老爺山塘壩工程設(shè)計(jì)綜述

孫景鵬

（長(zhǎng)治市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 長(zhǎng)治 046000）

1 設(shè)計(jì)背景

老爺山位于長(zhǎng)治市屯留區(qū)西北部25 km處，山頂三峰鼎峙而立，最高峰麟山海拔1 266 m。根據(jù)老爺山的資源優(yōu)勢(shì)，屯留區(qū)政府提出了以開(kāi)發(fā)上黨戰(zhàn)役為主題的紅色基地，以后羿射日為底蘊(yùn)的古色基地，以綠色植被為依托的生態(tài)基地，打造“上黨戰(zhàn)役紀(jì)念地”紅色品牌，建設(shè)愛(ài)國(guó)主義和革命傳統(tǒng)教育基地，大力弘揚(yáng)愛(ài)國(guó)主義精神，挖掘羿神文化，打造獨(dú)具特色的旅游品牌。

屯留區(qū)政府-老爺山-屯絳水庫(kù)旅游公路是為發(fā)展紅色旅游而立項(xiàng)建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施之一。旅游公路6+560—6+760段，是鄰近老爺山景區(qū)核心部分（老爺山大酒店、接待中心）的一處跨溝路段。此段原公路設(shè)計(jì)為在溝底設(shè)城門(mén)型排洪涵，為配合景區(qū)旅游發(fā)展，建議該段公路按“路壩結(jié)合”進(jìn)行建設(shè)。

2 工程任務(wù)及規(guī)模

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2017）；《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-2014）；《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2018）；《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL189-2013）；《水利工程水利計(jì)算規(guī)范》（SL104-2015）；《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015）；《工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性條文水利工程部分（2016版）》以及其他國(guó)家頒發(fā)的現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 工程任務(wù)

通過(guò)建設(shè)老爺山塘壩，可因地制宜地利用地形條件，有效攔蓄雨洪水。塘壩建設(shè)可形成1.08萬(wàn)m2（對(duì)應(yīng)洪水位1 126.4 m）的自然水面，成為老爺山景區(qū)內(nèi)重要的景觀(guān)節(jié)點(diǎn)。形成以“水文化”展示為特色，包括休閑旅游、商務(wù)度假等多功能綜合的觀(guān)光景點(diǎn)。塘壩的建設(shè)符合當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)規(guī)劃和利益需求，可有效促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

2.3 工程規(guī)模

依據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2017），老爺山塘壩屬小（2）型工程。工程等別為Ⅴ等，主要建筑物為5級(jí)，次要建筑物為5級(jí)，臨時(shí)工程為5級(jí)。水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。由于不布置溢洪道，按特殊狀況200年一遇標(biāo)準(zhǔn)校核，達(dá)到洪水不漫壩。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，工程設(shè)防烈度為Ⅵ度。

3 工程布置及建筑物

3.1 工程總布置

老爺山塘壩工程為屯留縣城-老爺山-屯絳水庫(kù)旅游公路鄰近老爺山大酒店的一處跨溝路段，壩址位于老爺山景區(qū)下游約450 m的河谷進(jìn)口處。攔河壩布置占據(jù)整個(gè)河床，壩頂總長(zhǎng)200 m，壩頂寬22.15 m，壩頂高程1 132.41 m，最大壩高32.4 m。大壩樁號(hào)0+000對(duì)應(yīng)旅游公路樁號(hào)6+760，大壩0+200對(duì)應(yīng)公路樁號(hào)6+560，大壩整段呈弧形，壩軸線(xiàn)半徑135 m，圓心位于大壩下游河溝中，圓心角85°，塘壩樞紐工程由攔河壩、放水涵臥管兩大建筑物組成。

3.2 塘壩工程設(shè)計(jì)

3.2.1 壩頂高程確定

（1）風(fēng)浪要素

老爺山塘壩風(fēng)浪要素采用鶴地公式計(jì)算：

式中：2h——平均波高，m；

2L——平均波長(zhǎng)，m；

V——計(jì)算風(fēng)速，m/s，對(duì)于正常運(yùn)用，取多年平均最大風(fēng)速的1.5倍；對(duì)于非常運(yùn)用，取多年平均最大風(fēng)速，21 m/s；

