某淤地壩除險加固中新建溢洪道設計方案探究

劉華亮

（樂陵市水利局,山東 樂陵 253600）

1 工程概況

某淤地壩工程主要是攔截泥沙,蓄洪滯洪,穩定溝坡,減少水土流失等作用, 設計控制面積3.21 km2,總庫容為53 萬m3,其中淤積庫容為24.69 萬m3,防洪庫容為 28.31 萬m3,可淤地面積為4.67 hm2。大壩依據“高壩滯洪管道排清”的原則設計,按土壩、放水建筑物組成,壩體為均質土壩,壩高26 m,壩頂寬4 m, 壩頂長105 m,放水涵管采用Φ600 mm的鋼筋混凝土預制管,總長96m。目前該壩已運行至今18 年,其已淤積庫容為25.25 萬m3,攔沙量為25.25 萬m3,剩余庫容為27.75 萬m3,已淤地面積為 3.90 hm2。根據《水土保持工程設計規范》條文說明中有關規定,無溢洪道的淤地壩工程在淤積庫容淤滿至50%時,應增設溢洪道,本文主要從溢洪道布置、選型、計算結構設計等方面進行溢洪道設計分析,為該淤地壩除險加固設計施工提供方法和依據。

2 溢洪道總體布置

2.1 溢洪道工程地質條件

廟兒溝骨干壩溢洪道布置在壩體右岸,溢洪道進口段地形坡度為10°～20°, 高出溝底約25 m,沿線ft體自然坡度一般為20°～30°,泄槽段地形較為相對平緩,地形坡度 15°左右,進口段～泄槽段地層巖性為第四系全新統濕陷性黃土,該處濕陷性黃土層最厚,厚度約13 m左右,淺黃色,結構松散,含植物根系,分布層厚為2.5 m～3.6 m。勘查期間未見地下水分布,沿線物理地質現象不發育。該段地基土為風積黃土,經對黃土取樣試驗,風積黃土濕陷厚度最深為7.5m,濕陷等級為Ⅲ級（中等嚴重）自重濕陷性。

溢洪道消力池及出水渠段,位于溝底,地形平坦,地形坡度8°左右,覆蓋層巖性為第四系全系統濕陷性黃土,底板深度為4.4 m,基巖巖性為下更新統泥巖,強風化厚度0.6 m。消能段、出水渠地下水位埋深約1.5 m～3.0 m,基礎開挖受地下水的影響,建議施工時做好相應的排水措施。

2.2 溢洪道位置選擇

為不影響已建壩體的整體穩定,此工程選擇岸邊式溢洪道,骨干壩下游有寺廟房屋及道路,無直接排水條件,右岸壩肩向山體延伸較深,山勢較大, 經現場多次踏勘,及結合當地現場實際情況及地質條件、施工條件、工程量、工程投資等方面考慮[1],本次設計擬在右岸布置溢洪道,并向外側延伸穿越右岸山體末端,經右岸支溝排向下游。

2.3 溢洪道建筑物型式選擇

此次工程根據地形條件采用暗涵式正槽溢洪道,溢洪道由進水渠、控制段、泄槽段、消力池、出水渠等組成。進水渠采用矩形鋼筋混凝土結構、溢流堰采用結構簡單、施工方便、對承載能力較差的土基較為適用的寬頂堰,堰底與引水渠底板同高。泄槽段采用矩形鋼筋混凝土結構,溢洪道出口消能段采用底流式消能, 消力池采用矩形鋼筋混凝土水池結構。

2.4 溢洪道總體布置

骨干壩溢洪道布置在壩右岸,采用開敞式正槽溢洪道,不設閘門,溢洪道總長 214.0 m,總落差25.20 m,溢洪道由進水渠段、控制段、泄槽、消力池、出水渠等組成,引水喇叭口及溢流堰首端底板高程為2091.00 m,溢洪道全段采用 C25F200 W4 鋼筋砼現澆結構。

3 溢洪道設計

3.1 骨干壩調洪驗算

（1）洪水標準及洪峰流量

骨干壩控制面積為3.21 km2,設計總庫容為53 萬m3,根據水文計算成果, 該骨干壩300 年一遇區間校核洪水總量為28.31 萬m3,校核洪峰流量為22.14 m3/s。

（2）骨干壩調洪方式

為保證下游村莊、道路及耕地的安全,本次設計骨干壩增設洪道,其調洪方式主要以下游溝道的過流能力、下游保護對象及淤地壩的病險程度為依據。根據下游溝道的過流能力、下游保護對象及淤地壩的病險程度 3 方面的分析論證,本次設計骨干壩增設溢洪道,為減小溢洪道下泄流量,開挖量及斷面尺寸, 降低投資等綜合考慮[2],此次增設溢洪道以泄洪保壩為目的,防止以后洪水漫壩等危險,并保留一定防洪庫容進行洪水調節,擬定溢洪道底板高程為2091.00 m。

（3）骨干壩調洪演算

該骨干壩上游無串聯攔水壩,故本次設計調洪演算按單壩進行分析, 設計調洪演算按300 年一遇校核洪水考慮,計算式采用《水土保持治溝骨干工程技術規范》中單壩調洪演算公式,本文不再贅述,調洪演算成果見表1和表2。

表1 廟兒溝校核洪水調洪演算計算結果表

表2 廟兒溝校核洪水調洪演算計算結果表

假定溢洪道底寬為3.0 m,根據調洪演算得廟兒溝骨干壩設計洪水調洪演算的下泄流量為8.69 m3/s,水深為1.6 m；校核洪水調洪演算下泄流量為14.67 m3/s,水深為2.2 m。

