內，一直澆到本倉頂部以下10 cm 處。預留堆石頂10 cm 厚不澆注，作為下一倉的接茬；在上層澆筑前，先對下層的施工縫面，進行沖洗或鑿毛處理。壩體各層內橫向每20 m 設一道貫通上下游坡面的伸縮縫，伸縮縫采用上游不銹鋼和橡膠止水帶兩道止水，并用水泥封口。

6 運行管護

為加強水庫管理，結合自然地理條件和當地情況，參照《水庫工程管理設計規(guī)范》（SL106—96），確定滲漏壩的工程管理范圍和保護范圍。滲漏壩庫區(qū)的管理范圍在淹沒線以下；滲漏壩壩體管理范圍為上游從壩軸線向上水平延伸150 m，下游從壩腳線向下150 m，大壩兩端向外水平各延伸200 m；滲漏壩保護范圍：由壩址以下、庫區(qū)兩岸向外延伸50 m，以上至第一道分水嶺脊線之間的陸地。

總的管護原則是：局部服從總體，興利服從防洪。即以防洪安全為前提，合理調配水資源。水庫的泄水設施主要為溢流孔，要建立調度值班制度，隨時掌握雨情、水情、險情等情況，及時向領導匯報，以保證調度運用計劃的貫徹落實。

工程的養(yǎng)護維修是工程管理的常規(guī)工作，對所屬機械設備進行定期養(yǎng)護，對檢查出的工程問題，根據具體情況，確定具體方案，及時進行維修，以確保工程永續(xù)利用。