刘华亮

（乐陵市水利局,山东 乐陵 253600）

1 工程概况

某淤地坝工程主要是拦截泥沙,蓄洪滞洪,稳定沟坡,减少水土流失等作用, 设计控制面积3.21 km2,总库容为53 万m3,其中淤积库容为24.69 万m3,防洪库容为 28.31 万m3,可淤地面积为4.67 hm2。大坝依据“高坝滞洪管道排清”的原则设计,按土坝、放水建筑物组成,坝体为均质土坝,坝高26 m,坝顶宽4 m, 坝顶长105 m,放水涵管采用Φ600 mm的钢筋混凝土预制管,总长96m。目前该坝已运行至今18 年,其已淤积库容为25.25 万m3,拦沙量为25.25 万m3,剩余库容为27.75 万m3,已淤地面积为 3.90 hm2。根据《水土保持工程设计规范》条文说明中有关规定,无溢洪道的淤地坝工程在淤积库容淤满至50%时,应增设溢洪道,本文主要从溢洪道布置、选型、计算结构设计等方面进行溢洪道设计分析,为该淤地坝除险加固设计施工提供方法和依据。

2 溢洪道总体布置

2.1 溢洪道工程地质条件

庙儿沟骨干坝溢洪道布置在坝体右岸,溢洪道进口段地形坡度为10°～20°, 高出沟底约25 m,沿线ft体自然坡度一般为20°～30°,泄槽段地形较为相对平缓,地形坡度 15°左右,进口段～泄槽段地层岩性为第四系全新统湿陷性黄土,该处湿陷性黄土层最厚,厚度约13 m左右,浅黄色,结构松散,含植物根系,分布层厚为2.5 m～3.6 m。勘查期间未见地下水分布,沿线物理地质现象不发育。该段地基土为风积黄土,经对黄土取样试验,风积黄土湿陷厚度最深为7.5m,湿陷等级为Ⅲ级（中等严重）自重湿陷性。

溢洪道消力池及出水渠段,位于沟底,地形平坦,地形坡度8°左右,覆盖层岩性为第四系全系统湿陷性黄土,底板深度为4.4 m,基岩岩性为下更新统泥岩,强风化厚度0.6 m。消能段、出水渠地下水位埋深约1.5 m～3.0 m,基础开挖受地下水的影响,建议施工时做好相应的排水措施。

2.2 溢洪道位置选择

为不影响已建坝体的整体稳定,此工程选择岸边式溢洪道,骨干坝下游有寺庙房屋及道路,无直接排水条件,右岸坝肩向山体延伸较深,山势较大, 经现场多次踏勘,及结合当地现场实际情况及地质条件、施工条件、工程量、工程投资等方面考虑[1],本次设计拟在右岸布置溢洪道,并向外侧延伸穿越右岸山体末端,经右岸支沟排向下游。

2.3 溢洪道建筑物型式选择

此次工程根据地形条件采用暗涵式正槽溢洪道,溢洪道由进水渠、控制段、泄槽段、消力池、出水渠等组成。进水渠采用矩形钢筋混凝土结构、溢流堰采用结构简单、施工方便、对承载能力较差的土基较为适用的宽顶堰,堰底与引水渠底板同高。泄槽段采用矩形钢筋混凝土结构,溢洪道出口消能段采用底流式消能, 消力池采用矩形钢筋混凝土水池结构。

2.4 溢洪道总体布置

骨干坝溢洪道布置在坝右岸,采用开敞式正槽溢洪道,不设闸门,溢洪道总长 214.0 m,总落差25.20 m,溢洪道由进水渠段、控制段、泄槽、消力池、出水渠等组成,引水喇叭口及溢流堰首端底板高程为2091.00 m,溢洪道全段采用 C25F200 W4 钢筋砼现浇结构。

3 溢洪道设计

3.1 骨干坝调洪验算

（1）洪水标准及洪峰流量

骨干坝控制面积为3.21 km2,设计总库容为53 万m3,根据水文计算成果, 该骨干坝300 年一遇区间校核洪水总量为28.31 万m3,校核洪峰流量为22.14 m3/s。

（2）骨干坝调洪方式

为保证下游村庄、道路及耕地的安全,本次设计骨干坝增设洪道,其调洪方式主要以下游沟道的过流能力、下游保护对象及淤地坝的病险程度为依据。根据下游沟道的过流能力、下游保护对象及淤地坝的病险程度 3 方面的分析论证,本次设计骨干坝增设溢洪道,为减小溢洪道下泄流量,开挖量及断面尺寸, 降低投资等综合考虑[2],此次增设溢洪道以泄洪保坝为目的,防止以后洪水漫坝等危险,并保留一定防洪库容进行洪水调节,拟定溢洪道底板高程为2091.00 m。

（3）骨干坝调洪演算

该骨干坝上游无串联拦水坝,故本次设计调洪演算按单坝进行分析, 设计调洪演算按300 年一遇校核洪水考虑,计算式采用《水土保持治沟骨干工程技术规范》中单坝调洪演算公式,本文不再赘述,调洪演算成果见表1和表2。

表1 庙儿沟校核洪水调洪演算计算结果表

表2 庙儿沟校核洪水调洪演算计算结果表

假定溢洪道底宽为3.0 m,根据调洪演算得庙儿沟骨干坝设计洪水调洪演算的下泄流量为8.69 m3/s,水深为1.6 m；校核洪水调洪演算下泄流量为14.67 m3/s,水深为2.2 m。