3.2 溢洪道結構設計

溢洪道全段采用C25F200 W4 鋼筋砼現澆結構。溢洪道結構設計如下：

（1）進水渠段（喇叭口段）

溢洪道K0+000～K0+006.00為進水渠喇叭口段,首端底板高程為2091.0 m,喇叭口首端寬7.0 m,進水渠段側墻高與溢流堰側墻高相同,底板厚0.3 m,側墻高2.4 m,厚 0.3 m,進水渠段漸變段樁號為K0+006.00～K0+034.50,長28.5 m,漸變段起點高程為 2091.0 m,其中K0+019.00～K0+031.5 為漸變段的轉彎段,轉彎半徑為26.5 m, 轉彎夾角為38°,轉彎弧長為12.5 m,進水渠段全部采用C25 F200 W4 鋼筋混凝土結構,基礎鋪設0.5 m厚三七灰土墊層,灰土墊層上為了施工方便,可澆10 cmC10 素砼。

（2）控制段（溢流堰段）

溢流堰采用結構簡單、施工方便、對承載能力交差的土基較為適用的寬頂堰, 溢流堰長度一般取堰上水深的3～6 倍[3],本次設計溢流堰長度為8.00 m,樁號為K0+034.50～K0+042.50,堰頂高程為2091.0 m,溢流堰橫斷面采用矩形斷面,底寬 3.0 m,底板厚0.3m,側墻高2.4 m,厚0.3 m,結構采用C25 F200 W4鋼筋砼現澆結構。基礎鋪設為0.5 m厚三七灰土墊層,灰土墊層上為了施工方便,可澆10 cm 素砼。

（3）泄槽段

泄槽樁號為K0+042.50～K0+197.50,長155.0 m,該段為暗渠,蓋板厚0.2 m,全段 采用矩形C25F 200 W4 鋼筋混凝土現澆結構, 其中泄槽 樁號K0+042.50～K0+52.50為泄槽邊墻高度漸變段,邊墻由2.4 m高度漸變為1.6 m, 設計比降i=1/6.6,泄槽基礎底部鋪設0.5 m厚三七灰土墊層,灰土墊層上為了施工方便,可以澆10 cm素砼。

1）泄槽斷面尺寸泄槽臨界水深hk和臨界底坡ik計算

式中：hk為臨界水深,m；q為泄槽單寬流量,m3/（s·m）；α為系數,可取1.1,臨界水深計算要素表見表3。

表3 臨界水深計算要素表

2）正常水深 h0計算

泄槽采用矩形C25鋼筋混凝土現澆結構,設計比降i=1/6.6,底寬為 3.0 m,正常水深h0根據《水土保持治溝骨干工程技術規范》中明渠均勻流計算公式進行試算。泄槽正常水深h0計算表見表4。

表4 泄槽正常水深h0計算表

3)泄槽水面線計算

計算泄槽水面線時,應采用《溢洪道設計規范》附錄A中泄槽水力計算法,根據能量方程用分段求計算沿程的水深,計算公式不在列出。計算時,設計流量Q為8.69 m3/s,流速分布不均勻系數取值為1.05。

泄槽上游接控制段,因此可將起始計算斷面定在泄槽首部,水深 h1取用控制段末端水深h=0.99 m,假定各計算斷面水深分別為0.99 m、0.8 m、0.7 m、0.6 m、0.5 m、0.4、0.31。當計算斷面為正常水深h0=0.31 m時,計算ΣS=49.10 m,遠小于泄槽長度 Ls=155 m,因此推斷泄槽末端水深為 0.31 m。泄槽水面線推算見表5。

表5 泄槽最大下泄流量時水面曲線推算表

4）泄槽段水流摻氣水深計算

本溢洪道流速均小于于10 m/s,不考慮摻氣水深,安全超高取0.5 m～1.5 m, 加安全超高0.50 m,則泄槽側墻高取1.6 m,大于校核洪水的臨界水深1.41 m。

（4）消力池結構設計

消力池采用底流消能方式,消力池寬度 B=3 m。消力池采用 C25 F200 W4 鋼筋混凝土結構,蓋板厚0.2 m,側墻厚0.5 m,底板厚0.5 m,側墻高為2.8 m,混凝土外表層 涂瀝青和鋪設規格為550 g/m2復合土工膜,樁號為K0+0197.50～K0+209.00,長11.5 m,參照地勘意見,基礎鋪設0.50 m厚砂礫石墊層,防止產生凍脹破壞,方便施工可在砂礫石上澆10 cmC10 素砼。消力池底板為防止底部地下水冬季凍脹產生抬升破壞混凝土基礎,布設直徑為25 mm的排水管,呈梅花型布置,間距為1.5 m×1.5 m。

（5）出水渠

出水渠樁號為K0+209.00～K0+214.00,長5 m,消力池采用C25F200W4 鋼筋砼現澆,設計比降 i=1/100,底寬3.0 m,底板厚0.3 m,水深0.77 m,槽深1.3 m,大于校核洪水的出水渠水深1.12 m,側墻厚0.3 m,混凝土外表層涂一層瀝青并鋪設規格為 550 g/m2復合土工膜,基礎鋪設0.50 m厚砂礫石墊層,防止產生凍脹破壞,為方便施工可在砂礫石上澆10 cmC10 素砼。

4 結論及建議

該淤地壩壩體下游2.5 km 溝口有京藏鐵路、2.6 km處有蘭西高速公路及七里店村（468 人）、22.45 hm2農田耕地等重要保護對象,鐵路橋涵凈空4.2 m,村莊較低住戶距溝底3.9 m,通過本次除險加固工程建設,能夠確保壩體下游居民生命財產安全,確保下游地區的社會經濟的發展,村民免受骨干壩洪水的威脅。