曹繼彥

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西太原，030024）

五馬水庫底孔壩段優(yōu)化設(shè)計

曹繼彥

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西太原，030024）

五馬水庫壩址壩基存在傾向下游的軟弱夾層，下游河道呈S型，底孔出口挑射高速水流會沖擊壩腳和下游山體，對大壩造成嚴(yán)重威脅。鑒于此，將泄洪沖沙底孔出口由挑流調(diào)整為底流消能。筆者對優(yōu)化設(shè)計加以總結(jié)，以資借鑒。

泄洪沖沙底孔；挑流消能；沖坑；底流消能；擴散式消力池

1 工程概述

五馬水庫工程位于汾河一級支流洪安澗河南支——舊縣河下游近出山口，壩址東北距山西省臨汾古縣3.3 km。水庫總庫容542萬m3，是一座以工業(yè)供水、發(fā)電為主，兼有農(nóng)業(yè)灌溉、防洪、養(yǎng)殖、旅游等綜合利用的?。?）型水庫，水庫泄洪方式為底孔。

大壩為重力壩，壩頂高程672.1 m，最大壩高45.1 m，包括左岸擋水壩段（包括1～4壩段）、泄洪沖沙底孔壩段（5、6壩段）、發(fā)電及供水壩段（7壩段）和右岸擋水壩段（包括8～11壩段）。

工程于2008年4月開工，大壩基礎(chǔ)一開挖便揭露壩基存在數(shù)層傾向下游的泥化軟弱夾層，嚴(yán)重威脅大壩深層抗滑穩(wěn)定；底孔挑射水流頂沖下游山體，存在山體安全隱患；加之左岸山體三面臨空，存在山體穩(wěn)定等問題。經(jīng)組織專家咨詢，2009年1月開始對該工程進行優(yōu)化設(shè)計。

泄洪沖沙底孔5、6兩個壩段（樁號0+085～0+ 128.5）總長43.5 m，底孔共設(shè)5孔，孔口尺寸4.5 m× 4.5 m。優(yōu)化設(shè)計后整個壩段略向主河槽左側(cè)偏移約40 m，建基面下深4～7 m，進口底高程降至河床高程642.0 m，底孔出口消能方式由挑流調(diào)整為底流消能。

2 相關(guān)工程地質(zhì)

2.1 地形地貌

庫區(qū)位于舊縣河干流的下游，庫尾至上游賢腰村附近。河流呈“S”型，河曲發(fā)育，下游河床在距大壩約70 m處流向由S30°W轉(zhuǎn)為S70°E，河床底高程642～636 m，為基巖河谷。

壩址位于“S”型河道的上半部分，大壩上、下游均有一規(guī)模不大的橫向山體。上游山體由右岸伸向左岸至主河槽，地面高程645～651 m；下游山體由左岸伸向右岸，地面高程646～663 m，山體巖石裸露。壩址處上下游主槽偏離約100 m。

壩址下游為“S”形河道第一彎道凹岸轉(zhuǎn)彎處，下泄洪水直沖淘刷對岸山體，易形成回流，水流條件復(fù)雜，會對大壩下游河床基巖形成沖刷，造成壩體穩(wěn)定條件惡化。

2.2 壩址工程地質(zhì)條件

大壩壩基地層為三疊系下統(tǒng)劉家溝組，巖性主要有細砂巖、粉砂巖、泥巖層，T1l-14、T1l-12巖組中有較連續(xù)的泥化夾層，可構(gòu)成壩基潛在滑面。T11-14巖組河谷底部埋深2.6～7.3 m（壩址處高程626～632m），厚度1.3～2.4m，T11-12巖組埋深11.5～16.2 m

（壩址處高程618～624 m），厚度1.0～1.3 m。壩址區(qū)巖層呈單斜構(gòu)造，巖層傾向下游偏右岸，產(chǎn)狀多為N45°W/SW∠7°～8°，其中存在抗滑穩(wěn)定問題。

圖1 大壩平面布置圖Fig.1 Layout of the dam

3 水力計算特征參數(shù)