D——水庫(kù)吹程，km，取0.2 km。

（2）風(fēng)浪爬高

壩坡上平均風(fēng)浪爬高按以下公式計(jì)算：

式中：KΔ——斜坡的糙率滲透性系數(shù)，按規(guī)范取0.8；

KW——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取1.05～1；

m——斜坡的坡度系數(shù)。

根據(jù)以上方法計(jì)算出風(fēng)浪要素，設(shè)計(jì)風(fēng)浪爬高對(duì)于5級(jí)壩采用累積頻率為5%、0.5%的爬高值R5%、R0.5%，詳見(jiàn)表1。

表1 要求的壩頂在靜水位以上超高成果表

（3）壩頂超高

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（SL189-2013），壩頂在靜水位以上的超高由下式確定：

式中：y——壩頂超高，m；

R——風(fēng)浪沿著壩坡的最大波浪，m；

A——安全加高，m，正常運(yùn)用情況取0.5 m，非常情況取0.3 m。

由此計(jì)算出的設(shè)計(jì)和校核情況下的超高見(jiàn)表2。

表2 老爺山塘壩壩頂高程復(fù)核情況表

3.2.2 大壩斷面設(shè)計(jì)

大壩基本斷面呈梯形，壩頂高程為1 132.41 m，最大壩高32.4 m，壩頂長(zhǎng)200 m，壩頂寬度為22.15 m。壩頂高程1 132.41 m以上至路面高程（1 133.0 m～1 134.2 m）由公路部門(mén)自行設(shè)計(jì)施工。

上游壩坡1 126.4 m馬道高程至壩頂采用漿砌石拱形網(wǎng)格草皮護(hù)坡，每?jī)蓚€(gè)拱形網(wǎng)格之間高差1.19 m，馬道高程以下至壩踵采用漿砌石網(wǎng)格內(nèi)插干砌石護(hù)坡，漿砌石網(wǎng)格每隔6 m設(shè)一道阻滑墻，高差2 m，阻滑墻（寬×深）0.6×1.5 m，以利護(hù)坡穩(wěn)定干砌石護(hù)砌厚度300 mm，下設(shè)置反濾墊層，墊層采用d10～d30碎石厚150 mm，d1～d15砂層厚150 mm。并在護(hù)坡末端1 122.0 m處設(shè)M7.5漿砌石護(hù)腳。建成后壩面坡度路面高程（1 134.2—1 133.0 m)—壩頂高程1 132.41 m、1 132.41—1 126.4 m，壩坡為1∶2.5；高程1 126.4—1 112.4 m，壩坡比1∶3。

下游壩坡護(hù)坡形式與上游壩坡基本一致，只是馬道高程為1 122.0 m。建成后壩面坡度路面高程（1 134.2—1 133.0 m）—壩頂高程1 132.41 m、1 132.41—1 122.0 m，壩坡為1∶2.5，高程1 122.4—1 103.0 m，壩坡比為1∶3。

為防止雨水沖刷上、下游壩坡，在壩坡及壩坡與岸坡連接處、馬道內(nèi)側(cè)設(shè)置設(shè)縱橫向連通的排水溝，將壩面集水和岸坡集水引向下游。排水溝采用漿砌塊石砌筑，橫向排水溝沿壩軸線(xiàn)每隔50 m設(shè)置一條，上下游共7條。岸坡排水溝及壩頂排水溝斷面為0.6 m×0.5 m（寬×深）；橫向排水溝結(jié)合漿砌石網(wǎng)格設(shè)置，寬度4.0 m，深度3.0 m；馬道內(nèi)側(cè)縱向排水溝寬度4.0 m，深度3.0 m，其中岸坡排水溝以及橫向排水溝為臺(tái)階式消能泄水。

為改善壩體的滲流條件、降低浸潤(rùn)線(xiàn)，增強(qiáng)壩體的抗滑穩(wěn)定性，在下游壩腳1 103 m處設(shè)堆石棱體排水，棱體頂寬2 m，內(nèi)坡1∶1.5，外坡1∶2，于棱體上游面及基礎(chǔ)底面均設(shè)置2層反濾層，厚度均為0.4 m。

3.3 大壩壩體穩(wěn)定、滲流計(jì)算

3.3.1 大壩加固后壩體穩(wěn)定分析計(jì)算

（1）計(jì)算工況

根據(jù)《導(dǎo)則》（SL189—96）要求，壩坡穩(wěn)定計(jì)算工況：P=10%洪水最高水位1 026.40 m時(shí)上游壩坡穩(wěn)定；P=10%洪水最高水位1 026.40 m時(shí)下游壩坡穩(wěn)定；設(shè)計(jì)洪水位1 126.40 m驟降至死水位1 116.20 m時(shí)上游壩坡穩(wěn)定。