3.2 溢洪道结构设计

溢洪道全段采用C25F200 W4 钢筋砼现浇结构。溢洪道结构设计如下：

（1）进水渠段（喇叭口段）

溢洪道K0+000～K0+006.00为进水渠喇叭口段,首端底板高程为2091.0 m,喇叭口首端宽7.0 m,进水渠段侧墙高与溢流堰侧墙高相同,底板厚0.3 m,侧墙高2.4 m,厚 0.3 m,进水渠段渐变段桩号为K0+006.00～K0+034.50,长28.5 m,渐变段起点高程为 2091.0 m,其中K0+019.00～K0+031.5 为渐变段的转弯段,转弯半径为26.5 m, 转弯夹角为38°,转弯弧长为12.5 m,进水渠段全部采用C25 F200 W4 钢筋混凝土结构,基础铺设0.5 m厚三七灰土垫层,灰土垫层上为了施工方便,可浇10 cmC10 素砼。

（2）控制段（溢流堰段）

溢流堰采用结构简单、施工方便、对承载能力交差的土基较为适用的宽顶堰, 溢流堰长度一般取堰上水深的3～6 倍[3],本次设计溢流堰长度为8.00 m,桩号为K0+034.50～K0+042.50,堰顶高程为2091.0 m,溢流堰横断面采用矩形断面,底宽 3.0 m,底板厚0.3m,侧墙高2.4 m,厚0.3 m,结构采用C25 F200 W4钢筋砼现浇结构。基础铺设为0.5 m厚三七灰土垫层,灰土垫层上为了施工方便,可浇10 cm 素砼。

（3）泄槽段

泄槽桩号为K0+042.50～K0+197.50,长155.0 m,该段为暗渠,盖板厚0.2 m,全段 采用矩形C25F 200 W4 钢筋混凝土现浇结构, 其中泄槽 桩号K0+042.50～K0+52.50为泄槽边墙高度渐变段,边墙由2.4 m高度渐变为1.6 m, 设计比降i=1/6.6,泄槽基础底部铺设0.5 m厚三七灰土垫层,灰土垫层上为了施工方便,可以浇10 cm素砼。

1）泄槽断面尺寸泄槽临界水深hk和临界底坡ik计算

式中：hk为临界水深,m；q为泄槽单宽流量,m3/（s·m）；α为系数,可取1.1,临界水深计算要素表见表3。

表3 临界水深计算要素表

2）正常水深 h0计算

泄槽采用矩形C25钢筋混凝土现浇结构,设计比降i=1/6.6,底宽为 3.0 m,正常水深h0根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》中明渠均匀流计算公式进行试算。泄槽正常水深h0计算表见表4。

表4 泄槽正常水深h0计算表

3)泄槽水面线计算

计算泄槽水面线时,应采用《溢洪道设计规范》附录A中泄槽水力计算法,根据能量方程用分段求计算沿程的水深,计算公式不在列出。计算时,设计流量Q为8.69 m3/s,流速分布不均匀系数取值为1.05。

泄槽上游接控制段,因此可将起始计算断面定在泄槽首部,水深 h1取用控制段末端水深h=0.99 m,假定各计算断面水深分别为0.99 m、0.8 m、0.7 m、0.6 m、0.5 m、0.4、0.31。当计算断面为正常水深h0=0.31 m时,计算ΣS=49.10 m,远小于泄槽长度 Ls=155 m,因此推断泄槽末端水深为 0.31 m。泄槽水面线推算见表5。

表5 泄槽最大下泄流量时水面曲线推算表

4）泄槽段水流掺气水深计算

本溢洪道流速均小于于10 m/s,不考虑掺气水深,安全超高取0.5 m～1.5 m, 加安全超高0.50 m,则泄槽侧墙高取1.6 m,大于校核洪水的临界水深1.41 m。

（4）消力池结构设计

消力池采用底流消能方式,消力池宽度 B=3 m。消力池采用 C25 F200 W4 钢筋混凝土结构,盖板厚0.2 m,侧墙厚0.5 m,底板厚0.5 m,侧墙高为2.8 m,混凝土外表层 涂沥青和铺设规格为550 g/m2复合土工膜,桩号为K0+0197.50～K0+209.00,长11.5 m,参照地勘意见,基础铺设0.50 m厚砂砾石垫层,防止产生冻胀破坏,方便施工可在砂砾石上浇10 cmC10 素砼。消力池底板为防止底部地下水冬季冻胀产生抬升破坏混凝土基础,布设直径为25 mm的排水管,呈梅花型布置,间距为1.5 m×1.5 m。

（5）出水渠

出水渠桩号为K0+209.00～K0+214.00,长5 m,消力池采用C25F200W4 钢筋砼现浇,设计比降 i=1/100,底宽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,侧墙厚0.3 m,混凝土外表层涂一层沥青并铺设规格为 550 g/m2复合土工膜,基础铺设0.50 m厚砂砾石垫层,防止产生冻胀破坏,为方便施工可在砂砾石上浇10 cmC10 素砼。

4 结论及建议

该淤地坝坝体下游2.5 km 沟口有京藏铁路、2.6 km处有兰西高速公路及七里店村（468 人）、22.45 hm2农田耕地等重要保护对象,铁路桥涵净空4.2 m,村庄较低住户距沟底3.9 m,通过本次除险加固工程建设,能够确保坝体下游居民生命财产安全,确保下游地区的社会经济的发展,村民免受骨干坝洪水的威胁。