水庫正常蓄水位667.5 m，設(shè)計洪水位664.0 m（P=2%），相應(yīng)下游水位644.24 m；校核洪水位672.01 m（P=0.2%），相應(yīng)下游水位646.5 m，最大泄量1 941 m3/s。

4 底孔壩段優(yōu)化設(shè)計

4.1 原設(shè)計方案

4.1.1 平面布置及斷面設(shè)計

圖2 底孔壩段挑射出流橫剖面圖Fig.2 Profile of trajectory bucket type energy dissipation

底孔壩段原設(shè)計出口為挑流消能方式，受下游

河道橫向山體影響，為保證挑射水流順利排入下游河道，底孔進口略偏離主河槽右側(cè)，出口基本正對主河槽。

底孔壩段建基面高程634.0 m；下游河床底高程636.0 m左右；底孔單孔總長59.83 m，進口底高程646.0 m，為壓力短進口型式的無壓壩身泄水洞，包括進口、壩下涵洞、出口陡坡及挑流鼻坎。上游側(cè)布置有事故檢修平板鋼閘門，弧形工作閘門布置于壩體出口，后由1∶6陡坡與挑流鼻坎相連，鼻坎頂高程945.5 m，挑射角19.78°。

4.1.2 存在的問題

（1）壩基深層抗滑穩(wěn)定問題。

清除壩基表面巖石強風(fēng)化層后，大壩坐落于弱風(fēng)化基巖表層，建基面高程634 m，而壩基最上層軟弱夾層——T1l-14分布高程為626～632 m，壩基存在深層抗滑穩(wěn)定問題。

（2）高速水流對壩腳的沖擊。

根據(jù)水庫調(diào)度運行方式，底孔渲泄水位為校核洪水位672.02 m至汛限水位664.0 m，該項工況下最大泄量為1 941 m3/s，相應(yīng)地計算出挑流鼻坎處水流流速約高達19～23m/s，挑射水流挑距約為75m，沖坑深度約為26 m，坑底高程可達620 m左右。沖刷坑計算后坡i=1/2.9，在允許范圍ik=1/2.5～1/5之內(nèi)，但由于T11-14層分布高程為626～632 m，T11-12層分布高程為618～624 m，而建基面高程634.0 m浮于兩層軟弱夾層之上，且對軟弱夾層未采取任何工程措施，挑射流沖刷坑在大壩下游會形成臨空面，使T1l-14和T1l-12兩層軟弱夾層均暴露出地面，壩體抗滑穩(wěn)定條件惡化。

（3）高速水流對下游山體的沖擊。

大壩壩址下游為“S”形河道第一彎道凹岸轉(zhuǎn)彎處，挑射高速水流末端距該處山體僅30 m左右，紊流經(jīng)山體頂沖后又形成回流，水流條件極其復(fù)雜，會嚴(yán)重淘刷山坡，對山體的穩(wěn)定造成一定影響。

4.2 優(yōu)化設(shè)計方案

4.2.1 底孔壩段平面位置調(diào)整及斷面設(shè)計

擬利用壩址下游橫向山體增強底孔壩段下游阻滑力，兩壩段在原設(shè)計基礎(chǔ)上向左側(cè)偏移約40 m，下泄水流由泄槽翻越下游山體后進入主河槽。

建基面呈傾向下游階梯狀，高程630.0～627.0m；為更好地泄洪排沙，底孔進口底高程由646.0 m調(diào)至上游河床高程642.0 m；底孔單孔總長112.2 m，包括進口、壩下涵洞、泄槽及消力池。前端設(shè)計同挑流方案，底孔出壩體后接泄槽，泄槽長38.73 m，凈寬由38.5 m漸變?yōu)?8.0 m，包括拋物線段、底坡為1∶3.0的斜坡段和反弧段；消力池就河床地形布設(shè)，為擴散型消力池，池底高程635.00 m，池長73.47 m，左、右側(cè)擴散角分別為6.98°、62.0°，消力池前21.77 m進行了襯護，后51.7 m為天然河道。下泄水流經(jīng)消力池消能并折轉(zhuǎn)約90°方向后由下游河道下泄。