（2）計(jì)算參數(shù)

根據(jù)老爺山塘壩工程地質(zhì)勘察資料確定有關(guān)參數(shù)，詳見(jiàn)表3。

表3 土力學(xué)指標(biāo)

（3）計(jì)算方法與計(jì)算斷面

壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法為不計(jì)及條塊間作用力的瑞典圓弧法。計(jì)算斷面選擇一個(gè)代表斷面，即大壩最大斷面樁號(hào)0+112處。

（4）穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

老爺山塘壩為5級(jí)建筑物，依據(jù)《導(dǎo)則》（SL189—96）正常運(yùn)用條件下壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)最小值為1.15，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表4 大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

（5）評(píng)價(jià)

從大壩穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果看，大壩上下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的最小值，滿(mǎn)足抗滑穩(wěn)定安全要求。

3.3.2 大壩壩體滲透穩(wěn)定分析計(jì)算

（1）計(jì)算工況

本工程計(jì)算上游P=10%洪水最高水位1 126.40 m與下游相應(yīng)最低水位時(shí)的滲流工況。

（2）計(jì)算參數(shù)

根據(jù)老爺山塘壩工程工程地質(zhì)勘察資料確定有關(guān)參數(shù)。

（3）計(jì)算方法與計(jì)算斷面

取典型剖面，采用二維滲流有限元法進(jìn)行滲流計(jì)算分析。滲流計(jì)算斷面選擇主河槽最大斷面樁號(hào)0+112 m處。

（4）滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

根據(jù)老工程地質(zhì)勘察資料，壩體土主要由低液限粘土組成，壩體土的滲透變形破壞類(lèi)型為流土，允許水力坡降為0.5。壩基土滲透變形破壞類(lèi)型為管涌，允許水力坡降為0.3。壩體、壩基的最大水力比降見(jiàn)表5。

表5 大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算成果表

由表5可以看出，大壩最大斷面在P=10%洪水最高水位1 126.4.0 m時(shí)壩基滲透出逸比降小于允許滲透比降；壩體滲透出逸比降小于允許滲透比降。

3.4 放水涵臥管設(shè)計(jì)

為保障塘壩運(yùn)行安全，在塘壩右岸設(shè)置臥管及放水涵管，作為塘壩的放水設(shè)施。放水涵管從壩下垂直穿過(guò)，涵管長(zhǎng)172 m，進(jìn)口采用臥管控制，出口設(shè)排水渠。

3.4.1 臥管設(shè)計(jì)

臥管與岸坡垂直設(shè)置，距大壩右壩肩15 m，C20混凝土現(xiàn)澆，進(jìn)口底高程1 111.3 m，頂高程1 129 m，縱坡1∶3。臥管共15階，每階高1 m，長(zhǎng)3 m，寬1.0 m，總高15 m。進(jìn)水孔為圓形，孔徑400 mm。臥管兩側(cè)岸坡采用M7.5漿砌石襯砌，襯砌寬度兩側(cè)各5 m，厚0.5 m，與臥管同高。臥管末端接一消能井，消能井寬2.5 m，高3 m，C25混凝土現(xiàn)澆。消能井出口接放水涵管，涵管為φ800 mm鋼筋混凝土排水管。

3.4.2 放水涵管設(shè)計(jì)

放水涵管長(zhǎng)172 m，縱坡0.07。涵管斷面規(guī)格為鋼筋混凝土排水管φ800×2 000×80 mm（管內(nèi)徑×長(zhǎng)度×壁厚）。為防止壩下涵管產(chǎn)生環(huán)向的裂縫。鋼筋混凝土排水管接口采用柔性企口式，橡膠圈密封止水，在涵管外圍采用C25混凝土包管，以增加涵管基礎(chǔ)的整體性，減少沿涵管軸線(xiàn)方向的不均勻沉陷。涵管出壩后設(shè)排水渠，渠長(zhǎng)30 m，前10 m采用C25混凝土整體現(xiàn)澆，后20 m采用M7.5漿砌石結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)老爺旅游公路“路壩結(jié)合”塘壩設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)足交通設(shè)計(jì)前提下，因地制宜地利用地形條件，有效控制和利用洪雨水量，形成自然水面景觀(guān)，對(duì)景區(qū)山水依連起到錦上添花的效果，符合當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)規(guī)劃和利益需求，可有效促進(jìn)該區(qū)域旅游、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。