4.2.2 泄槽基礎(chǔ)及壩基設(shè)計

圖3 底孔壩段底流消能橫剖面圖Fig.3 Profile of bottom-flow energy dissipation

底流消能方案底孔壩段下游為橫向山體尾部，距壩體約50 m，擬利用該山體作為泄槽基礎(chǔ)的一部

分，在壩體和山體間回填漿砌石，形成完整的泄槽基礎(chǔ)（見圖3），使壩體和下游山體連接成一個整體，泄槽段翻越下游山體646 m平臺后泄洪水入主河道（消力池）。

底孔壩段存在抗滑穩(wěn)定問題，本方案擬挖除壩基表層埋深較淺的T1l-14層軟弱夾層，建基面按巖層傾向呈傾向下游的臺階狀開挖，建基面較原設(shè)計下伸4～7 m，利用T1l-14和T1l-12兩層間厚重巖體和下游厚重山體作為大壩抗滑穩(wěn)定抗體，增強大壩抗滑穩(wěn)定性。經(jīng)計算，正常蓄水位+地震工況為控制工況，大壩深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算值為3.541，遠遠大于規(guī)范要求值2.3，采取措施后底孔壩段大壩深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

4.2.3 頂沖山體防護

經(jīng)消力池水力學(xué)計算，校核泄量下消力池口處斷面平均流速約為23.68 m/s，經(jīng)擴散式消力池消能后，躍后斷面平均流速約為4.33 m/s，壩下流速已大大降低。2010年初就變更泄洪底孔泄流進行了模型試驗，試驗結(jié)果與計算情況基本吻合。

大壩下游S形河道轉(zhuǎn)彎處直接作為底流消力池體的一部分，下泄水流呈擴散狀態(tài)，有效降低了下泄水流流速，減少了對頂沖山體的沖刷，但經(jīng)消能后的洪水依然可對頂沖山體形成沖刷，本方案在河道轉(zhuǎn)彎處凹岸山坡采用三層塑料格柵石籠進行了防護。

4.2.4 優(yōu)化方案還可提高相鄰壩段的抗滑穩(wěn)定性

本方案優(yōu)化設(shè)計時，7、8號壩段已澆筑約2.0 m厚基礎(chǔ)墊層，并在壩底上游側(cè)設(shè)置了深3.0 m、底寬10 m的齒槽，但齒槽底部僅置于T1l-14軟弱夾層表面，而壩基下各層軟弱夾層均傾向下游，該齒槽對大壩深層抗滑穩(wěn)定難以起到加強作用。本方案在7、8號壩段下游和底孔壩段泄槽邊墻圍護范圍內(nèi)回填壩基開挖石渣，利用堆砌石渣的有效重量和壓力提高7、8號壩段的深層抗滑穩(wěn)定性。經(jīng)計算，采取該措施后大壩深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

通過上述優(yōu)化設(shè)計后，理論上成功解決了泄洪底孔壩段及相鄰壩段的深層抗滑穩(wěn)定問題和下游河道頂沖問題，五馬水庫能夠滿足安全運行要求，現(xiàn)水庫已通過蓄水安全論證，且工程竣工在即，僅待實踐對其進行檢驗。 ■

Weak interlayer towards downstream was contained in the Wuma dam foundation and the downstream channel was S shaped.The high-speed flow from the bottom outlet dashed against the dam toe and the rock downstream which threatened the safety of the dam.Thus,the trajectory bucket type en?ergy dissipation was replaced by bottom-flow energy dissipation in design optimization,worth reference.

outlet for flood release and sand discharge;trajectory bucket type energy dissipation;scour hole;bottom-flow energy dissipation;diffusion stilling basin

TV135.2

B

1671-1092（2014）04-0006-04

2014-04-08

曹繼彥（1968-），女，山西長子人，高級工程師，從事水利水電工程設(shè)計工作。

Title:Design optimization of the bottom outlet section of Wuma dam//by CAO Ji-yan//Shanxi Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute